蒸发冷却空调机组的应用

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     水在空气中具有蒸发能力。在没有别的热源条件下，水与空气间的热湿交换过程是空气传递显热给水，使空气的温度下降。而由于水的蒸发，不但空气的含湿量要增加，且进入空气的水蒸气带回一些汽化潜热。这两种热量相等，故水温会稳定于某一平衡温度，这一温度就是空气的湿球温度。只要空气不是饱和的，湿球温度总是低于干球温度，也即水温总是低于空气干球温度。所以，利用循环水直接(或通过填料层)喷淋空气可以取得空气的降温效果。在允许条件下可以利用这空气作为送风以降低室温，这就是蒸发冷却。

     蒸发冷却有直接蒸发冷却和间接蒸发冷却之分。利用循环水直接冷却送风空气的叫直接蒸发冷却(direct evaporative cooling, DEC)。 对于DEC，虽然空气的温度会有所下降，但其湿球温度在冷却前后却是相同的，换言之，相对湿度有所增加。 以t db和t wb表示处理前空气的干球和湿球温度，以t db’’ 表示处理后空气的干球温度，则DEC的热交换效率ED可用下式计算： ED = ( t db - t db’’ )/(t db - t wb ) 图1是一种淋水填料式 DEC。 图1 直接蒸发冷却 由于空气经过DEC的状态变化是降温加湿过程，故它适用于低湿地区，如中国海拉尔-锡林浩特-呼和浩特-西宁-兰州-甘仔一线的以西地区。 为了克服DEC使空气湿度增加的问题，人们又开发出间接蒸发冷却(indirect evaporative cooling,IEC)技术。这是利用经直接蒸发冷却后的空气(称为二次空气，secondary air)或水，通过一换热器冷却另外一股空气(称为一次空气primary air)。一次空气温度会下降，然而由于它不与水接触，其含湿量不变。因此除了在低湿地区，在中等湿度地区，如中国的哈尔滨-太原-宝鸡-西昌-昆明一线以西地区，IEC也有应用的可能性。为了工程应用方便，有人将直接蒸发冷却和换热两个过程综合在一个设备内完成，该设备称为间接蒸发冷却器。它有板式和管式两种。 IEC的热交换效率EI可用下式计算： EI = ( t dbp1 - t dbp2 )/( t dbp1 - t wbs1 ) 式中：t dbp1 , t dbp2 ---- 一次空气在进口处和出口处的干球温度； t wbs1 -- 二次空气在进口处的湿球温度。 也有将两种蒸发冷却结合起来的做法(图4)。先使一次空气经过间接蒸发冷却器，被等湿冷却。然后再令它经过直接蒸发冷却器受到进一步冷却，同时受到加湿。这一方式称为双级式蒸发冷却(two-stage evaporative cooling)。它可以提供比间接蒸发冷却更大的降温效果。

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     蒸发冷却过程是以水作为制冷剂的。同通常的机械制冷的原理一样，由于制冷剂的蒸发而提供冷量。但是对蒸发冷却来说，是利用水的蒸发取得冷量。但是它不必将蒸发后的水蒸气再行压缩、冷凝回到液态水后再进行蒸发。一般可以直接补充水分来维持蒸发过程的进行。因此与机械制冷相比，蒸发冷却法制冷不需要消耗压缩功，这使得它的COP值有时比机械制冷要大得多，从而取得节能的结果。一般，蒸发冷却技术可有以下的应用方式： (1) 在干燥地区替代常规的机械制冷方式。 (2) 用间接蒸发冷却来预冷新风，以减少机械制冷的容量。这样做有时会带来节能效果。 (3) 对风冷的传热设备(如风冷冷凝器)可用直接蒸发冷却来降低空气温度，以扩大传热温差，提高传热量，而空气湿度的提高对传热设备的工作则无甚影响。 (4) 除湿冷却 (desiccant cooling) 在非干燥地区不能用蒸发冷却来替代机械制冷的主要原因有： (a) 室外空气的湿球温度太高，由蒸发冷却获得的空气温度不足以满足送风要求； (b) 蒸发冷却自身没有除湿能力，无法降低室外空气的含湿量以满足送风要求； 如果将室外空气(或室外空气与室内空气的混合空气)用除湿剂经吸收或吸附处理成含湿量低的空气，接下来就同干燥地区一样，也可以用蒸发冷却来实现舒适性空调。这样的技术就是除湿冷却。 2. 夏季运行期双级式蒸发冷却系统的效果分析 作者曾研究了蒸发冷却技术在我国的适用性[1], 划分了在夏季空调室外设计条件下和最热月平均条件下有可能应用蒸发冷却技术的地区。为了了解双级式蒸发冷却系统（IEC+DEC系统）在供冷运行期中的使用效果，作者又做了进一步的研究分析。研究工作是以一幢两层楼的办公楼建筑作为计算对象。该建筑的每层面积为930 m2 ，层高 3.05 m。墙上有窗，窗墙比为0.27。室温设定值是24℃（对常规空调），控制方式为开关式。空调冷负荷来自：人体、灯光、围护结构和室内设备。常规系统的新风量按人数和每人新风量确定。根据给定的条件用DOE 2 .1E程序计算各区（内区及外区）的设计负荷和送风量,并且逐时计算每一小时的各种数据：各区的得热量、冷负荷、排热量、各区的送风量、各区的实际室温和各项能耗。双级式蒸发冷却系统的送风量（都是新风）可任选,为了便于比较，本文使之与常规系统基本相同。计算的时段：6月 到9月。计算的系统：常规的机械制冷空调机组（分定风量系统和变风量系统）和IEC+DEC系统。IEC的效率=0.65 ，DEC的效率 = 0.8。空调系统的工作制度是：工作日-上午8时开机，晚上 18时停机；非工作日-上午8时开机，中午 12时停机。计算地点：乌鲁木齐、西安、哈尔滨和北京。由于计算结果的数据非常庞大，现只将汇总数据列于表1中。 从表1可以看出： （1）在基本相同的风量下，蒸发冷却系统的需求功率仅为常规的定风量系统的14 %- 19 %，其总耗电量则为 60 % - 70 %。其中制冷部分的耗电量更低，约为定风量系统的四分之一。但是蒸发冷却系统的风机能耗要高，比定风量系统多用电 15 % - 75 %。主要原因是蒸发冷却系统的风机运行时间要长得多； （2） 从空调效果（室温值）来看，常规系统是不成问题的。不论是各月的平均室温，还是全夏季的平均室温都能满足设计要求，并且任何时刻都没有超过26.7 ℃。蒸发冷却系统的效果随地区而异,总体上要比常规系统差些。乌鲁木齐的效果最好，平均室温与常规系统基本相同，超过26.7 ℃的时数仅占空调总时数的 0.9 %。其他三地就要差一些。它们的夏季平均室温分别是27.1 ℃、23.9 ℃ 和 26.4 ℃。当要求不太高时，作为舒适性空调还能接受，不过有较多时刻室温会超出26.7 ℃。对西安、哈尔滨和北京三地，这些时刻占总时数的百分比分别是：52.7 %、23.2 % 和50.6 %。这里大体可看出，对办公楼建筑，在我国西北地区西部和东北地区北部采用双级式蒸发冷却系统，不论在效果上还是在节能上都是（或基本上是）可行的。对西北地区东部和华北地区，则在节能的前提下用双级式蒸发冷却系统能适当改善室温条件； （3） 从室内空气品质角度来看，蒸发冷却系统要优于常规系统，因它是按100 %新风运行的。 （4） 如果将本例中的双级式蒸发冷却系统的风量增加五分之一，则平均室温可以下降 0.5 ℃左右，但是能耗也会有所增加。以定风量系统为基数的相对能耗增为 68 % ~ 81 %，相对需求功率增为 19 % ~ 25 %。 （5） 对常规系统，变风量系统的夏季总耗电量为定风量系统的 75 % ~ 83 %， 但是前者的平均室温要比后者高 0.7 ℃ ~ 1.6 ℃。