蒸发冷却空调应用中的问题及解决方法
摘要:
目前，集中式蒸发冷却空调系统在我国西部地区得到了越来越广泛的应用，但其缺点是风道大，使用灵活性差，无法对多个房间分别进行调控。针对集中式系统的缺点，提出了不同于传统风机盘管加新风系统的半集中式蒸发冷却空调系统，并从理论上进行可行性分析。
关键词:
蒸发冷却半集中式空调系统的环保与节能
1.蒸发冷却技术的现状
蒸发冷却过程使用水作为制冷剂。由于不使用含氯氟烃，对大气环境没有污染，可以直接使用新鲜空气，大大改善了室内空气质量。像通常的机械制冷原理一样，制冷是通过制冷剂的蒸发来提供的。但是对于蒸发冷却，能量是通过水的蒸发获得的。它不是在蒸发前将蒸发的水蒸气压缩冷凝回液态水。一般可以直接补水维持蒸发过程。
根据蒸发冷却空调在乌鲁木齐、Xi、哈尔滨、北京的应用分析可知，其运行能耗约为常规空调设备的1/5(机械制冷系统装机功率约为50w/m2，蒸发冷却系统装机功率为10 w/m2，节电80%)；初投资方面，约为常规空调设备的1/2(机械制冷费用约400元/m2，蒸发冷却系统费用约250元/m2，节省投资30-50%)，并具有加湿功能；从室内空气品质方面来说，蒸发冷却系统明显优于常规空调系统，因为它以100%的新风运行，而且它以水为制冷剂，没有CFCS，对大气环境没有污染。
这项技术于80年代中期传入我国，在我国西部干旱地区(尤其是新疆)已有研究和应用，因为西北地区昼夜温差大，空气干燥，夏季室外空调湿球温度相对较低(一般低于22度)；昼夜温差大，每天早晚和中午的温度(干球温度)相差较大；冬季室外干球温度较低，多为干燥寒冷气候(如果只提供室内供暖，室内空气相对湿度一般低于20%)。这些独特的气象条件为蒸发冷却技术提供了天然的应用场所，因为蒸发冷却是一种适用于干燥地区的冷却技术，利用水分蒸发吸热来降低送风温度，从而降低室温。正是由于西部特殊的气候条件，使得蒸发冷却空调系统取代常规空调系统成为可能。目前，蒸发冷却空调系统已广泛应用于新疆的酒店、办公楼、餐饮、娱乐、体育馆、影剧院等公共和民用建筑以及一些工业建筑中。仅乌鲁木齐绿色使者中央空调有限公司在新疆就完成了70多个项目[1]。
2.蒸发冷却空调存在的问题
目前，在中国西部的许多高层建筑和公共建筑中，机械制冷和空调系统仍被广泛使用。这些系统虽然提供了舒适的工作和生活环境，但与蒸发冷却空调机组相比，一次性投资巨大，运行费用昂贵，维护和养护复杂，并且会造成“病态建筑综合症”和环境污染。特别是非典爆发后，空调系统的安全问题更加受到暖通行业人士和卫生部的重视。室内空气品质越来越受到重视，蒸发冷却系统由于不使用CFCS，以100%的新风运行，对大气环境无污染，明显优于常规空调系统。目前，集中式蒸发冷却系统在我国西部地区应用广泛，具有使用时间长、维护方便等优点。整个系统只有风管铺设，没有需要空调的水路布置，设计简单，造价低。因为不需要在吊顶内设置水管，完全杜绝了冷凝水渗漏的问题。此外，该系统多采用新风，大大改善了室内空气质量，同时在过渡季节采用新风还能节约能源。
集中式蒸发冷却系统也存在一些不足:首先，单元式直接蒸发冷却空调的应用可能会导致室内湿度较高(通过乌鲁木齐已建成系统的现场测试，室内湿度约为75%)。其次，由于采用冷风冷却房间，空气比热小，系统的风量大，导致系统的风管比一般的半集中式空调系统占用空间大，导致其灵活性差。再次，考虑到成本，目前还没有廉价的终端产品来实现多个房间的分别控制和调节。但从设计和经济的角度来看，使用温湿度控制精度较低的舒适性空调还是可行的，特别是大型娱乐场所、餐厅、商场、体育场馆、会议中心、各种活动中心等公共场所。这也是近年来集中式蒸发冷却空调系统在新疆得到广泛应用的重要原因[2]。
3.拟建半集中式蒸发冷却空调系统。
因为集中式系统存在风道大、使用灵活性差、无法对多个房间分别进行调控等缺点。因此，集中空调系统的应用在某些场合受到限制。由于传统的半集中式空调系统可以独立调节各个房间的温度，适用于酒店房间、写字间等不易布置风管、楼层较低的场所。因此，针对集中式系统的缺点，本文提出了一种不同于传统风机盘管加新风系统的半集中式蒸发冷却空调系统，并从理论上进行可行性分析。
3.1半集中式蒸发冷却空调系统
该系统与传统的风机盘管加新风系统略有不同。传统的风机盘管加新风系统使用的制冷剂是冷水机组提供的冷水，所以冷水机组是核心。半集中式蒸发冷却系统的核心是蒸发冷却部分，它利用水的蒸发来获得能量。它不在蒸发前将蒸发的水蒸气压缩冷凝回液态水，而是直接补水维持蒸发过程。系统中的新风由蒸发冷却新风机组处理，可根据室外设计参数和负荷特性选择单级或多级蒸发冷却。具体示意图见图3-1。
传统半集中式系统蒸发冷却半集中式系统
图3-1传统系统和蒸发冷却系统的比较
在直接蒸发冷却过程中，新风等焓加湿，循环水温度近似等于进风湿球温度。以乌鲁木齐夏季为例，室外空调湿球温度计算值约为18℃。空气直接蒸发冷却时，循环水温理论上可达18℃。如果采用间接-直接蒸发冷却工艺，新风先进行同湿度冷却，再进行同焓加湿，使处理后的循环水温进一步降低到13 ~ 16℃。虽然上述两种方法处理后的水温比冷水机组的冷冻水温度高7 ~ 12℃，但只要增加水量，进入冷却盘管后仍能承担部分负荷。因此，半集中式蒸发冷却系统与传统系统的主要区别在于，其负荷全部由蒸发冷却过程承担，不需要冷水机组和冷却水系统，因此其初投资大大降低，一次性投资的综合成本仅为传统制冷空调方式的40% ~ 80%。
3.2可行性分析
为了探索半集中式蒸发冷却空调系统在西北地区的可行性，以乌鲁木齐气候为例，对设计方案进行了讨论和比较。乌鲁木齐室内外状态点及参数见图3-2。
图3-2室内和室外状态点
地点:夏季的乌鲁木齐
季节:夏季
Tgw:室外干球温度为34.1℃
Tsw:室外湿球温度18℃
Tgn:室内设计温度为27℃
相对湿度60%
大气压906.7毫巴
3.2.1传统风机盘管+新风系统
从图3-2可以看出，夏季室外空气的含湿量dw小于室内空气的含湿量dn，即室外空气需要加湿。为了实现这一目标，在传统的风机盘管加新风系统中，通常在风机前安装蒸汽加湿系统，在等温温度下对处理后的空气进行加湿。参见图3-3。
空气处理过程(W室外空气状态点，N室内空气状态点，KL新风机温升)
图3-3传统风机盘管加新风系统空气状态变化图
3.2.2半集中式蒸发冷却系统[风机盘管+直接蒸发冷却新风机组] [3]
对于风机盘管加直接蒸发冷却新风机组的半集中式系统，换气过程如图3-4所示。
图3-4风机盘管+直接蒸发冷却新风机组
新风机组直接蒸发冷却，直接蒸发冷却效率ηDEC最高可达90%，按ηDEC=90%计算:
(3-1)
注:tws室外空气湿球温度
使用循环水处理的直接蒸发冷却是等焓加湿过程，因此可以确定点L的状态。循环水温度最终固定在接近室外湿球温度的机器露点L。根据公式(3-1):
tsh=tL=tw-(tw-tws)×90%
=34.1-(34.1-18)×90%=19.6℃
注:tsh直接蒸发冷却循环水温度
风机盘管引入循环水时，由于循环水的水温略高于室内空气的露点温度18.4℃，室内回风只能进行等湿降温。
3.2.3半集中式蒸发冷却系统[风机盘管+(间接+直接)蒸发冷却新风机组]
对于风机盘管+(间接+直接)蒸发冷却新风机组的半集中式系统，换气过程如图3-5所示。
图3-5风机盘管+(间接+直接)蒸发冷却新风机组
间接+直接蒸发冷却新风机组。绿色使者中央空调有限公司生产的板翅式间接蒸发冷却器效率ηIEC最高可达60 ~ 75%。如果ηIEC=60%:
(3-2)
注:tws室外空气湿球温度
间接蒸发冷却是一个等湿冷却过程，P点的状态可以根据公式(3-2)确定。
tP=tw-(tw-tws)×60%
=34.1-(34.1-18)×60%
=24.4℃
由tp=24.4℃可知，湿球温度tps=14.8℃，直接蒸发冷却入口温度为24.4℃。根据公式(3-1)，tsh=tL=tp-(tp-tps)×90%。
=24.4-(24.4-14.8)×90%
=15.76℃
注:tsh直接蒸发冷却循环水温度
循环水被引入风机盘管装置。因为循环水的水温低于室内空气的露点温度18.4℃，所以可以对室内回风进行除湿降温。
3.2.4半集中式蒸发冷却系统[风机盘管+(间接1+间接2+直接)蒸发冷却新风机组]
风机盘管+(间接1+间接2+直接)蒸发冷却新风机组，换气过程如图3-6所示。
图3-6间接1+间接2+直接蒸发冷却半集中式系统
采用带表冷器段的三级蒸发冷却新风机组(第一级间接蒸发冷却段由冷却塔冷却)，表冷器段利用冷却塔冷却水冷却新风。这种将冷却水引入表冷器的冷却塔，实现了与间接蒸发冷却一样的空气等湿冷却处理。所以这种带冷却塔的间接+直接蒸发冷却机组也叫三级蒸发冷却机组(两级间接蒸发冷却+直接蒸发冷却)。如果使用冷却塔的冷却水，冷却效率可以达到η冷却塔= 40 ~ 50%左右，空气的终态温度≈空气的初态湿球温度w+6 ~ 8℃。根据冷却塔η= 50%的计算，有:
(3-3)
首先，点P的状态可以根据公式(3-3)确定。
tP=tw-(tw-tws)×50%
=34.1-(34.1-18)×50%
=26℃
根据焓湿图，间接蒸发冷却的进口干球温度为26℃，湿球温度tps为15.3℃。根据公式(3-2)，可以确定Q点的状态。
tQ=tp-(tP-tPs)×60%
=26-(26-15.3)×60%
=19.6℃
根据焓湿图，直接蒸发冷却的进口干球温度为19.6℃，湿球温度tQS为13.5℃。那么可以根据公式(3-1)确定L点的状态。
tL=tQ-(tQ-tQS)×90%
=19.6-(19.6-13.5)×90%
=14.1℃
循环水被引入风机盘管装置。因为循环水的水温低于室内空气的露点温度18.4℃，所以可以对室内回风进行除湿降温。
4.结束语
半集中式蒸发冷却系统以水为制冷剂，没有冷水机组。直接系统和(间接+直接)系统没有冷却水系统，因此其初投资比传统的半集中式系统低，运行费用少。
因为半集中式蒸发冷却系统供水温度高，所以供水量大。其中，直接蒸发冷却段的冷却水量将直接影响机组的制冷量，当负荷所需的冷却水量较大时，需要考虑补水和补水等。，需要进一步讨论。
参考
1.向，，等.蒸发冷却技术在西北地区的应用研究，全国暖通空调技术信息网会议论文集4119 ~ 423 .
2.刘明，蒸发冷却空调技术的工程应用，2002年西北五省暖通空调制冷热力联合学术年会，84~87
3.陈培林，蒸发冷却在空调中的应用，Xi安制冷，1999，1: 1 ~ 7。
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