宋祥龍 黃 翔

（1.西安航空學(xué)院，陜西西安，710077；2.西安工程大學(xué)，陜西西安，710048）

間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用干空氣能對(duì)空氣進(jìn)行降溫，綠色低碳，已在工業(yè)及民用建筑中得到廣泛應(yīng)用，其中在紡織廠空調(diào)中也得到了一定程度的應(yīng)用［1］。間接蒸發(fā)冷卻器存在一次空氣（被冷卻空氣）與二次空氣（輔助空氣）兩種空氣，由于兩種空氣的來(lái)源不同，因此存在多種應(yīng)用形式，在紡織廠應(yīng)用中也出現(xiàn)因應(yīng)用形式不合理導(dǎo)致的節(jié)能效果不佳的問(wèn)題。本研究以西安地區(qū)為例，理論分析間接蒸發(fā)冷卻器在細(xì)紗車間空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用形式，并計(jì)算對(duì)比各種形式的節(jié)能效果。

1 細(xì)紗車間空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式及運(yùn)行時(shí)間分析

1.1 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式分析

根據(jù)工藝要求，細(xì)紗車間夏季室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)干球溫度為（31±1）℃、設(shè)計(jì)相對(duì)濕度為（57±2）%，車間空氣允許波動(dòng)區(qū)在焓濕圖上為近似平行四邊形，如圖1 所示。細(xì)紗車間回風(fēng)分為車肚回風(fēng)和工藝回風(fēng)，實(shí)際應(yīng)用中常采用車肚回風(fēng)與工藝回風(fēng)在回風(fēng)室內(nèi)混合。由于工藝回風(fēng)流經(jīng)細(xì)紗機(jī)電機(jī)后溫度升高，因此混合回風(fēng)溫度較高，約比車間內(nèi)設(shè)計(jì)溫度高3 ℃，狀態(tài)點(diǎn)見圖1 中N回。若采用工藝回風(fēng)單獨(dú)回風(fēng)，則工藝回風(fēng)約比車間溫度高7 ℃。細(xì)紗車間為高顯熱車間，且自動(dòng)化程度高，人員較少，因此車間內(nèi)熱濕負(fù)荷比趨于無(wú)窮大，焓濕圖上熱濕比線ε 近似垂直，空調(diào)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為O，各狀態(tài)點(diǎn)的空氣參數(shù)見表1。

圖1 細(xì)紗車間空氣溫濕度允許波動(dòng)圖

表1 各狀態(tài)點(diǎn)空氣參數(shù)

隨著室外空氣濕球溫度的變化，細(xì)紗車間空調(diào)系統(tǒng)采用不同的運(yùn)行模式，現(xiàn)歸納分析如下［2?3］。

（1）空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式1：過(guò)渡季節(jié)，當(dāng)室外空氣濕球溫度小于O點(diǎn)濕球溫度時(shí)，即tWS≤tOS，采用回風(fēng)混合適當(dāng)比例的新風(fēng)，等焓加濕，如圖2所示。

（2）空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式2：當(dāng)室外空氣濕球溫度大于O點(diǎn)濕球溫度，且小于N回點(diǎn)濕球溫度時(shí)，即tOS＜tWS＜tN回S時(shí)，采用全 新風(fēng)運(yùn)行，開啟機(jī)械制冷，減焓加濕或降溫除濕，如圖3 和圖4 所示。

（3）空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式3：當(dāng)室外空氣濕球溫度大于N回點(diǎn)濕球溫度，即tWS≥tN回S時(shí)，采用最小新風(fēng)量，開啟機(jī)械制冷，降溫除濕，如圖5 所示。

圖2 等焓加濕空氣處理焓濕圖（混風(fēng)）

圖3 減焓加濕空氣處理焓濕圖（全新風(fēng)）

圖4 降溫除濕空氣處理焓濕圖（全新風(fēng)）

圖5 夏季降溫除濕空氣處理焓濕圖（最小新風(fēng)量）

1.2 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行小時(shí)數(shù)分析

以西安地區(qū)為例，依據(jù)《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中西安市5 月至10 月期間共4 416 h 的逐時(shí)室外氣象參數(shù)，統(tǒng)計(jì)3 種空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式的小時(shí)數(shù)，如表2 所示。其中，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)采用運(yùn)行模式1 時(shí)，即當(dāng)tWS≤tOS時(shí)，根據(jù)室外空氣濕球溫度的不同，為保證室內(nèi)空氣參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)采取不同的新風(fēng)比，混風(fēng)后等焓加濕。根據(jù)空氣混合規(guī)律，新風(fēng)量與總風(fēng)量之比即為 新 風(fēng) 比 ，即qw/qm=(tN回S-tOS)/(tN回S-tWS)，式中tN回S取 24.9 ℃，tOS取 21.8℃，均為已知，則由公式即可計(jì)算出運(yùn)行模式1 中，不同的室外空氣濕球溫度范圍，所應(yīng)采用的新回風(fēng)比例，詳見表2。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，西安地區(qū)細(xì)紗車間每年機(jī)械制冷運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約 857 h（約 36 d）。

表2 空調(diào)系統(tǒng)不同運(yùn)行模式全年小時(shí)數(shù)

2 間接蒸發(fā)冷卻器應(yīng)用形式分析

2.1 間接蒸發(fā)冷卻器

通過(guò)間接蒸發(fā)冷卻器，被處理空氣與循環(huán)水不直接接觸，可實(shí)現(xiàn)等濕降溫。間接蒸發(fā)冷卻器有兩個(gè)通道，第一通道通過(guò)需要預(yù)冷的空氣（一次空氣），第二通道通過(guò)輔助空氣（二次空氣）并噴淋循環(huán)水。在第二通道中，二次空氣與循環(huán)水發(fā)生熱質(zhì)交換，水蒸發(fā)吸熱降溫，并與第一通道內(nèi)一次空氣進(jìn)行間接換熱，一次空氣被等濕冷卻，降溫極限為二次空氣的濕球溫度。間接蒸發(fā)冷卻預(yù)冷效率計(jì)算公式為：

式中，t1表示一次空氣干球溫度（預(yù)冷前），℃；t2表示一次空氣干球溫度（預(yù)冷后），℃；tS表示二次空氣濕球溫度，℃。

由于換熱器材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及使用場(chǎng)所的差異，間接蒸發(fā)冷卻器效率不盡相同，一般均可保持在50%～70%。目前常用的間接蒸發(fā)冷卻器主要有臥管式、立管式、板翅式等形式。立管式間接蒸發(fā)冷卻器由于采用管內(nèi)布水，具有自動(dòng)沖刷作用；管外間距大，利于清掃，防堵性能好，適合于紡織廠、煤礦等含塵濃度大的場(chǎng)所，如圖6 所示。

圖6 立管式間接蒸發(fā)冷卻器

2.2 間接蒸發(fā)冷卻器應(yīng)用形式分析

細(xì)紗車間空調(diào)系統(tǒng)中，根據(jù)間接蒸發(fā)冷卻器一次空氣與二次空氣性質(zhì)的不同，其有5 種應(yīng)用形式［4?5］：預(yù)冷混合回風(fēng)，新風(fēng)作為二次空氣；預(yù)冷混合回風(fēng)，排風(fēng)作為二次空氣；預(yù)冷新風(fēng)，新風(fēng)作為二次空氣；預(yù)冷新風(fēng)，排風(fēng)作為二次空氣；預(yù)冷工藝排風(fēng)，新風(fēng)作為二次空氣。下面以總送風(fēng)量10 萬(wàn)m3/h 的西安地區(qū)某廠細(xì)紗車間為例，分析計(jì)算并對(duì)比每種應(yīng)用形式節(jié)約機(jī)械制冷負(fù)荷的效果。

因西安屬中等濕度地區(qū)，計(jì)算中間接蒸發(fā)冷卻效率取60%，二次/一次風(fēng)量比取0.8。計(jì)算方法為根據(jù)間接蒸發(fā)冷卻效率計(jì)算公式，帶入新風(fēng)或回風(fēng)逐時(shí)溫度參數(shù)，得出逐時(shí)預(yù)冷溫降，進(jìn)而根據(jù)預(yù)冷風(fēng)量得出逐時(shí)預(yù)冷量，求和得到節(jié)約機(jī)械制冷的總制冷量，最后根據(jù)能效比，得出節(jié)約機(jī)械制冷的電功率。

（1）應(yīng)用形式1：預(yù)冷混合回風(fēng)，新風(fēng)作為二次空氣。該應(yīng)用形式，間接蒸發(fā)冷卻器僅在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式3，即采用最小新風(fēng)量，開啟機(jī)械制冷降溫除濕中發(fā)揮對(duì)回風(fēng)的預(yù)冷作用，降低機(jī)械制冷負(fù)荷。回風(fēng)量取8 萬(wàn)m3/h，預(yù)冷總時(shí)長(zhǎng)共114 h?？諝馓幚盱蕽駡D如圖7 所示，混合回風(fēng)N回經(jīng)間接蒸發(fā)冷卻器預(yù)冷至N回2，再與室外新風(fēng)混合后，降溫除濕至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O。

圖7 應(yīng)用形式1 空氣處理焓濕圖

根據(jù)間接蒸發(fā)冷卻預(yù)冷效率計(jì)算公式，得回風(fēng)預(yù)冷溫降Δt為：

式中t1為回風(fēng)溫度34 ℃，tS為新風(fēng)濕球溫度，代入西安地區(qū)室外空氣逐時(shí)濕球溫度［6］，即可得到間接蒸發(fā)冷卻器對(duì)回風(fēng)的逐時(shí)溫降Δt，進(jìn)而根據(jù)Q=C×m×Δt得出逐時(shí)降低機(jī)械制冷的制冷量Q，最后對(duì)逐時(shí)值求和，按COP=Q/W=4計(jì)算出節(jié)約機(jī)械制冷電功率。經(jīng)計(jì)算得出，采用應(yīng)用形式1 時(shí)，每10 萬(wàn)m3/h 總送風(fēng)量，間接蒸發(fā)冷卻器預(yù)冷作用可節(jié)約機(jī)械制冷電耗3 878 kW·h。

（2）應(yīng)用形式2：預(yù)冷混合回風(fēng)，排風(fēng)作為二次空氣。該應(yīng)用形式同樣僅在模式3 中發(fā)揮預(yù)冷作用，預(yù)冷總時(shí)長(zhǎng)114 h，空氣處理焓濕圖同圖7。為保證間接蒸發(fā)冷卻器預(yù)冷效果，二次/一次風(fēng)量比取 0.8，則 10 萬(wàn) m3/h 總風(fēng)量中，5.5 萬(wàn) m3/h 預(yù)冷后回用，4.5 萬(wàn)m3/h 作為二次空氣并最終排出。計(jì)算過(guò)程同上，t1為回風(fēng)溫度34 ℃，tS為回風(fēng)濕球溫度24.9 ℃。最終得出采用應(yīng)用形式2 時(shí)，每10萬(wàn)m3/h 總送風(fēng)量，間接蒸發(fā)冷卻器預(yù)冷作用可節(jié)約機(jī)械制冷電耗2 876.2 kW·h。

（3）應(yīng)用形式3：預(yù)冷新風(fēng)，新風(fēng)作為二次空氣。該應(yīng)用形式可在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式2 及模式3 中發(fā)揮預(yù)冷作用，降低機(jī)械制冷負(fù)荷，預(yù)冷總時(shí)長(zhǎng)為857 h。其中模式2 采用全新風(fēng)、預(yù)冷時(shí)長(zhǎng)743 h，預(yù)冷新風(fēng)量為 10 萬(wàn) m3/h；模式 3 采用最小新風(fēng)量，預(yù)冷時(shí)長(zhǎng)114 h，預(yù)冷新風(fēng)量為2 萬(wàn)m3/h，空氣處理焓濕圖分別如圖8 和圖9 所示。

圖8 應(yīng)用形式3 空氣處理焓濕圖（全新風(fēng)減焓加濕）

圖9 應(yīng)用形式3 空氣處理焓濕圖（最小新風(fēng)量降溫除濕）

計(jì)算過(guò)程相同，t1為新風(fēng)逐時(shí)干球溫度，tS為新風(fēng)逐時(shí)濕球溫度。代入西安地區(qū)新風(fēng)逐時(shí)參數(shù)計(jì)算逐時(shí)溫降，計(jì)算逐時(shí)制冷量。并最終計(jì)算得出在采用應(yīng)用形式3 時(shí)，每10 萬(wàn)m3/h 總送風(fēng)量，間接蒸發(fā)冷卻器預(yù)冷作用可節(jié)約機(jī)械制冷電耗20 731 kW·h。

（4）應(yīng)用形式4：預(yù)冷新風(fēng)、排風(fēng)作為二次空氣該應(yīng)用形式可在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式3 及模式2中，發(fā)揮預(yù)冷作用，降低機(jī)械制冷負(fù)荷，空氣處理焓濕圖同圖8 和圖9，預(yù)冷總時(shí)長(zhǎng)為857 h。t1為新風(fēng)逐時(shí)干球溫度、tS為排風(fēng)濕球溫度24.9 ℃。通過(guò)計(jì)算，在采用應(yīng)用形式4 時(shí)，每10 萬(wàn)m3/h 總送風(fēng)量，間接蒸發(fā)冷卻器預(yù)冷作用可節(jié)約機(jī)械制冷電耗14 725 kW·h。

（5）應(yīng)用形式5：預(yù)冷工藝回風(fēng)，新風(fēng)作為二次空氣。該應(yīng)用形式可在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式3 中發(fā)揮預(yù)冷作用。10 萬(wàn)m3/h 的總送風(fēng)量，工藝回風(fēng)量取5 萬(wàn)m3/h。t1為工藝回風(fēng)干球溫度，約比室內(nèi)溫度高7 ℃，為38 ℃，tS為新風(fēng)逐時(shí)濕球溫度。計(jì)算過(guò)程相同，最終得到在采用應(yīng)用形式5 時(shí)，每10 萬(wàn)m3/h 總送風(fēng)量，間接蒸發(fā)冷卻器預(yù)冷作用可節(jié)約機(jī)械制冷電耗3 572 kW·h。

另一方面，間接蒸發(fā)冷卻也包含動(dòng)力設(shè)備，主要包括二次風(fēng)機(jī)及循環(huán)水泵。除去動(dòng)力設(shè)備功率投入，即可得各種預(yù)冷應(yīng)用形式下，間接蒸發(fā)冷卻器凈節(jié)約機(jī)械制冷電耗，最終對(duì)比如表3 所示。

表3 間接蒸發(fā)冷卻不同應(yīng)用形式的節(jié)能效果對(duì)比（每10 萬(wàn)m3/h 送風(fēng)量）

經(jīng)對(duì)比，在西安地區(qū)紡織細(xì)紗車間中，間接蒸發(fā)冷卻器采用應(yīng)用形式3，即預(yù)冷新風(fēng)、新風(fēng)作為二次空氣時(shí)，其預(yù)冷效果最好，每10 萬(wàn)m3/h 送風(fēng)量，每年可凈節(jié)約電耗9 590 kW·h。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以西安地區(qū)為例，對(duì)不同室外氣象參數(shù)條件下，細(xì)紗車間空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式及運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行了分析，并統(tǒng)計(jì)出每年機(jī)械制冷運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約857 h（約36 d）。在機(jī)械制冷開啟季節(jié)，分析并計(jì)算了間接蒸發(fā)冷卻器在不同應(yīng)用形式下的預(yù)冷節(jié)能效果，經(jīng)對(duì)比，當(dāng)預(yù)冷新風(fēng)、新風(fēng)作為二次空氣時(shí)，間接蒸發(fā)冷卻預(yù)冷效果最好，每10 萬(wàn)m3/h送風(fēng)量，每年可凈節(jié)約電耗9 590 kW·h。本研究?jī)H以《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中西安氣象參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行理論分析，實(shí)際效果會(huì)因不同的工程情況而不盡相同，需要更進(jìn)一步的實(shí)際工程驗(yàn)證與探討。