水蒸發(fā)相變冷卻技術(shù)特性及節(jié)能性研究

水蒸發(fā)相變冷卻技術(shù)特性及節(jié)能性研究§1水的相變及相圖概述1.水蒸氣是熱力工程中最為常見(jiàn)的工質(zhì)在18世紀(jì)發(fā)明的蒸氣機(jī)，水蒸氣是唯一的工質(zhì)，直到內(nèi)燃機(jī)發(fā)明，才有了燃?xì)夤べ|(zhì)。盡管在各種熱力設(shè)備或系統(tǒng)中，已采用了其他物質(zhì)作為工質(zhì)，如空氣、各種制冷劑、燃?xì)獾鹊?，但水蒸氣目前仍是暖通、火力發(fā)電、核電、化工等行業(yè)熱力設(shè)備或系統(tǒng)中最為普遍采用的工質(zhì)。作為工質(zhì)，水蒸氣具備：來(lái)源豐富，耗資少，無(wú)毒無(wú)味，比熱容大，傳熱好，良好的膨脹和載熱性能等優(yōu)點(diǎn)。2.水蒸氣是實(shí)際氣體水蒸氣在工程應(yīng)用中，一般處于離液態(tài)不遠(yuǎn)的狀態(tài)，是一種實(shí)際氣體。只有在空氣中，由于其含量極小，可視作理想氣體處理。在熱力設(shè)備或系統(tǒng)工作過(guò)程中，涉及到物質(zhì)的聚集態(tài)主要是液態(tài)和氣態(tài)。那么，對(duì)于非理想氣體的性質(zhì)及其熱力過(guò)程如何分析呢？本章將以水蒸汽為例，說(shuō)明實(shí)際氣體熱力性質(zhì)的基本特點(diǎn)和確定方法、參數(shù)計(jì)算以及基本熱力過(guò)程分析的基本方法。重點(diǎn)內(nèi)容：了解實(shí)際氣體熱力性質(zhì)的基本特點(diǎn)，與理想氣體的區(qū)別所在。

一、純物質(zhì)聚集態(tài)的變化純物質(zhì)通常以三種聚集態(tài)固相、液相及氣相狀態(tài)存在。1.純物質(zhì)聚集態(tài)的變化融解與凝固→固態(tài)與液態(tài)；汽化與凝結(jié)→液態(tài)與氣態(tài)；升華與凝華→固態(tài)與氣態(tài)。2.聚集態(tài)變化的影響因素純物質(zhì)種類、壓力、溫度二、純物質(zhì)的p-t相圖1.p-t相圖指在p-t圖上，純物質(zhì)在發(fā)生聚集態(tài)變化時(shí)壓力及溫度的變化規(guī)律。如圖1所示。注意：(1)三相點(diǎn)是三條相平衡曲線的交點(diǎn)。(2)臨界點(diǎn)以上區(qū)域（虛線以上區(qū)域，即溫度及壓力均高于臨界點(diǎn)溫度及壓力）為氣液相不分或共存區(qū)域，只體現(xiàn)流體的特性。(3)多數(shù)物質(zhì)壓力增大將使凝固點(diǎn)溫度增加。但對(duì)于水等少數(shù)物質(zhì)，壓力的增大將使其凝固點(diǎn)溫度降低。圖1純物質(zhì)的p-t相圖2.幾個(gè)基本概念

(1)三相點(diǎn)與臨界點(diǎn)（每種純物質(zhì)的三相點(diǎn)與臨界點(diǎn)的壓力和溫度都是唯一確定的。）臨界狀態(tài)(臨界點(diǎn))：臨界點(diǎn)（狀態(tài)）是氣-液共存的狀態(tài)，而且氣、液的狀態(tài)參數(shù)值相同，例如具有相同的比容、密度等等?！魏渭兾镔|(zhì)都有自己唯一確定的臨界狀態(tài)，而且臨界參數(shù)是唯一確定的，分別為臨界溫度Tc、臨界壓力pc和臨界比容vc，是實(shí)際氣體性質(zhì)的重要參數(shù)?！趐≥pc下，定壓加熱過(guò)程不存在汽化段，水由未飽和態(tài)直接變化為過(guò)熱態(tài)。▲當(dāng)t>tc時(shí)，無(wú)論壓力多高都不可能使氣體液化?！谂R界狀態(tài)下，可能存在超流動(dòng)特性?！谂R界狀態(tài)附近，水及水蒸氣有大比熱容特性。三相點(diǎn)：在一定的溫度和壓力下，氣相、液相和固相三相共存而處于平衡的狀態(tài)，稱為三相點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的溫度和壓力稱為三相點(diǎn)溫度和壓力。▲三相點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)氣相和液相轉(zhuǎn)變的最低點(diǎn)▲三相點(diǎn)是出現(xiàn)固相物質(zhì)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀辔镔|(zhì)的升華現(xiàn)象的起始點(diǎn)。▲對(duì)于每種物質(zhì)，其三相點(diǎn)的溫度及壓力都有確定的數(shù)值，是實(shí)際氣體性質(zhì)的重要參數(shù)之一。(2)相平衡曲線：包括融解線（或與凝固線）；汽化線（或凝結(jié)線）；升華線（或凝華線）。(3)單相區(qū)：固相區(qū)、液相區(qū)及氣相區(qū)。3.水的臨界點(diǎn)水臨界點(diǎn)：pc=22.129MPa，tc=374.15℃。4.水的三相點(diǎn)水三相點(diǎn)：pA=611.2Pa，tA=0.01℃。部分純物質(zhì)的三相點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表1?？梢钥闯龀爻合聻闅鈶B(tài)物質(zhì)的三相點(diǎn)溫度極低，而固態(tài)物質(zhì)的三相點(diǎn)溫度較高。部分純物質(zhì)的三相點(diǎn)參數(shù)mercury—汞，水銀。zinc—鋅(Zn)。三、汽化與凝結(jié)的微觀解釋1.汽化與凝結(jié)汽化是由液態(tài)變成氣態(tài)的物理過(guò)程，其中工質(zhì)需要吸收熱量。而凝結(jié)則是由氣態(tài)變成液態(tài)的物理過(guò)程，在此過(guò)程中工質(zhì)需要放出熱量。液體汽化有兩種形式：蒸發(fā)和沸騰。蒸發(fā)是在液體表面進(jìn)行的汽化現(xiàn)象。由于液體分子處于無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，每個(gè)分子的動(dòng)能大小不等，在液體表面總會(huì)有一些動(dòng)能大的分子克服鄰近分子的引力而逸出液面，形成蒸氣，這就是蒸發(fā)。蒸發(fā)可以在任何溫度下進(jìn)行，但溫度愈高，能量較大的分子愈多，蒸發(fā)愈強(qiáng)烈。與蒸發(fā)不同，在給定的壓力下，沸騰是在某一特定溫度（飽和溫度）下發(fā)生、在液體內(nèi)部和表面同時(shí)進(jìn)行并且伴隨著大量汽泡產(chǎn)生的劇烈的汽化現(xiàn)象。液體沸騰時(shí)，盡管對(duì)其繼續(xù)加熱，但液體的溫度保持不變。凝結(jié)是汽化相反的過(guò)程，同沸騰現(xiàn)象相同只能在某一特定溫度（飽和溫度）下發(fā)生。2.微觀解釋

(1)密閉容器中的汽化與凝結(jié)當(dāng)液體在有限的密閉空間內(nèi)汽化時(shí)，則不僅有分子逸出液體表面而進(jìn)入蒸氣空間，而且也會(huì)有分子從蒸氣空間落到液體表面，回到液體中。開(kāi)始時(shí)，單位時(shí)間從液面逸出的分子多于返回液面的分子，蒸氣空間中的分子數(shù)不斷增加。但當(dāng)蒸氣空間中蒸氣的密度達(dá)到一定程度時(shí)，在同一時(shí)間內(nèi)逸出液面的分子就會(huì)與回到液面的分子數(shù)目相等，則氣、液兩相達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。見(jiàn)圖2。

圖2密閉容器中物質(zhì)汽化與凝結(jié)的微觀機(jī)理(2)具有自由液面的汽化

無(wú)論蒸發(fā)還是沸騰，如果液面上方是和大氣相連的自由空間，那么一般情況下汽化過(guò)程可以一直進(jìn)行到液體全部變?yōu)檎魵鉃橹埂?3)飽和狀態(tài)上述液面上蒸氣空間中的蒸氣和液體兩相達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。使未飽和液體達(dá)到飽和狀態(tài)的途徑：3.飽和蒸氣壓曲線飽和溫度與飽和壓力存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，據(jù)兩者的函數(shù)關(guān)系ps＝f(ts),繪出的曲線稱為飽和蒸汽壓曲線，如圖3所示。對(duì)于水飽和蒸汽壓函數(shù)關(guān)系為：，其中壓力ps的單位為MPa。四、H2O的“五態(tài)”水蒸氣的“五態(tài)”包括：未飽和水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽五種狀態(tài)圖3部分物質(zhì)的飽和蒸氣壓曲線狀態(tài)▲未飽和液體（Unsaturated-liquid）：t<ts(ps)，過(guò)冷度ts-t描述了遠(yuǎn)離飽和狀態(tài)的程度?！柡鸵后w(Saturated-liquid)、飽和濕蒸汽(Saturated

Wet-vapor)、飽和蒸汽(Saturated-Vapor)：均為飽和狀態(tài)。其中的汽相稱為飽和蒸汽，液相稱為飽和液體，汽液共存則為飽和濕蒸汽?！^(guò)熱蒸汽（Supersaturated-vapor）：t>ts(ps)，過(guò)熱度t-ts描述了遠(yuǎn)離飽和狀態(tài)的程度。五、H2O的p-v-t熱力學(xué)面以壓力p、溫度T及比容v的三維坐標(biāo)系表示水的各種狀態(tài)的曲面，稱為p-v-T熱力學(xué)面，如圖4所示。圖4

H2O的p-v-t熱力學(xué)面前述的純物質(zhì)的p-t相圖實(shí)際上是p-v-t熱力學(xué)面在p-t坐標(biāo)面上的投影，而p-v相圖則是p-v-t熱力學(xué)面在p-v坐標(biāo)面上的投影，見(jiàn)圖5圖5p-v-t熱力學(xué)面與p-t相圖間的關(guān)系應(yīng)該注意p-v-t熱力學(xué)面包括：一個(gè)點(diǎn)：臨界點(diǎn)；四個(gè)線：三個(gè)飽和線和一個(gè)三相線；六個(gè)區(qū)：三個(gè)單相區(qū)和三個(gè)兩相區(qū)?！?蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用探討隨著電子信息行業(yè)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的發(fā)展也進(jìn)入到一個(gè)新的階段。根據(jù)工業(yè)和信息化部聯(lián)合國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)土資源部、國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)、國(guó)家能源局發(fā)布的《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見(jiàn)》，數(shù)據(jù)中心將會(huì)朝著超大型和資源節(jié)約型的方向發(fā)展。數(shù)據(jù)中心中空調(diào)系統(tǒng)能耗是影響數(shù)據(jù)中心能耗的重要因素，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)直接影響數(shù)據(jù)中心的PUE值（數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)）。據(jù)悉，我國(guó)數(shù)據(jù)中心的能耗中約有40%用于空調(diào)系統(tǒng)，在合適的氣候條件下，利用自然冷源替代人工冷源可以大大降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能耗。蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一種利用干空氣制取冷風(fēng)或冷水的技術(shù)，可以根據(jù)末端的需要提供冷風(fēng)或者冷水，為數(shù)據(jù)中心供冷。由于不需要使用傳統(tǒng)的壓縮機(jī)，所以其能耗較低，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在全年需要提供冷量的數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)中，并配合人工冷源使用，節(jié)能潛力巨大；1蒸發(fā)冷卻空調(diào)在我國(guó)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一項(xiàng)利用水蒸發(fā)吸熱制冷的技術(shù)。蒸發(fā)冷卻技術(shù)分為直接蒸發(fā)冷卻（DEC）空調(diào)技術(shù)和間接蒸發(fā)冷卻（IEC）技術(shù)。蒸發(fā)冷卻空調(diào)具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和可提高室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)GB50189-2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第5.3.24條規(guī)定：在滿足使用要求的前提下，對(duì)于夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算濕球溫度較低、溫度的日較差大的地區(qū)，空氣的冷卻過(guò)程，宜采用直接蒸發(fā)冷卻、間接蒸發(fā)冷卻或直接蒸發(fā)冷卻與間接蒸發(fā)冷卻相結(jié)合的二級(jí)或三級(jí)冷卻方式?，F(xiàn)有的工業(yè)建筑工程中，蒸發(fā)冷卻技術(shù)產(chǎn)生的冷風(fēng)或者冷水不僅改善了人員的工作環(huán)境，而且可通過(guò)改進(jìn)工藝流程可滿足其他需求。蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以根據(jù)使用的環(huán)境和用戶的需求靈活改變出風(fēng)溫度和出水溫度，可以采用直接蒸發(fā)冷間接蒸發(fā)冷卻、間接-直接兩級(jí)蒸發(fā)冷卻或間接-直接多級(jí)蒸發(fā)冷卻等設(shè)備形式。1.1直接蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用（1）直接蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的氣候分區(qū)

直接蒸發(fā)冷卻（IEC）空調(diào)技術(shù)的核心元件是填料，水泵將蓄水池中的水提升至填料的頂部，通過(guò)布水器均勻地將水布置在填料上。在風(fēng)機(jī)的作用下，空氣與水在填料中充分接觸，空氣被等焓冷卻，填料上多余的水最終回到位于填料底部的蓄水池中。填料也會(huì)起到一定的過(guò)濾作用，并在一定程度上可以過(guò)濾對(duì)電子設(shè)備有害的SO2氣體。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力（101325Pa）下繪制焓濕圖，以固定的室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N（干球溫度tdb=30℃，相對(duì)濕度φ=30%，露點(diǎn)溫度tdp=10℃）和送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O（干球溫度tdb=20℃，相對(duì)濕度φ=53%，露點(diǎn)溫度tdp=10℃）為例，分成了5個(gè)區(qū)域，如圖6所示，蒸發(fā)式冷氣機(jī)在不同區(qū)域以不同的模式運(yùn)行。區(qū)域Ⅰ：室外空氣干球溫度和含濕量都低于送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)（室外空氣干球溫度≤20℃，露點(diǎn)溫度≤10℃）。由于數(shù)據(jù)機(jī)房既需要冷卻又需要加濕。此范圍內(nèi)的室外空氣和室內(nèi)回風(fēng)混合，引入新風(fēng)量從最小值變化到100%，通過(guò)蒸發(fā)式冷氣機(jī)冷卻加濕，提供了送風(fēng)溫度和濕度都合適的工況。

b.區(qū)域Ⅱ：室外空氣的焓值低于送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的焓值，且室外空氣干球溫度高于送風(fēng)狀態(tài)（干球溫度＞20℃），含濕量低于室內(nèi)回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的含濕量（露點(diǎn)溫度≤10℃）。此時(shí)，室外空氣通過(guò)蒸發(fā)式冷氣機(jī)加濕冷卻即可滿足要求。值得注意的是，圖中的區(qū)域Ⅱ，在沒(méi)有蒸發(fā)式冷氣機(jī)的情況下，直接引入室外新風(fēng)并不適合，需要機(jī)械制冷和加濕。

c.區(qū)域Ⅲ：室外空氣的焓值介于送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)和室內(nèi)回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)之間（室外空氣的濕球溫度介于14.1℃和17.5℃之間），且含濕量低于室內(nèi)回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的含濕量（露點(diǎn)溫度≤10℃）。在此范圍內(nèi)，如果室外空氣的溫度低于室內(nèi)溫度，蒸發(fā)式冷氣機(jī)不噴淋水，直接通入室外新風(fēng)，有助于減少對(duì)機(jī)械制冷的需求。

d.區(qū)域ⅢA：室外空氣的焓值低于室內(nèi)回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)（濕球溫度≤17.5℃），且含濕量高于于室內(nèi)回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的含濕量（露點(diǎn)溫度＞10℃）。此范圍內(nèi)使用蒸發(fā)式冷氣機(jī)需要更仔細(xì)的分析。此區(qū)域內(nèi)的室外空氣焓值小于室內(nèi)回風(fēng)焓值，蒸發(fā)式冷氣機(jī)直接引入室外新風(fēng)不但不噴淋水，還需要除濕，此時(shí)機(jī)房專用空調(diào)用于除濕的能耗費(fèi)用可能會(huì)超過(guò)單獨(dú)運(yùn)行機(jī)房專用空調(diào)所需要的費(fèi)用，使用蒸發(fā)式冷氣機(jī)與機(jī)房專用空調(diào)聯(lián)動(dòng)控制方案的COP可能低于單獨(dú)使用機(jī)房專用空調(diào)的COP（用機(jī)械制冷可獲得顯熱冷卻過(guò)程）。

e.區(qū)域Ⅳ：室外空氣焓值高于室內(nèi)回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)（濕球溫度＞17.5℃）。此范圍內(nèi)，室外空氣調(diào)節(jié)風(fēng)閥應(yīng)設(shè)定在最小位置，使得制冷能耗降到最低。引入的室外新風(fēng)滿足工作人員所需的最小新風(fēng)量或室內(nèi)正壓即可。

（2）直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)機(jī)房中的應(yīng)用情況

直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，直接蒸發(fā)式冷氣機(jī)在數(shù)據(jù)機(jī)房中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，主要的應(yīng)用形式有兩種：一種是直接在數(shù)據(jù)機(jī)房中設(shè)置蒸發(fā)式冷氣機(jī)，并且增加排風(fēng)系統(tǒng)，與蒸發(fā)式冷氣機(jī)配合。與此同時(shí)，將蒸發(fā)式冷氣機(jī)與數(shù)據(jù)機(jī)房專用空調(diào)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)使用，達(dá)到節(jié)能目的；另一種是在使用蒸發(fā)式冷氣機(jī)的同時(shí)，讓一部分回風(fēng)與冷氣機(jī)處理后的空氣混合（如圖7），這種形式可以增加冬季數(shù)據(jù)機(jī)房的加濕量;圖7哥倫比亞大學(xué)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用蒸發(fā)式冷氣機(jī)在我國(guó)福建省，蒸發(fā)式冷氣機(jī)在各大通信運(yùn)營(yíng)商的電子信息內(nèi)機(jī)房中也得到廣泛應(yīng)用，并且節(jié)能潛力明顯。截至2010年10月，中國(guó)聯(lián)通福建分公司在全省共完成535個(gè)基站的節(jié)能改造，安裝535臺(tái)通信基站專用直接蒸發(fā)式冷氣機(jī)，每年節(jié)省電費(fèi)約375萬(wàn)元，年節(jié)能率在30%~90%圖8福建聯(lián)通應(yīng)用蒸發(fā)式冷氣機(jī)1.2間接蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)機(jī)房中的應(yīng)用間接蒸發(fā)冷卻（IEC）空調(diào)技術(shù)是產(chǎn)出介質(zhì)（空氣或水）與工作介質(zhì)（空氣和水）間接接觸進(jìn)行熱濕交換，產(chǎn)出介質(zhì)與工作介質(zhì)之間不存在質(zhì)的交換，僅是顯熱的交換，以獲取冷風(fēng)或冷水的技術(shù)。管式間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)以其較高的效率和不宜堵塞的特點(diǎn)，在我國(guó)的部分?jǐn)?shù)據(jù)機(jī)房已經(jīng)得到應(yīng)用。（1）管式間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)管式間接蒸發(fā)冷卻器中，一次空氣在管內(nèi)流過(guò)，在管組上方由布水裝置淋水，在管外壁形成水膜，二次空氣自下而上橫掠管束，與管外水膜發(fā)生熱、濕交換（圖8）。傳熱管可以采用圓管或橢圓管，材料為聚氯乙烯等高分子材料或鋁箔。管外可以包覆吸水性纖維材料，使管外側(cè)保持均勻的水膜，以增強(qiáng)蒸發(fā)冷卻的效果。盡管管式間接蒸發(fā)空氣冷卻器的緊湊性不及板式，但它能彌補(bǔ)板式的不足：管式間接蒸發(fā)冷卻器通過(guò)合理設(shè)計(jì)布水裝置，做到布水均勻，形成穩(wěn)定水膜，有利于蒸發(fā)冷卻的進(jìn)行；流道較寬，不會(huì)產(chǎn)生堵塞，因而流動(dòng)阻力??；容易清洗；成本低。目前蒸發(fā)冷卻空調(diào)工程中越來(lái)越多地使用管式間接蒸發(fā)空氣冷卻器。圖8管式間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物管式間接-直接蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組的產(chǎn)出空氣溫度理論上可以達(dá)到入口空氣的亞濕球溫度（濕球溫度以下，露點(diǎn)溫度以上）。管式間接-直接蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組的產(chǎn)出空氣處理過(guò)程（直流式系統(tǒng)）如圖9所示，入口空氣W經(jīng)過(guò)間接蒸發(fā)冷卻至W1，W1點(diǎn)的空氣經(jīng)過(guò)直接蒸發(fā)冷卻至O點(diǎn)，送入機(jī)房完成處理過(guò)程至N。圖9管式間接-直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組空氣處理（直流式）焓濕圖（2）管式間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)機(jī)房中的應(yīng)用情況

a.工程案例

西安某數(shù)據(jù)機(jī)房建筑面積440m2，該機(jī)房的空調(diào)冷負(fù)荷為454W/m2。采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，配備有1臺(tái)額定風(fēng)量為42000m3/h的蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷聯(lián)合空氣處理機(jī)組，該企業(yè)為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，將該數(shù)據(jù)機(jī)房室內(nèi)熱環(huán)境可以接受的溫度上限調(diào)整為30℃。

該空氣處理機(jī)組由初效過(guò)濾段、管式間接蒸發(fā)冷卻段、混合段、中效過(guò)濾段、低溫表冷段、直接蒸發(fā)冷卻段和送風(fēng)段組成，機(jī)組結(jié)構(gòu)組成如圖10所示，機(jī)組實(shí)物照片如圖11所示。圖10蒸發(fā)冷卻優(yōu)化后空氣處理機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖圖11蒸發(fā)冷卻優(yōu)化后空氣處理機(jī)組實(shí)物照片b.系統(tǒng)運(yùn)行模式

如圖12所示，該套空氣處理機(jī)組在過(guò)渡季節(jié)關(guān)閉閥門(mén)2，開(kāi)啟閥門(mén)3和閥門(mén)1（見(jiàn)圖13），采用直流式系統(tǒng)運(yùn)行。過(guò)渡季節(jié)中室外溫度低于室內(nèi)溫度，利用室外的一部分自然冷源，通過(guò)間接-直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組處理，送入室內(nèi)，以保證室內(nèi)的溫濕度要求。該系統(tǒng)處理空氣的過(guò)程如圖13所示，室外空氣由Wg經(jīng)過(guò)管式間接段處理至W’，然后通過(guò)直接蒸發(fā)冷卻段處理為O點(diǎn)，滿足要求送入室內(nèi)至N（ε為熱溫比，下同）。圖12蒸發(fā)冷卻優(yōu)化后的空氣處理系統(tǒng)圖圖13過(guò)渡季節(jié)系統(tǒng)處理過(guò)程在夏季,開(kāi)啟管式間接-表冷器的運(yùn)行模式，采用新回風(fēng)混合系統(tǒng)，這種模式是在通信機(jī)房有新風(fēng)要求或者夏季個(gè)別時(shí)間室外溫度較低的情況下開(kāi)啟，管式間接段可以對(duì)室外進(jìn)入的新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷，從而達(dá)到節(jié)能的目的。系統(tǒng)處理的過(guò)程見(jiàn)圖14，室外新風(fēng)Wx經(jīng)過(guò)間接蒸發(fā)冷卻至W’點(diǎn)，與回風(fēng)混合至C，經(jīng)過(guò)低溫表冷器和直接蒸發(fā)冷卻處理至O，送入室內(nèi)至N。圖14夏季運(yùn)行模式處理過(guò)程冬季室外溫度遠(yuǎn)低于室內(nèi)溫度，而且通信機(jī)房?jī)?nèi)相對(duì)濕度較低，所以在冬季應(yīng)只開(kāi)啟直接蒸發(fā)冷卻段的運(yùn)行模式，新風(fēng)進(jìn)入混合段后與一部分回風(fēng)混合再經(jīng)過(guò)直接蒸發(fā)冷卻段，這種運(yùn)行模式的原理如圖15所示，室外自然新風(fēng)Wd與室內(nèi)回風(fēng)混合至C點(diǎn)，經(jīng)過(guò)直接蒸發(fā)冷卻至O點(diǎn)，送入室內(nèi)至N點(diǎn)。圖15冬季運(yùn)行模式的處理過(guò)程c.過(guò)渡季節(jié)測(cè)試結(jié)果分析

在過(guò)渡季節(jié)該空調(diào)機(jī)組開(kāi)啟間接蒸發(fā)冷卻段和直接蒸發(fā)冷卻段，系統(tǒng)采用直流運(yùn)行方式。運(yùn)行間接-直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組時(shí)，實(shí)測(cè)室內(nèi)送風(fēng)量為31590m3/h，室內(nèi)的機(jī)械排風(fēng)量為13472m3/h，機(jī)械排風(fēng)量占送風(fēng)量的42.6%，由于該數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)為后期改造而成，原空調(diào)系統(tǒng)的排風(fēng)是根據(jù)工藝排風(fēng)設(shè)計(jì)的，所以排風(fēng)量設(shè)計(jì)較小，在使用蒸發(fā)冷卻全新風(fēng)運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)正壓較大，導(dǎo)致送風(fēng)量相應(yīng)減小，并未達(dá)到設(shè)計(jì)送風(fēng)量。單獨(dú)開(kāi)啟蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，管式間接蒸發(fā)冷卻段的全熱制冷量約為89.5kW，直接蒸發(fā)冷卻段的顯熱制冷量約為84.9kW，總顯熱制冷量為175kW。管式間接段的工作空氣（二次空氣）風(fēng)量為22572m3/h，二/一次空氣比約為0.71。

d.能效分析

在進(jìn)行上述測(cè)試的同時(shí)，對(duì)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中的所有用電設(shè)備的輸入電流進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)額定電壓計(jì)算出其實(shí)際的輸入功率，然后計(jì)算出系統(tǒng)的能效比，運(yùn)行管式間接+直接兩級(jí)蒸發(fā)冷卻空氣處理系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的能效比為10.7。運(yùn)行機(jī)械制冷系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)能效比約為2.5。

西安屬于中等濕度地區(qū)，所以蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組間接蒸發(fā)冷卻段的冷卻效率取0.65，蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組直接蒸發(fā)冷卻段的冷卻效率取0.9。對(duì)西安地區(qū)管式間接-直接蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組的出風(fēng)溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》的逐時(shí)氣象參數(shù)，全年共有8760組數(shù)據(jù)，在對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后，統(tǒng)計(jì)西安地區(qū)管式間接-直接蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組風(fēng)溫度0～14℃區(qū)間的小時(shí)數(shù)，西安地區(qū)管式間接-直接蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組出風(fēng)溫度能夠保證的小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖12所示。全年管式間接-直接蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組能夠保證送風(fēng)溫度在0～14℃的小時(shí)數(shù)為3400小時(shí)。在過(guò)渡季節(jié)測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)間接+直接兩級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)和機(jī)械制冷的能效比進(jìn)行計(jì)算，蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)全年耗電55420kW/h，機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)在這3400小時(shí)內(nèi)的耗電量為234600kW/h。蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組耗電量占到原有機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)耗電量的23.6%。圖16間接+直接蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組出風(fēng)0～14℃小時(shí)數(shù)（h）

2蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在數(shù)據(jù)機(jī)房應(yīng)用中的問(wèn)題

2.1設(shè)備組成形式

管式間接+直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)與機(jī)械制冷聯(lián)合空氣處理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)機(jī)房已經(jīng)有了應(yīng)用的先例。在該項(xiàng)目中混合段設(shè)置在管式間接段后，使得管式間接段不能處理數(shù)據(jù)機(jī)房中的回風(fēng)，多數(shù)數(shù)據(jù)機(jī)房室內(nèi)回風(fēng)干球溫度較高，濕球溫度較低，干濕球溫差較大，蒸發(fā)冷卻技術(shù)適合處理干濕球溫差較大的空氣，所以應(yīng)該將混風(fēng)段設(shè)置在管式間接段前，如圖17所示。圖17一種數(shù)據(jù)機(jī)房蒸發(fā)冷卻空氣系統(tǒng)該系統(tǒng)可在新風(fēng)濕度較高的時(shí)候，于管式間接段前可以混合一部分回風(fēng)，以充分發(fā)揮管式間接段的作用。在夏季，室外溫度高于室內(nèi)回風(fēng)的時(shí)候，室內(nèi)回風(fēng)可以先通過(guò)管式間接段預(yù)冷，再進(jìn)入低溫表冷段，減少機(jī)械制冷段的顯熱負(fù)荷。在冬季寒冷的室外新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)先混合再處理的工況，一方面可以避免新風(fēng)口處結(jié)冰造成風(fēng)量過(guò)小的隱患。另一方面提高了空氣容納水蒸氣的能力，提供了濕度適宜的送風(fēng)。防止了冬季室外空氣的含濕量比較低，直接引入新風(fēng)的方式造成的室內(nèi)空氣越來(lái)越干燥，且過(guò)低的相對(duì)濕度產(chǎn)生的靜電可能擊穿機(jī)房電路板的危險(xiǎn)。

2.2蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)形式

在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)機(jī)房工程中，多采用蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組，而空氣的比熱容是非常小的，在一些IDC（InternetDataCenter）機(jī)房冷負(fù)荷已經(jīng)超過(guò)1000W/m2，在這類數(shù)據(jù)機(jī)房中空氣處理機(jī)組已經(jīng)不能滿足室內(nèi)的熱環(huán)境要求。蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組在很多項(xiàng)目中已經(jīng)得到應(yīng)用，所以開(kāi)發(fā)一種蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組與機(jī)械制冷聯(lián)合制冷系統(tǒng)顯得尤為重要。

如圖18所示，該系統(tǒng)是一種數(shù)據(jù)機(jī)房用外冷式蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，特點(diǎn)是將蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組放置于空調(diào)機(jī)房外，可根據(jù)數(shù)據(jù)機(jī)房冷負(fù)荷需求配備較大型的蒸發(fā)冷卻設(shè)備。圖18一種數(shù)據(jù)機(jī)房用外冷式蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)2.3蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷聯(lián)動(dòng)模式

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用到數(shù)據(jù)機(jī)房中，但蒸發(fā)冷卻空調(diào)并不能取代機(jī)械制冷空調(diào)的作用，這兩種空調(diào)技術(shù)應(yīng)該是相輔相成的，即采取蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷的聯(lián)動(dòng)模式在過(guò)渡季節(jié)以及能夠使用蒸發(fā)冷卻空調(diào)的時(shí)候盡量采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)，充分發(fā)揮它的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，為運(yùn)營(yíng)商節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。當(dāng)蒸發(fā)冷卻空調(diào)提供的冷量不能滿足機(jī)房熱環(huán)境需求的時(shí)候，關(guān)閉蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，開(kāi)啟機(jī)械制冷。但在一些時(shí)候，聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)頻繁地切換蒸發(fā)冷卻空調(diào)和機(jī)械制冷空調(diào)，由于蒸發(fā)冷卻空調(diào)還有增加空氣濕度的作用，所以當(dāng)剛剛開(kāi)啟機(jī)械制冷空調(diào)的時(shí)候，蒸發(fā)冷卻空調(diào)為室內(nèi)增加的濕量就成為機(jī)械制冷空調(diào)的濕負(fù)荷，增加了能耗。如何優(yōu)化蒸發(fā)冷卻空調(diào)與機(jī)械制冷空調(diào)之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，成為蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)機(jī)房中更好地應(yīng)用所需解決的一個(gè)問(wèn)題。

3結(jié)語(yǔ)

蒸發(fā)冷卻在我國(guó)的數(shù)據(jù)機(jī)房中的應(yīng)用已經(jīng)得到一部分用戶的認(rèn)可，比如西安某數(shù)據(jù)機(jī)房采用的蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷聯(lián)合空氣處理機(jī)組已經(jīng)得到肯定。當(dāng)前，實(shí)際項(xiàng)目中的蒸發(fā)冷卻設(shè)備多為節(jié)能改造后所添加，如果能在數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)，根據(jù)工程實(shí)際情況，充分的考慮設(shè)備組成形式、蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)形式和蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)模式，可以將蒸發(fā)冷卻技術(shù)的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)發(fā)揮的更好，從蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)機(jī)房應(yīng)用的效果來(lái)看，該技術(shù)應(yīng)該在電子信息行業(yè)得到推廣?！?水直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)與壓縮制冷節(jié)能性對(duì)比分析節(jié)約能源是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)。建設(shè)節(jié)能型社會(huì)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)全面建設(shè)小康社會(huì)宏偉目標(biāo)，構(gòu)建和諧社會(huì)的重要基礎(chǔ)保障。中央空調(diào)是現(xiàn)代建筑中不可缺少的能耗運(yùn)行系統(tǒng)，其在給人們提供舒適的生活和工作環(huán)境的同時(shí)，又消耗掉了大量的能源。近期，出現(xiàn)了一種新型的節(jié)能空調(diào)，它的耗電量?jī)H為傳統(tǒng)壓縮式中央空調(diào)的八分之一，那就是水直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)。中國(guó)高峰時(shí)段電力供需缺口達(dá)2000萬(wàn)千瓦～3000萬(wàn)千瓦，而目前空調(diào)能耗已占全國(guó)耗電量的15％左右，在夏季用電高峰時(shí)期，空調(diào)用電負(fù)荷甚至高達(dá)城鎮(zhèn)總體用電負(fù)荷的40％。另?yè)?jù)業(yè)內(nèi)人士分析傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)普遍存在著30％以上的無(wú)效能耗，換句話說(shuō)，中央空調(diào)系統(tǒng)一般都存在著30％的節(jié)能空間。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的空調(diào)節(jié)能一般也只能減少30％左右的能耗?？梢钥隙ǎ谶@樣的大背景下，作為耗電大戶的中央空調(diào)首當(dāng)其沖地成為建立資源節(jié)約型社會(huì)所必須提倡節(jié)能的產(chǎn)品，既可以緩解能源緊張，又能夠節(jié)省費(fèi)用。目前，水直接蒸發(fā)冷卻的空調(diào)分為兩種：1．填料式循環(huán)水泵不間斷地把水槽內(nèi)的水抽出，并通過(guò)水分布器均勻地將水分布在蜂窩過(guò)濾網(wǎng)層上。周圍空氣經(jīng)過(guò)外殼百葉進(jìn)入蜂窩過(guò)濾網(wǎng)層，在蜂窩過(guò)濾網(wǎng)內(nèi)與水進(jìn)行充分的濕熱交換。因水蒸發(fā)而降溫的清涼潔凈的空氣由低噪聲離心風(fēng)機(jī)加壓送入室內(nèi)，這就是填料式的水直接蒸發(fā)冷卻的原理。如澳大利亞的喜來(lái)爾冷氣機(jī)，瑞典的奈特的加濕降溫器。2．無(wú)填料式一方面，當(dāng)進(jìn)入的熱水(低于周圍空氣的溫度)通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴嘴噴射，使水霧化；另一方面，由于作用、反作用力而使