劉佳莉， 黃 翔， 孫 哲

（西安工程大學，陜西西安 7100 48）

0 引言

與傳統(tǒng)空調(diào)相比較，蒸發(fā)冷卻空調(diào)采用水作為制冷劑、無四大運動部件、機組CO P較高，在節(jié)約能源和環(huán)境保護方面具有一定的優(yōu)勢。由于受到室外環(huán)境影響，使用范圍受限。為了提高蒸發(fā)冷卻空調(diào)的降溫幅度和實現(xiàn)一定范圍的濕度控制，基于MAISOTSENKO循環(huán)（簡稱M-cycle）[1]理論，開發(fā)出一種新型復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空氣處理機組。機組入口空氣可以采用新風，利用不斷降溫的空氣，一部分作為蒸發(fā)冷卻的“工作空氣”（即二次空氣），來冷卻另一部分的“產(chǎn)出空氣”（即一次空氣）。由于“工作空氣”的溫度不斷降低，增加了空氣與水熱濕交換的能力，從而制取溫度更低的空氣，甚至接近露點溫度。

隨著電子計算機的發(fā)展，其能夠自主、高速地進行大量的數(shù)值計算和各種信息處理，運算速度已達到每秒億萬次。在此之下衍生的商業(yè)軟件CFD（Computational Fluid Dynamics），也進入了暖通空調(diào)應用領域。與傳統(tǒng)的實驗測試相比較，其具有速度快、成本低、可模擬不同工況等優(yōu)點。為了更好地發(fā)揮蒸發(fā)冷卻節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢，將這種模擬技術應用于新型復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的模擬研究，對于機組性能優(yōu)化等方面具有重要意義。

1 露點間接蒸發(fā)冷卻的模擬研究

露點間接蒸發(fā)冷卻的模擬研究大多集中在換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行條件等方面。

X·Zhao等人[2]對一種新型的逆流露點式蒸發(fā)冷卻器進行了數(shù)值模擬研究，通過數(shù)值計算不斷優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行條件，結(jié)果得出了幾種影響其冷卻效率的主要因素：氣流通道尺寸、氣流速度及工作空氣與進氣量風量比。并給出相關建議值：一次空氣的流速應該保持在0.3～0.5 m/s，空氣通道高度保持在6 mm以下，進風中作為二次空氣的比例為0.4。

Zhan等人[3]利用有限元法建立了一個用于求解一次空氣和二次空氣間熱質(zhì)傳遞的耦合控制方程。試驗和模擬結(jié)果的對比顯示，出口溫度的最大偏差為3.4%，濕球效率的最大偏差為9.4%，實驗結(jié)果和模擬基本吻合。模擬給出了相關推薦值：二次空氣流量小于1.77 m/s，一次空氣流量小于0.7 m/s，最佳二/一次空氣流量比為0.5，通道之間的高度保持在4 mm。模擬結(jié)果說明露點式間接蒸發(fā)冷卻器比傳統(tǒng)的間接蒸發(fā)冷卻器效率高出16.7%。

Riangvilaikul和Kumar[4]建立了模擬露點式間接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)部熱質(zhì)傳遞過程的有限差分數(shù)學模型。保持入口空氣溫度在35℃不變，含濕量在6.9～26.4 g/kg之間變化時，系統(tǒng)的露點效率的變化范圍為65%～86%，濕球效率的變化范圍為106%～109%?；谀Ｐ头治?，文章提出系統(tǒng)理想運行參數(shù)為：入口空氣流速小于2.5 m/s，通道間距小于5 mm，通道長度大于1 m，二次空氣和一次空氣的流量比為35%～60%。

丁杰等人[5]對一種回熱式間接蒸發(fā)冷卻（簡稱RIEC）器進行CFD模擬。這種回熱式間接蒸發(fā)冷卻降溫后的一次空氣，一部分被循環(huán)作為二次空氣使用，RIEC具有正反饋式工作原理，其降溫潛力突破濕球溫度，在焓濕圖上，它的空氣處理過程與露點間接蒸發(fā)冷卻相同，對于露點間接模擬研究具有一定參考。在進行RIEC模擬研究中，采用同位網(wǎng)格劃分，有限容積法對控制方程進行離散，模擬技術分析傳熱傳質(zhì)過程。從流道間距、空氣流速、相對濕度等方面分析其對冷卻效率和火用比的影響，結(jié)果給出建議取值：一二次通道間距4～5 mm，一次空氣通道4 mm左右，一次空氣流速2.5～3 m/s，二次空氣流速1～1.5 m/s。并指出為了得到高的火用比，一方面降低入口空氣相對濕度，提高入口干球溫度；另一方面，通道間距、長度個一次空氣流速要保持合適范圍。

針對已有的具有潛力的露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的相關使用效果、節(jié)能潛力以及是否滿足溫濕度要求等方面，也有相關參考的模擬研究。

Eastment等人[6]對一種具有節(jié)能潛力的OASys兩級間接-直接蒸發(fā)冷卻器應用于住宅建筑帶來的節(jié)能潛力和室內(nèi)溫濕度進行模擬。其中，OASys的間接蒸發(fā)冷卻段是一個逆流露點式間接蒸發(fā)冷卻。文中分別對兩棟住宅進行了年逐時建筑能耗模擬：模擬室和標注室。為了說明OASys的節(jié)能潛力，分別與不同的冷卻方式進行對比：手動控制的OASys、具有最佳控制的OASys、獨立的直接蒸發(fā)冷卻器和傳統(tǒng)的空調(diào)等。假定兩級O S A y s設備中間接段的換熱效率為45%（基于國家可再生能源實驗室對O S A y s的測定），直接段的濕球效率為85%，能制取濕球溫度以下的空氣。傳統(tǒng)的空調(diào)的能效比選擇13、15。對博雷格溫泉氣候區(qū)的模擬結(jié)果進行分析，得出：1）OASys和直接蒸發(fā)冷卻器與傳統(tǒng)的空調(diào)器相比較，能夠節(jié)省大量電能；2）與直接蒸發(fā)冷卻相比較，OASys送風溫度較低；3）OASys最佳控制與手動控制相比，能夠節(jié)約約23%的能量消耗；④獨立的OASys，特別是直接蒸發(fā)冷卻器導致博雷戈溫泉住宅室內(nèi)相對濕度高于70%的運行時間多于400 h。另外，直接蒸發(fā)冷卻器使得運行時室內(nèi)干球溫度超過80℉的小時數(shù)超過400 h。

2 復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空氣處理機組簡介

2.1 工作原理

露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術是原有的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術基礎上的一個新的發(fā)展，由于特殊的芯體構(gòu)造，其可實現(xiàn)更大的溫降，可以對空氣的濕度實現(xiàn)一定范圍的控制。新型復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組與傳統(tǒng)的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組不同的是，機組的芯體構(gòu)造不同于傳統(tǒng)的板式間接和管式間接，它的芯體壁面被均勻打上了一定規(guī)則和大小的孔口。如圖1所示，芯體有不同的材料構(gòu)成兩個不同的空氣流動通道，空氣自入口進入機組的干通道，通過壁面的小氣孔而鉆入到另一側(cè)的通道，另一側(cè)頂部設有布水裝置，通過噴淋裝置，噴淋水在壁面形成均勻的水膜，這一側(cè)被稱為濕通道。在排風機的作用下，進入濕通道的空氣被稱為二次空氣（工作氣流），它與噴淋水進行濕熱交換，來預冷干通道的一次空氣（產(chǎn)出氣流）。芯體末端設置擋板，最后所有干通道的一次空氣都經(jīng)過壁面的孔口，進入到另一側(cè)的濕通道，與噴淋水熱濕交換，溫度降低的一次空氣最后作為機組的送風[7]。

圖1 空氣運動途徑示意圖

新型復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空氣處理機組的工作原理就是能量的梯級利用，利用多個通道的不同狀態(tài)點的空氣，不斷降低一次空氣的濕球溫度，從而增加兩側(cè)通道之間空氣間的溫度差，從而增強之間的傳熱能力。

2.2 空氣處理過程

圖2 經(jīng)過芯體的產(chǎn)出空氣處理焓濕圖

新型復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的空氣處理過程如圖2所示，狀態(tài)點為1的空氣在干通道被逐級降溫到狀態(tài)點2，這是一個等濕冷卻過程（間接蒸發(fā)冷卻），空氣的溫度降低的同時含濕量保持不變；被等濕降溫的空氣繼而經(jīng)過孔口進入濕通道，與噴淋水熱濕交換，被等焓降溫到狀態(tài)點3（直接蒸發(fā)冷卻）。理想狀態(tài)，一次空氣（產(chǎn)出氣流）經(jīng)過了間接-直接蒸發(fā)冷卻空氣處理后，最終落在了狀態(tài)點3，其中t1L＜t3＜t1s，也就是說一次空氣的溫度處于亞濕球溫度[8]，甚至逼近露點溫度。

由于經(jīng)過了間接-直接蒸發(fā)冷卻空氣處理過程，其降溫幅度增加。評價其冷卻效果指標為濕球效率ηIDEC。

式中 ηIDEC—復合式露點間接蒸發(fā)冷卻的濕球效率，%；

tg1—進風口空氣的干球溫度，℃；

ts1—進風口空氣的濕球溫度，℃；

tg3—送風口空氣的干球溫度，℃。

3 CFD技術應用

3.1 CFD技術發(fā)展

CFD技術發(fā)現(xiàn)源于英國，科學家T h o m通過手搖計算機完成了一個外掠圓柱流動的數(shù)值計算，由此衍生出利用計算機編程等手段解決工程中復雜的問題。伴隨著計算機技術的飛躍發(fā)展，從20世紀60年代至今，CFD技術經(jīng)歷了三個主要的時期：起始階段，用于解決流體力學基本理論和數(shù)值計算；第二階段進入工業(yè)應用領域，面向?qū)嶋H工程計算問題；第三階段，CFD技術日漸成熟，數(shù)據(jù)模擬以及分析功能強大，適用范圍廣，已經(jīng)被人們所關注[9]。國外該項技術的研究較早，英國、美國、日本等國家率先開始研究，20世紀80年代CFD進入我國暖通空調(diào)領域，清華大學、東華大學等對氣流組織和送風形式進行了模擬。香港大學借助大渦模擬工具研究自然通風問題等[10]。該技術應用于H V A C領域，主要用于流體計算、數(shù)值模擬、氣流組織分析、空調(diào)負荷計算、室內(nèi)污染物濃度分析等方面。

3.2 可以解決的問題

3.2.1 設備性能改進

（1）風機和水泵

新型復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組，其設備主要的耗能部件有送風機、排風機和循環(huán)水泵。它們都是通過流體工質(zhì)的流動而工作的，流動情況對設備性能有著重要的影響。利用CFD軟件模擬設備內(nèi)部流動情況，來研究設備性能，從而改進設備相關參數(shù)，使風機和水泵在最佳工況下運行，以達到降低其能耗，提高機組COP。

（2）芯體構(gòu)造

該機組特殊的芯體構(gòu)造，構(gòu)成了兩種不同工作性質(zhì)的通道：干通道和濕通道。通道高度的增加，濕球效率和制冷量都隨著下降，COP升高。而干通道長度越長，干通道與濕通道空氣接觸時間越長，換熱更充分，制冷量和濕球效率增加，COP下降。

（3）空氣流速

當進入機組的空氣增加時，一次空氣和二次空氣按照比例增加，流速也相應比例增加。機組制冷量隨著空氣流量的增加而增加。然而流速過大會造成換熱不充分的問題，制冷量反而受大流速影響而降低。

（4）空氣流量比

一次空氣和二次空氣流量比對機組冷卻效果的影響與通道高度有關。另外，從能量守恒的角度分析，需要處理得到一定降溫幅度的一次空氣，干燥地區(qū)需要的二次空氣較少，高濕度地區(qū)需要二次空氣較大[11]。

另外，空氣湍流擾動強度、噴淋水是否均勻潤濕壁面等，這些因素都對換熱效率有著重要影響，直接影響到機組的冷卻效果。CFD技術可實現(xiàn)快速模擬換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)、空氣流速、一次空氣與二次空氣流量比等，預測不同條件下對應的不同效果，通過對比分析，可以尋找出一個最有利的條件，為機組換熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

3.2.2 室外環(huán)境分析設計

眾所周知，蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術受到外界環(huán)境的影響，其運行具有不穩(wěn)定性。采用CFD可以方便地對室外環(huán)境進行模擬。

通過模擬室外干球溫度和濕球溫度，可以設置不同工況，從而研究蒸發(fā)冷卻對應的不同冷卻效率，分析不同室外環(huán)境參數(shù)的影響下蒸發(fā)冷卻的性能，對其應用有著指導意義。而且，具有投資少、經(jīng)濟、不受客觀條件限制、時間短等特點。

3.2.3 室內(nèi)環(huán)境分析設計

室內(nèi)環(huán)境包括室內(nèi)熱環(huán)境和室內(nèi)空氣品質(zhì)兩方面。ASHRAE Standard 55-1992中將熱舒適定義為人體對熱環(huán)境滿意的意識狀態(tài)。對于舒適性空調(diào)，室內(nèi)溫度、相對濕度和風速取值范圍見表1。

表1 通用熱舒適區(qū)的最佳取值范圍

同樣，舒適的室內(nèi)環(huán)境要求室內(nèi)具有良好的空氣品質(zhì)，室內(nèi)需要及時輸送一定量的新風，來保證人們生活和工作所需要的足夠氧氣。現(xiàn)代建筑室內(nèi)由于裝修等過程，墻壁等物體會向室內(nèi)散發(fā)一定的有害物質(zhì)，如甲醛等。室內(nèi)充足的新風和良好的氣流組織形式，對于消除室內(nèi)污染物濃度，保持良好空氣品質(zhì)非常重要。

新型復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組能夠向室內(nèi)輸送降溫和過濾的新風，通過吸收室內(nèi)余熱和置換室內(nèi)污染空氣來保持室內(nèi)一定舒適環(huán)境。所以，室內(nèi)溫度場和濕度場分布情況、氣流組織是否合理，以及室內(nèi)污染物濃度分布等對該機組的研究和應用具有指導意義。CFD技術在評價室內(nèi)氣流組織是否合理，分析室內(nèi)污染物濃度的分布等發(fā)揮優(yōu)勢。

3.3 技術路線

模擬技術應用于新型復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的研究，其基本的技術路線如圖所示，首先，對該機組建立質(zhì)量方程、動量方程和能量方程，指定初始時刻已知函數(shù)值，并確定機組換熱器結(jié)構(gòu)尺寸、干濕通道幾何尺寸、氣流流速、二次/一次空氣流量比等參數(shù)。然后，將原來連續(xù)的物理場用一系列有限個離散點的集合代替，建立離散方程，最后求解變量近似值。CFD技術常用的數(shù)值方法包括有限差分法、有限容積法、有限元法和有限分析法。

針對新型復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組進行實際效果測試，測試結(jié)果與模擬結(jié)果可以比較分析（如圖3所示）。

圖3 CFD技術應用于新型復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組模擬研究的技術路線

3.4 存在不足

（1）新型復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的核心部件為機組的芯體，影響機組的效率主要因素之一就是芯體的結(jié)構(gòu)尺寸，但區(qū)別于傳統(tǒng)的間接蒸發(fā)冷卻器，選擇合理的網(wǎng)格劃分很重要。

（2）受到客觀因素的影響，模擬研究多對三維的模型簡化為一維或者二維，不能真實地反應實際情況，應對加強三維模型的建立進行研究。

（3）新型復合式露點間接蒸發(fā)冷卻機組的空氣處理過程較為復雜，一次空氣經(jīng)過等濕降溫和等焓降溫兩個處理過程，濕通道中關于水膜的過多假設對其內(nèi)部的熱質(zhì)交換的模擬結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，應加強更符合實際情況的控制方程的推導和動態(tài)模型的建立。

4 結(jié)語

新型復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組在降溫幅度和濕度控制方面發(fā)揮優(yōu)勢，節(jié)能和環(huán)保潛力突出，結(jié)合CFD技術成本低、有效、便捷等特點，先對機組的結(jié)構(gòu)尺寸和運行條件，以及應用該機組的建筑室內(nèi)溫度場、濕度場、氣流組織等進行模擬，再對機組進行實際性能和運行效果測試，模擬與實際測試相結(jié)合，是一條科學和合理的研究該新型機組并推廣其應用的技術路線。

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