屈悅瀅 黃 翔 趙 娟 楊立然

復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的應(yīng)用研究與優(yōu)化設(shè)計

屈悅瀅 黃 翔 趙 娟 楊立然

（西安工程大學(xué) 西安 710048）

隨著露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的進(jìn)步，露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的應(yīng)用范圍擴(kuò)大。尤其在我國一些干燥地區(qū)甘肅、陜西等地得到實(shí)際應(yīng)用。介紹了復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在我國不同地區(qū)應(yīng)用的工程實(shí)例，通過對機(jī)組運(yùn)行期間的測試對比，總結(jié)了目前露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組存在的問題，提出優(yōu)化方案，以期為后來的應(yīng)用提供價值參考。

復(fù)合式露點(diǎn)；蒸發(fā)冷卻；測試；優(yōu)化設(shè)計

0 引言

2003年，美國Dr. Valerij Maisotsenko首次提出M循環(huán)理論。其核心是一種穿孔叉流板式蒸發(fā)冷卻器，屬于一種間接蒸發(fā)冷卻器。理論上，M循環(huán)可以將任何氣體和液體冷卻到接近露點(diǎn)溫度。與傳統(tǒng)的間接蒸發(fā)冷卻器相比，這是它的最大優(yōu)勢[1]。目前，隨著蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用范圍與領(lǐng)域越來越廣泛，國內(nèi)外相關(guān)專家、學(xué)者通過對露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻的數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬、試驗(yàn)、材料、產(chǎn)品等的深入研究[2]表明，露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻技術(shù)在制冷空調(diào)、建筑節(jié)能領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。

復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器將叉流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻與直接蒸發(fā)冷卻相結(jié)合，劉佳莉等對復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在干燥工況和高濕工況的二/一次風(fēng)量比、淋水量、耗電量等參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)分析[3,4]，張鴻等主要對復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的間歇性噴水時間、耗水量等性能參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析[5]。但都沒有展開對復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用研究，實(shí)際工程中機(jī)組及功能段出現(xiàn)的問題是解決露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組推廣應(yīng)用的關(guān)鍵所在，只有對實(shí)際中出現(xiàn)的問題進(jìn)行詳細(xì)的分析，針對性的提出如何優(yōu)化的方案，并進(jìn)行改善才能對蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的發(fā)展有長遠(yuǎn)的幫助。

1 復(fù)合式露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)原理

室外新風(fēng)通過過濾段后，首先進(jìn)入露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的干通道，一部分氣流通過孔口進(jìn)入另一側(cè)的濕通道，濕通道中空氣和噴淋水在水蒸氣分壓力差的驅(qū)動勢下進(jìn)行熱濕交換，不同的孔口進(jìn)入不同狀態(tài)的空氣，實(shí)現(xiàn)能量的梯級利用，干通道側(cè)的空氣濕球溫度不斷降低，作為產(chǎn)出氣流沿著芯體向前運(yùn)動，由于芯體末端密封，最終全部通過孔口進(jìn)入濕通道，同時與噴淋水進(jìn)行熱濕交換再次降溫[6]。

2 復(fù)合式露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組性能測試分析

2.1 試驗(yàn)測試性能分析

2.1.1 試驗(yàn)測試概況

測試地點(diǎn)為福州，夏季室外空調(diào)計算干球溫度36℃，計算濕球溫度28.1℃，屬高濕度地區(qū)，測試期間有降雨。

2.1.2 溫濕度測試

圖3 6月23日測試結(jié)果

圖4 6月27日測試結(jié)果

圖5 6月28日測試結(jié)果

圖6 6月29日測試結(jié)果

圖7 6月30日測試結(jié)果

測試數(shù)據(jù)如表1、2?？梢姍C(jī)組送風(fēng)溫度低于進(jìn)風(fēng)的濕球溫度，同時機(jī)組平均溫降為5.78℃，平均效率為108%，滿足設(shè)計要求。含濕量平均增加1.12g/kg，可見送風(fēng)的實(shí)際加濕能力小。

表1 測試數(shù)據(jù)匯總表

表2 測試數(shù)據(jù)匯總表

2.1.3 風(fēng)量測試

測試期間，對每一個送風(fēng)口用風(fēng)量罩進(jìn)行了測量，測試數(shù)據(jù)經(jīng)過多次測量取平均值。而進(jìn)風(fēng)口實(shí)測風(fēng)速約5.5m/s，計算得送風(fēng)量為6375m3/h，滿足進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量=總的送風(fēng)風(fēng)量+排風(fēng)口風(fēng)量。同時，機(jī)組排風(fēng)量與送風(fēng)量的比值為0.6。

2.1.4 風(fēng)壓測試

測試期間，對機(jī)組不同斷面的風(fēng)壓的測試表明，進(jìn)風(fēng)口與送風(fēng)口壓差為550Pa，進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口的壓差為280Pa。

2.1.5 不同排風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量對比測試

前面的測試排風(fēng)量與送風(fēng)量之比基本維持在0.6，下面針對不同的排風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量對機(jī)組進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同排風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量比值對比表

為了使測試更加準(zhǔn)確，控制機(jī)組進(jìn)風(fēng)口的干、濕球溫度相差不大，因此當(dāng)排風(fēng)量與送風(fēng)量的比值在0.4～0.7之間時，濕球效率比較高，在0.5左右時效果最佳。

2.2 工程應(yīng)用測試性能分析

2.2.1 陜西楊凌某工業(yè)車間

（1）工程概況

該廠房面積4900m2，共三層，層高6.5m，采用通風(fēng)換氣機(jī)通風(fēng)換氣。因該車間生產(chǎn)工藝原因，導(dǎo)致車間濕度較大，因此設(shè)計要求僅需要夏季制冷，要求夏季室內(nèi)溫度32℃，相對濕度60%。采用32臺復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組為廠房通風(fēng)降溫，每臺機(jī)組設(shè)計風(fēng)量15000m3/h。

（2）測試性能及分析

7月13日，在室外平均溫度37℃，相對濕度53.1%，出風(fēng)溫度27.9℃的條件下，機(jī)組溫降10.7℃，室內(nèi)工作區(qū)溫度31℃，相對濕度51%，含濕量增加5.5g/kg，滿足人體舒適性要求。由于機(jī)組風(fēng)閥處于調(diào)試中，導(dǎo)致機(jī)組平均效率僅能達(dá)到86%，正常情況下效率應(yīng)在110%以上，溫降可達(dá)13℃。

7月24日，西安處于極端高溫天氣，室外平均溫度在40℃以上，逼近45℃，相對濕度為40%左右。僅開啟露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻段，實(shí)測顯示機(jī)組溫降可達(dá)8℃。表明在極端工況下，機(jī)組性能保持良好。經(jīng)計算若開啟直接蒸發(fā)冷卻段，機(jī)組溫降可達(dá)15℃以上。

2.2.2 陜西興平市某食品廠

（1）工程概況

該廠房共2層，每層面積150m2，一層為加工車間，二層為儲備間。該廠房設(shè)備發(fā)熱量大、粉塵濃度高，需較大風(fēng)量甚至全新風(fēng)模式的空調(diào)系統(tǒng)來滿足室內(nèi)降溫和通風(fēng)要求，其對濕度要求不高，采用5臺風(fēng)量為20000m3/h的露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組和2臺風(fēng)量為50000m3/h的蒸發(fā)式冷氣機(jī)為廠房通風(fēng)降溫。

（2）測試性能及分析

7月30日，在室外溫度32℃，相對濕度53%的條件下，機(jī)組平均的出風(fēng)溫度22.2℃，相對濕度93.9%，溫降8℃，機(jī)組效率113%，室內(nèi)崗位工作區(qū)的溫度25.7℃，相對濕度75.8%，機(jī)組降溫幅度較理想，同時平均含濕量增加0.8g/kg，滿足廠房對溫濕度的要求。

圖9 7月30日測試結(jié)果

2.2.3 甘肅省敦煌市某機(jī)場

（1）工程概況

該工程所用露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在公安、食堂、值班綜合用房工程，總建筑面積4203m2。測試機(jī)組風(fēng)量分別為10000m3/h、20000m3/h，前者為食堂操作間供冷，后者為食堂就餐區(qū)供冷。在今年最熱時間段，敦煌市室外空氣溫度已超45℃，室外空氣相對濕度在20%左右，空氣極度炎熱干燥，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在敦煌機(jī)場的使用具有很大優(yōu)勢。

（2）測試性能及分析

8月20日，分別對兩臺露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組進(jìn)行測試。在室外空氣溫度33℃，相對濕度29%的條件下。10000m3/h風(fēng)量的機(jī)組平均進(jìn)風(fēng)溫度24℃，相對濕度30%，查得相對應(yīng)時間段的進(jìn)風(fēng)平均濕球溫度14℃，露點(diǎn)溫度溫度平均僅為6.4℃。在相同時間下，機(jī)組的平均出風(fēng)溫度13℃，平均相對濕度85%，計算得機(jī)組效率110%，且機(jī)組的出風(fēng)含濕量8.14g/kg，增加2.1g/kg，盡管機(jī)組已對空氣加濕，但敦煌空氣干燥，機(jī)組的平均溫降11.43℃，降溫效果很好。

與10000m3/h風(fēng)量機(jī)組相比，20000m3/h風(fēng)量機(jī)組運(yùn)行效果不夠理想，在進(jìn)風(fēng)參數(shù)幾乎相同的情況下，平均溫降7.5℃，平均出風(fēng)溫度17.2℃，平均露點(diǎn)溫度溫度11.1℃，機(jī)組平均冷卻效率70%。主要因?yàn)樵摍C(jī)組當(dāng)時處于調(diào)試階段，由機(jī)組本身所造成。同時機(jī)組出風(fēng)的平均含濕量9.3g/kg，滿足室內(nèi)的降溫需求。

3 復(fù)合式露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的優(yōu)化改進(jìn)

3.1 機(jī)組優(yōu)化改進(jìn)措施

（1）關(guān)于排風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量比值對機(jī)組冷卻效率影響問題

通過對不同地區(qū)相同機(jī)組的排風(fēng)量與送風(fēng)量之比對機(jī)組效率的影響做對比，發(fā)現(xiàn)其排風(fēng)量與送風(fēng)量的比值對機(jī)組效率有很大影響，結(jié)果如表4。露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組排風(fēng)量與送風(fēng)量比值在0.4～0.7之間時，機(jī)組濕球效率較高，排風(fēng)量與送風(fēng)量比值在0.5左右時效果最佳，故機(jī)組在運(yùn)行時，應(yīng)控制其風(fēng)量比在合理范圍內(nèi)。同時也驗(yàn)證了在福州對機(jī)組不同的排風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量對機(jī)組效率影響的測試結(jié)論。

表4 不同地區(qū)機(jī)組排風(fēng)量與送風(fēng)量的比值與機(jī)組效率

（2）關(guān)于機(jī)組出風(fēng)濕度較大問題

由于機(jī)組采用復(fù)合式露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻芯體，一次空氣出風(fēng)存在降溫加濕過程，在干燥地區(qū)一般可滿足要求。對室內(nèi)環(huán)境濕度有一定要求的場所，可為機(jī)組配置自動監(jiān)控系統(tǒng)。通過檢測到室內(nèi)濕度的高低，選擇性開啟直接蒸發(fā)冷卻段，自動控制機(jī)組加濕量。

（3）關(guān)于機(jī)組阻力較大問題

測試發(fā)現(xiàn)，對于送風(fēng)段采用壓入式風(fēng)機(jī)，進(jìn)風(fēng)量基本滿足設(shè)計要求。由于露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻芯體孔道較小，且進(jìn)風(fēng)流道彎折較多，當(dāng)大量空氣進(jìn)入時，阻力較大。因此，需改進(jìn)芯體材料，增大一次空氣與二次空氣之間的空洞尺寸，降低流道阻力。

（4）關(guān)于芯體高度對冷卻效率影響問題

蒸發(fā)冷卻效率受到露點(diǎn)芯體高度影響較大，且隨著高度增加而增加。試驗(yàn)證明當(dāng)芯體高度為0.8m時，冷卻效率高達(dá)120%，還應(yīng)考慮設(shè)備體積及空氣阻力等影響因素，當(dāng)芯體過大時，空氣阻力、風(fēng)機(jī)的能耗和噪聲也會明顯加大。

（5）關(guān)于工作空氣在芯體內(nèi)的流動速度大小問題

工作空氣在芯體內(nèi)的流動速度對冷卻器外表面熱質(zhì)交換系數(shù)有重大影響。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，選取合適的迎風(fēng)斷面流速可保證機(jī)組效率：當(dāng)工作空氣流速過小，設(shè)備體積變大且造價成本高；當(dāng)工作空氣流速過大，換熱器效率低且阻力加大。若想其熱質(zhì)交換效率最佳，流速一般為4.0～6.0m/s。

（6）關(guān)于布水器噴嘴類型的影響

不同噴嘴的霧化程度不同，致其淋水密度不同，對芯體表面水膜的形成有著直接影響，從而影響其換熱器的換熱效率。因此，應(yīng)設(shè)計選擇合理的布水器或采用新型布水方式，如高壓微霧式布水器。

3.2 送排風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化

（1）在不同地區(qū)，機(jī)組的進(jìn)風(fēng)段采用不同的過濾網(wǎng)，防止空氣中的顆粒物對機(jī)組內(nèi)部損害，同時也可以減少壓入式風(fēng)機(jī)的送壓阻力，確保各個功能段的穩(wěn)定。

（2）設(shè)計合理的送、排風(fēng)系統(tǒng)，嚴(yán)格計算風(fēng)管的壓力和壓降，盡量使每個風(fēng)口的送風(fēng)量和風(fēng)速基本保持一致，保證室內(nèi)氣流組織均勻和壓力均衡，且正確布置排風(fēng)口，加大排風(fēng)量，使室內(nèi)的溫濕度達(dá)到要求。

4 結(jié)論

（1）在高濕度地區(qū)福州某廠房的試驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，機(jī)組運(yùn)行良好，具有較好的降溫效果。晴天平均溫降達(dá)7℃，在陰雨天也有4℃溫降，機(jī)組效率可達(dá)110%，最高達(dá)120%?？諝夂瑵窳?1g/kg，機(jī)組平均加濕量僅1g/kg，滿足室內(nèi)環(huán)境需要。此外，對不同排風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)量對比測試，得出其比值在0.5左右時機(jī)組冷卻效率最佳。

（2）在中等濕度地區(qū)陜西楊凌、興平某廠房測試發(fā)現(xiàn)：①機(jī)組全面開啟時，該機(jī)組降溫在7～11℃，濕球效率在110%左右，最高可達(dá)120%。機(jī)組關(guān)閉直接蒸發(fā)冷卻段時，溫降在8℃左右。②在楊凌測試處于極端高溫天氣，室外平均溫度逼近45℃，相對濕度40%，機(jī)組出風(fēng)含濕量平均增加5.5g/kg，濕度較大。而在興平測試時，室外平均溫度32℃，相對濕度53%，出風(fēng)含濕量平均增加僅0.8g/kg。

（3）在干燥地區(qū)敦煌某機(jī)場測試發(fā)現(xiàn)：室外平均溫度33℃，相對濕度29%時，機(jī)組降溫顯著，機(jī)組平均溫降11.43℃、平均濕球效率110%，與陜西地區(qū)一樣，含濕量增加為2.1g/kg，敦煌地區(qū)整體平均含濕量僅為6g/kg，因此露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在干燥地區(qū)應(yīng)用效果更加明顯。在陜西半干旱地區(qū)，降溫效果良好，但對工業(yè)生產(chǎn)場所有嚴(yán)格的濕度要求時，需控制濕度。有關(guān)研究表明，當(dāng)單獨(dú)使用蒸發(fā)冷卻無法滿足要求時，可輔助機(jī)械制冷，蒸發(fā)冷卻全年節(jié)能約達(dá)到40%～80%[10]。

（4）露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)商業(yè)化產(chǎn)品主要為產(chǎn)出介質(zhì)為冷風(fēng)的空調(diào)機(jī)組或者新風(fēng)機(jī)組。其冷卻效率高，降溫幅度大。在測試條件下濕球效率和露點(diǎn)效率可以達(dá)到預(yù)期要求，在實(shí)際應(yīng)用時，通過不斷優(yōu)化改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果。

（5）通過機(jī)組本身和送排風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)的相關(guān)措施，提出露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的優(yōu)化方案，相比傳統(tǒng)機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)，露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的送風(fēng)濕度還是較大，因此必須設(shè)計合理的送排風(fēng)系統(tǒng)。若采取這些改進(jìn)措施對該類機(jī)組和系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，則能夠更好的將機(jī)組進(jìn)行進(jìn)一步推廣和使用。

[1] 黃翔.蒸發(fā)冷卻空調(diào)原理與設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2019:9-10.

[2] 褚俊杰.聚合物-多孔陶瓷復(fù)合膜露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].西安:西安工程大學(xué),2018.

[3] 劉佳莉,黃翔,韓正林,等.干燥工況下新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械, 2015,43(3):52-57.

[4] 劉佳莉,黃翔,孫哲,等.新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械,2014,42(5):61-66.

[5] 張鴻.露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器傳熱效能關(guān)鍵影響因素的研究[D].西安:西安工程大學(xué),2019.

[6] 王文博.露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在干燥地區(qū)的優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用研究[D].西安:西安工程大學(xué),2018.

[7] 杜生生.蒸發(fā)冷卻在西北干燥地區(qū)機(jī)場的應(yīng)用研究[D].西安:西安工程大學(xué),2018.

[8] 劉佳莉.新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在住宅建筑的應(yīng)用研究[D].西安:西安工程大學(xué),2015.

[9] 黃凱新,黃翔,嚴(yán)政,等.復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在敦煌機(jī)場某食堂的應(yīng)用[J].制冷與空調(diào),2019, 19(3):52-56.

[10] 楊立然,黃翔,賈曼,等.蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷協(xié)同耦合空調(diào)機(jī)組探討[J].制冷與空調(diào),2018,32(1):7-13.

Research and Development of Compound Dew Point Indirect Evaporative Cooling Air Conditioning Unit Optimal Design

Qu Yueying Huang Xiang Zhao Juan Yang Liran

( Xi'an Polytechnic University, Xi’an, 710048 )

With the development of dew point evaporative cooling air conditioning technology, the application range of dew point indirect evaporative cooling air conditioning unit is expanded. Especially in some dry areas of Gansu, Shaanxi and other places in China. This paper introduces the engineering examples of the application of compound dew point indirect evaporative cooling air conditioning unit in different areas of China. Through the test and comparison of the unit during operation, it summarizes the existing problems of the current dew point indirect evaporative cooling air conditioning unit, and puts forward the optimization scheme, in order to provide value reference for the later application.

combined dew point; evaporative cooling; test; optimal design

TU831.5

A

1671-6612（2020）05-517-07

“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目（編號：2016YFC0700404）；西安市科技計劃項(xiàng)目（2020KJRC0023）；西安工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助（編號：chx2020039）

屈悅瀅（1995.01-），女，在讀碩士研究生，E-mail：530037889@qq.com

黃 翔（1962.07-），男，教授，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2019-11-08