蒸發(fā)冷卻空調(diào)應(yīng)用中存在問(wèn)題及解決設(shè)想

蒸發(fā)冷卻空調(diào)應(yīng)用中存在問(wèn)題及解決設(shè)想/UA強(qiáng)天偉沈恒根黃翔屈原摘要：目前,集中式蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)西部地區(qū)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但其缺點(diǎn)即風(fēng)道大、使用靈活性差，而且不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)房間分別進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。針對(duì)集中式系統(tǒng)的缺點(diǎn)本文提出采用有別于傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)的半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，并從理論上進(jìn)行了可行性分析。關(guān)鍵詞：蒸發(fā)冷卻半集中式空調(diào)系統(tǒng)環(huán)保節(jié)能1.蒸發(fā)冷卻技術(shù)現(xiàn)狀蒸發(fā)冷卻過(guò)程是以水作為制冷劑的，由于不使用CFCs，因而對(duì)大氣環(huán)境無(wú)污染，而且可直接采用全新風(fēng)，極大地改善了室內(nèi)空氣品質(zhì)。同通常的機(jī)械制冷的原理一樣，由制冷劑的蒸發(fā)而提供冷量。但是對(duì)蒸發(fā)冷卻來(lái)說(shuō)，是利用水的蒸發(fā)取得能量，它不是將蒸發(fā)后的水蒸汽再進(jìn)行壓縮、冷凝回到液態(tài)水后再進(jìn)行蒸發(fā)。一般可以直接補(bǔ)充水分來(lái)維持蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)蒸發(fā)冷卻空調(diào)在烏魯木齊、西安、哈爾濱、北京的應(yīng)用分析可知：其運(yùn)行能耗約為常規(guī)空調(diào)設(shè)備的1/5（機(jī)械制冷系統(tǒng)裝機(jī)功率50w/m2左右，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)裝機(jī)功率10w/m2，節(jié)電80%）;從初投資方面看，約為常規(guī)空調(diào)設(shè)備的1/2（機(jī)械制冷方式造價(jià)400元/m2左右，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)造價(jià)250元/m2左右，節(jié)省投資30~50%）,且具有加濕功能；從室內(nèi)空氣品質(zhì)方面看，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)由于按100%新風(fēng)運(yùn)行，因此明顯優(yōu)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，而且它以水為制冷劑，不使用CFCS，對(duì)大氣環(huán)境無(wú)污染。該技術(shù)在八十年代中期傳入我國(guó)，在我國(guó)西部干旱地區(qū)（尤其是新疆地區(qū)）得到研究和應(yīng)用，因?yàn)槲覈?guó)西北地區(qū)晝夜溫差大，空氣干燥，夏季室外空調(diào)計(jì)算4濕球溫度較低（一般低于22度）；晝夜溫差大，每日早晚與中午氣溫（干球溫度）相差較大；冬季室外干球溫度較低，多為干冷氣候（若只對(duì)室內(nèi)供熱，室內(nèi)空氣相對(duì)濕度一般低于20%）。這些獨(dú)特的氣象條件為蒸發(fā)冷卻技術(shù)提供了天然的應(yīng)用場(chǎng)所，因?yàn)檎舭l(fā)冷卻是一種適宜在干燥地區(qū)使用的供冷技術(shù)，它利用水分蒸發(fā)吸熱來(lái)降低送風(fēng)溫度，從而降低房間溫度。正是由于西部的特殊氣候條件使得蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)替代常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)成為可能。目前蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在新疆地區(qū)的賓館、辦公樓、餐飲、娛樂(lè)、體育館、影劇院等公共與民用建筑以及一些工業(yè)建筑中已廣泛應(yīng)用，僅烏魯木齊綠色使者中央空調(diào)有限責(zé)任公司在新疆地區(qū)完工的工程項(xiàng)目超過(guò)70余個(gè)［1］。2.蒸發(fā)冷卻空調(diào)存在的問(wèn)題當(dāng)前我國(guó)西部地區(qū)的許多高樓大廈、公共建筑內(nèi)，仍廣泛使用機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)。盡管這些系統(tǒng)提供了舒適的工作生活環(huán)境，但和蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組相比較其一次性投資巨大、運(yùn)行費(fèi)用昂貴、維修與養(yǎng)護(hù)復(fù)雜，而且會(huì)引發(fā)“病態(tài)建筑綜合癥”和造成環(huán)境污染。尤其是SARS疫情爆發(fā)后空調(diào)系統(tǒng)的安全性問(wèn)題更加引起暖通界人士和衛(wèi)生部的關(guān)注。室內(nèi)空氣品質(zhì)越來(lái)越得到關(guān)注，而蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)由于按100%新風(fēng)運(yùn)行不使用CFCS，對(duì)大氣環(huán)境無(wú)污染，因此明顯優(yōu)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。目前在我國(guó)西部地區(qū)多采用集中式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng),其優(yōu)點(diǎn)是使用時(shí)間長(zhǎng)，便于維護(hù)，整個(gè)系統(tǒng)在需進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的場(chǎng)所僅有風(fēng)道敷設(shè)而沒(méi)有水路布置，故其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單成本低，因不需在吊頂中設(shè)置水管從而徹底消除了凝結(jié)水滲漏的問(wèn)題。另外，該系統(tǒng)多采用全新風(fēng)，大大改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，同時(shí)，在過(guò)渡季節(jié)采用全新風(fēng)可節(jié)約能耗。集中式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)也有一些缺陷：首先，應(yīng)用單元式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)濕度較高（通過(guò)對(duì)烏魯木齊已完工系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，室內(nèi)濕度約75%）其次，由于是采用冷空氣對(duì)室內(nèi)進(jìn)行冷卻而空氣的比熱較小，所以該系統(tǒng)風(fēng)量較大，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)道比一般半集中式空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道占用空間大，導(dǎo)致其使用靈活性差。第三點(diǎn)，考慮到成本問(wèn)題，目前尚沒(méi)有物美價(jià)廉的末端產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)房間分別控制調(diào)節(jié)。但從設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)的角度考慮對(duì)溫濕度控制精度要求不高的舒適性空調(diào)仍具有可行性，尤其對(duì)大型娛樂(lè)場(chǎng)所、餐飲、商場(chǎng)、體育場(chǎng)館、會(huì)議中心、各種活動(dòng)中心等公共場(chǎng)所具有很大優(yōu)勢(shì)。這也是集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在新疆地區(qū)近年來(lái)應(yīng)用廣泛的一個(gè)重要原因［2］。3.半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的提出由于集中式系統(tǒng)的缺點(diǎn)即風(fēng)道大、使用靈活性差，而且不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)房間分別進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。因此在某些場(chǎng)合限制了集中式空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的半集中式空調(diào)系統(tǒng)該系統(tǒng)能單獨(dú)調(diào)節(jié)各個(gè)房間溫度，適合風(fēng)管不易布置和層高較低的場(chǎng)所，如賓館客房和寫(xiě)字間等。故針對(duì)集中式系統(tǒng)的缺點(diǎn)本文提出了有別于傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)的半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，并從理論上進(jìn)行了可行性分析。3.1半集中式蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng)此系統(tǒng)和傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)略有不同，傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)所用冷媒是冷水機(jī)組提供的冷水，故冷水機(jī)組是核心。而半集中式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的核心是蒸發(fā)冷卻段，是利用水的蒸發(fā)取得能量，它不是將蒸發(fā)后的水蒸汽再進(jìn)行壓縮、冷凝回到液態(tài)水后再進(jìn)行蒸發(fā)，而是直接補(bǔ)充水分來(lái)維持蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行，系統(tǒng)中新風(fēng)由蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組處理，根據(jù)室外設(shè)計(jì)參數(shù)和負(fù)荷特點(diǎn)可選用單級(jí)或多級(jí)蒸發(fā)冷卻。具體圖示見(jiàn)圖3-1。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse傳統(tǒng)半集中系統(tǒng)蒸發(fā)冷卻半集中系統(tǒng)圖3-1傳統(tǒng)系統(tǒng)與蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的比較直接蒸發(fā)冷卻處理過(guò)程中，新風(fēng)被等焓加濕，循環(huán)水溫近似等于進(jìn)口空氣濕球溫度。例如在烏魯木齊夏季室外空調(diào)計(jì)算濕球溫度約18°C，當(dāng)空氣被直接蒸發(fā)冷卻處理后，理論上循環(huán)水溫亦能達(dá)到18C。若使用間接-直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程，則新風(fēng)首先經(jīng)等濕冷卻，然后等焓加濕，這樣處理后循環(huán)水溫可進(jìn)一步降低達(dá)到13~16C，雖然經(jīng)上述兩種方式處理后的水溫均高于冷水機(jī)組的冷凍水溫7~12C，但只要加大水量，通入冷卻盤(pán)管后仍然可以承擔(dān)部分負(fù)荷。故半集中式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的主要區(qū)別是它的所有負(fù)荷均由蒸發(fā)冷卻過(guò)程承擔(dān)，而不需要冷水機(jī)組和冷卻水系統(tǒng)，其初投入大大降低，一次投資綜合造價(jià)僅為傳統(tǒng)制冷空調(diào)方式的40%~80%。3.2可行性分析為了探討半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在西北地區(qū)使用的可行性，以烏魯木齊氣候?yàn)槔M(jìn)行設(shè)計(jì)方案的探討和比較。烏魯木齊室內(nèi)外狀態(tài)點(diǎn)及參數(shù)見(jiàn)圖3-2。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse圖3-2室內(nèi)外狀態(tài)點(diǎn)地點(diǎn)烏魯木齊夏季季節(jié):夏季tgw:室外干球溫度34.1Ctsw:室外濕球溫度18Ctgn:室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度27C相對(duì)濕度60%大氣壓力，夏季室外空氣的含濕量dw小于室內(nèi)空氣的含濕量dn,即室外空氣需要加濕處理，為實(shí)現(xiàn)這一目的，在傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)中一般是在送風(fēng)機(jī)前安裝蒸汽加濕系統(tǒng)對(duì)被處理空氣進(jìn)行等溫加濕。見(jiàn)圖3-3?？諝馓幚磉^(guò)程（W室外空氣狀態(tài)點(diǎn)，N室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)，KL新風(fēng)機(jī)溫升）圖3-3傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)空氣狀態(tài)變化圖，則其空氣變化過(guò)程如圖3-4所示。圖3-4風(fēng)機(jī)盤(pán)管+直接蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組直接蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組，直接蒸發(fā)冷卻效率nDEC最高可達(dá)90%，按nDEC=90%計(jì)算：（3-1）注：tws室外空氣濕球溫度使用循環(huán)水處理的直接蒸發(fā)冷卻是一等焓加濕過(guò)程，因此可確定L點(diǎn)的狀態(tài)。循環(huán)水溫最終被固定在機(jī)器露點(diǎn)L接近室外濕球溫度。由式（3-1）可知：tsh=tL=tw-（tw-tws）×90%=34.1-（34.1-18）×90%=19.6°C注：tsh直接蒸發(fā)冷卻循環(huán)水水溫將循環(huán)水通入風(fēng)機(jī)盤(pán)管，由于循環(huán)水水溫略高于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度18.4C，所以只能對(duì)室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)行等濕冷卻。，空氣變化過(guò)程見(jiàn)圖3-5。圖3-5風(fēng)機(jī)盤(pán)管+（間接+直接）蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組間接+直接蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組。綠色使者中央空調(diào)有限公司生產(chǎn)的板翅式間接蒸發(fā)冷卻器其效率nIEC最高可達(dá)60-75%，如果按nIEC=60%計(jì)算：(3-2)注：tws室外空氣濕球溫度間接蒸發(fā)冷卻是一等濕降溫過(guò)程，根據(jù)式(3-2)可確定P點(diǎn)的狀態(tài)。tP=tw-(tw-tws)×60%=34.1-(34.1-18)×60%=24.4°C由tp=24.4°C可知其濕球溫度tps=14.8°C并且直接蒸發(fā)冷卻入口溫度就是24.4C。再根據(jù)式(3-1)得：tsh=tL=tp-(tp-tps)×90%=24.4-(24.4-14.8)×90%=15.76C注：tsh直接蒸發(fā)冷卻循環(huán)水水溫將循環(huán)水通入風(fēng)機(jī)盤(pán)管，由于循環(huán)水水溫低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度18.4C，所以可對(duì)室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)行除濕冷卻。，空氣變化過(guò)程如圖3-6所示。圖3-6間接1+間接2+直接蒸發(fā)冷卻半集中式系統(tǒng)采用帶有表冷卻段(冷卻塔供冷的第一級(jí)間接蒸發(fā)冷卻段)的三級(jí)蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組，其表冷段利用冷卻塔的冷卻水對(duì)新風(fēng)進(jìn)行冷卻。這種將冷卻水通入表冷器的冷卻塔供冷方式同間接蒸發(fā)冷卻一樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣的等濕降溫處理。因此，這種帶有冷卻塔供冷的間接+直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組又被稱(chēng)為三級(jí)蒸發(fā)冷卻機(jī)組(兩級(jí)間接蒸發(fā)冷卻+直接蒸發(fā)冷卻)。如利用冷卻塔的冷卻水，冷卻效率可達(dá)n冷卻塔=40-50%左右，空氣終狀態(tài)溫度孑空氣初狀態(tài)濕球溫度w+6~8C.按n冷卻塔=50%計(jì)算有:(3-3)首先根據(jù)式(3-3)可確定P點(diǎn)的狀態(tài)。tP=tw-(tw-tws)×50%=34.1-(34.1-18)×50%=26°C則間接蒸發(fā)冷卻的入口干球溫度就是26r，根據(jù)焓濕圖可知此時(shí)濕球溫度tps為15.3C。根據(jù)式(3-2)可確定Q點(diǎn)的狀態(tài)tQ=tp-(tP-tPs)×60%=26-(26-15.3)×60%=19.6C則直接蒸發(fā)冷卻的入口干球溫度就是19.6C，根據(jù)焓濕圖可知此時(shí)濕球溫度tQS為13.5C。再根據(jù)式(3-1)可確定L點(diǎn)的狀態(tài)tL=tQ-(tQ-tQS)×90%=19.6-(19.6-13.5)×90%=14.1C將循環(huán)水通入風(fēng)機(jī)盤(pán)管，由于循環(huán)水水溫低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度18.4C，所以可對(duì)室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)行除濕冷卻。4.結(jié)束語(yǔ)半集中式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)用水作為制冷劑，無(wú)冷水機(jī)組，其中直接系統(tǒng)和(間接+直接)系統(tǒng)均無(wú)冷卻水系統(tǒng)，故它們的初投資均比傳統(tǒng)半集中式系統(tǒng)低，而且運(yùn)行費(fèi)用少。由于半集中式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的供水溫度較高，故供水量較大。其中直接蒸發(fā)冷卻段的冷卻水量的多少將直接影響到機(jī)組的制冷量，而負(fù)荷需要的冷卻水量較大時(shí)又需要考慮補(bǔ)水和補(bǔ)水量等等，這些都需要進(jìn)一步的探討。參考文獻(xiàn)1.翔，武俊梅等，中國(guó)西北地區(qū)蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用狀況的研究，第11屆全國(guó)暖通空調(diào)技術(shù)信息網(wǎng)大會(huì)論文集419~4232.劉鳴，蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的工程應(yīng)用問(wèn)題，西北五省暖通空調(diào)制冷熱能動(dòng)力2002聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì)84~873.陳沛霖，蒸發(fā)冷卻在空調(diào)中的應(yīng)用，西安制冷，1999,1:1~7僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.NurfurdenpersonlichenfurStudi