初探蒸发冷却—机械制冷复合空调系统

杨 阳,强天伟

(西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048)

蒸发冷却作为一种环保、高效且经济的冷却方式。主要是利用干空气能,降低用电量和城市高峰期对电能的要求;减少温室气体和CFC的排放,达到无污染的目的。目前,我国干燥地区使用直接蒸发冷却、间接蒸发冷却或直接—间接相结合的多级蒸发冷却可以达到空气调节标准[1]。当应用于中等湿度地区时,为了适应当地的气候条件,提出了蒸发冷却—机械制冷复合空调系统。这就使蒸发冷却的方式在我国西北地区的广泛应用奠定了基础。

1 系统的组成

蒸发冷却—机械制冷复合空调系统由蒸发冷却高温冷水机组、机械制冷机组、蒸发冷却新风机组和干工况风机盘管四部分构成。蒸发冷却高温冷水机组和机械制冷机组共同做冷源。

2 工作原理

2.1 蒸发冷却空调制冷原理

(1)直接蒸发冷却

直接蒸发冷却是利用水与空气间直接的接触,空气将热量传递给水,只要空气不是饱和的,利用循环水直接 (或通过填料层)喷淋空气就可得到降温的效果[2-3],使空气达到冷却的目的。直接蒸发冷却过程是等焓加湿的降温过程。如图1所示为直接蒸发冷却空气处理过程焓湿图。

(2)间接蒸发冷却

所谓的间接蒸发冷却,是指蒸发冷却器一侧为被处理空气,另一侧水与空气直接接触,借助水蒸发形成的湿表面冷却,是增焓降温的过程;被处理空气在另一侧经过温差换热来获得冷量,是等湿冷却的过程[3-4]。如图2所示为间接蒸发冷却空气处理过程焓湿图。

图1 直接蒸发冷却空气处理过程焓湿图

图2 间接蒸发冷却空气处理过程焓湿图

2.2 蒸发冷却高温冷水机组工作原理

图3 蒸发冷却高温冷水机组

蒸发冷却高温冷水机组由高温表冷段,低温表冷段、直接蒸发冷却段组成。如图3所示。

夏季机组运行时,室外空气从进风口进入蒸发冷却高温冷水机组,先经过高温表冷段,高温表冷器中的水由直接蒸发冷却段冷水箱中冷水供应,再经过低温表冷段,低温表冷器中的水由干工况风机盘管回水供应,最后经过直接蒸发冷却段,通过喷淋高温表冷器和低温表冷器回水再次降温,高温冷水收集在机组下部水箱内。

过渡季节机组工作时,一般开启蒸发冷却新风机组为新风提供冷量就可满足室内温湿度要求时,风机盘管停止运行。

冬季机组工作时,蒸发冷却高温冷水机组运行停止,热源由机械制冷热泵机组承担,为新风机组和风机盘管提供热水。

2.3 蒸发冷却新风机组工作原理

蒸发冷却新风机组与蒸发冷却高温冷水机组构成形式类似,也是由高温表冷段,低温表冷段、直接蒸发冷却段组成以达到冷却空气的目的。作为新风机组,添加了新风阀、送风机及过滤器,送风机为整个系统提供所需动力,过滤器保证了空气质量,同时对后面设备起到保护作用。如图4所示。

在夏季,室外空气通过新风阀进入蒸发冷却新风机组,经过滤器进入高温表冷器先预冷,在低温表冷器中继续冷却空气,高温表冷器中水来自干工况风机盘管回水,低温表冷器中水由空气源热泵机组提供。

过渡季节风机盘管停止运行,室外空气温度较低时,只开启蒸发冷却新风机组直接蒸发冷却器就可满足制冷要求;室外空气温度较高时,开启蒸发冷却新风机组直接蒸发冷却器的同时需要开启高温表冷器。

在冬季,热源由机械制冷热泵机组承担,为新风机组和风机盘管提供热水,蒸发冷却高温冷水机组运行停止。

图4 蒸发冷却新风机组

2.4 干工况风机盘管工作原理

传统风机盘管为湿式风机盘管,进水温度低于室内空气露点温度,一般为7～9℃。由于冷凝水的产生,设置的冷凝水管路使系统复杂度增加,冷凝水盘也易滋生微生物,影响室内空气品质[1]。

送入干工况风机盘管的水为高温冷水,温度在16～18℃之间,盘管温度高于空气露点温度,不会出现冷凝水[5]。如图5所示为干工况风机盘管的空气处理过程焓湿图。干工况风机盘管是小焓差,大风量的机组。被处理空气W等湿冷却到状态点N,N点相对湿度低于机器露点的相对湿度,处理过程风机盘管表面不会产生冷凝水,风机盘管在干工况状态运行。

图5 干工况风机盘管的空气处理过程焓湿图

3 蒸发冷却—机械制冷复合空调系统工作流程

结合中等湿度地区的气候特点,对蒸发冷却—机械制冷复合空调系统的运行工况分为夏季空气处理过程、冬季空气处理过程和过渡季节空气处理过程[6]。

3.1 夏季空气处理过程

夏季运行时,空气处理采用新风承担部分室内负荷的方案。室外新风处理后的空气状态点焓值、含湿量低于室内空气状态点。风机盘管为干工况风机盘管,承担室内部分显热负荷和全部湿负荷[7]。该系统夏季在焓湿图上空气处理过程如图6所示:

图6 夏季蒸发冷却—机械制冷复合空调系统空气处理过程

(2)dP线与相对湿度φ=90%相交于点L,考虑温升,确定实际点K,连接KO并延长到dN相交于M点,M点为风机盘管要求的出风口状态点。

(3)室外空气经高温表冷器等湿冷却到状态点W′,空气在低温表冷段继续冷却到机器露点 L,考虑风机段的设备温升,新风等湿升温0.5～1.0℃。被处理空气送入室内,与风机盘管处理过的回风混合达到送风状态点。

图7 过渡季节蒸发冷却—机械制冷复合空调系统空气处理过程

3.2 过渡季节空气处理过程

过渡季节采用全新风式送风[8],空气处理过程确定如图7所示。首先,确定室内状态N点,过N点做热湿比线与相对湿度φ=90%相交于点L,因为该系统按舒适性空调考虑,一般不受送风温差限制,可采用最低送风温度送风,即L点为送风状态点。送风量

过渡季节运行模式,根据室外空气状态分两种:当室外空气温度较低时,只开启蒸发冷却新风机组直接蒸发冷却器,如图7(a)所示,室外空气在直接蒸发冷却段被冷却加湿即到达机器露点,可直接送入室内;当室外空气温度较高时,开启蒸发冷却新风机组直接蒸发冷却器的同时需要开启高温表冷器,如图7(b)所示,室外空气经过高温表冷段预冷,等湿冷却到温度较低的W′,再经过直接蒸发冷却段加湿冷却,送入室内。在过渡季节使用蒸发冷却全新风的空调方式,即改善了室内空气品质,也能实现 “免费供冷”,比传统机械制冷空调系统节能80%左右[9]。

3.3 冬季空气处理过程

对于中等湿度地区 (以西安为例),冬季与夏季室内状态点不同,但室内余湿相同,仅为余热不同。冬季空气处理过程确定如下 (如图8所示)。

首先根据室内卫生要求和正压富裕要求确定室内新风量 (新风量与夏季相同)。然后确定室内状态N点,过N点做热湿比线根据冬季与夏季余湿相同的特点确定状态点 O,使得冬季与夏季的 △d=dN-dO相等。冬季与夏季有相同的送风量G,送风比与夏季也相同。

冬季运行时,新风机组开启低温表冷段对室外空气进行预热,然后空气进入直接蒸发冷却段进行加湿,满足室内环境对相对湿度的要求。冬季由空气源热泵机组为风机盘管机组提供热水,新风与室内回风混合到达送风状态点。

图8 冬季蒸发冷却—机械制冷复合空调系统空气处理过程

4 小结

笔者针对蒸发冷却—机械制冷复合空调系统,分析了空调系统的各组成部分工作原理。在夏季采用蒸发冷却高温冷水机组与机械制冷的低温冷水混合后共同对显热末端提供冷量;过渡季节使用全新风的形式满足室内舒适度的要求;冬季采用机械供热的方式。结合中湿度地区气候状况分别对各季节条件下的不同运行状态进行了分析。为蒸发冷却与机械制冷结合的空调机组在中等湿度地区的应用提供了理论参考。

[1]黄翔.空调工程[M].北京:机械工业出版社,2006:223,257-273

[2]黄翔.国内外蒸发冷却空调技术研究发展 (1)[J].暖通空调,2007,37(2):24-30

[3]卢永梅.蒸发冷却空调监控系统研究及系统集成可行性分析[D].西安工程大学,2011:7-15

[4]贺进宝.新疆乌鲁瓦提水利枢纽发电厂蒸发冷却空调控制系统的设计 [J].制冷空调与电力机械,2002(4):31-32

[5]黄翔等.蒸发冷却空调理论与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2010,8:336-337

[6]陆亚俊,马最良,邹平华,等.暖通空调[M].北京:中国建筑工业出版社,2008,6:120-165

[7]赵荣义,范存养,薛殿华,等.空气调节[M].北京:中国建筑工业出版社,2009,3:138-143

[8]张大镇.基于组态技术的蒸发冷却空调机组实时监控系统设计[D].西安工程大学,2010,11-18

[9]徐方成.蒸发冷却与机械制冷复合空调机组的研究[D].西安工程大学,2009,18-27