浅析风侧间接蒸发冷却空调技术中核心的几个术语

夏 青,黄 翔,殷清海

(西安工程大学,环境与化学工程学院,陕西西安710048)

0 前 言

术语研究是标准化研究的最基本的对象,正确使用标准术语是实现有效交流的前提和保证[1]。目前,我国在风侧间接蒸发冷却空调技术理论和应用方面已取得了巨大成就,因此,在未来一段时期内,风侧间接蒸发冷却空调技术术语标准化将逐步成为我国蒸发冷却空调技术发展的重点[2]。

风侧间接蒸发冷却空调设备一般有两股气流同时经过,分别是一次空气和二次空气,而“一次空气(产出空气)”、“二次空气(工作空气)”是构成描述风侧间接蒸发冷却空调设备工作原理的核心词汇。此外,“湿球效率”和“露点效率”也是风侧间接蒸发冷却空调技术中经常使用的两个词,他们同时描述风侧蒸发冷却空调设备的工作效率。

本文对风侧间接蒸发冷却空调技术中的“一次空气(产出空气)”、“二次空气(工作空气)”、“湿球效率”、“露点效率”所表达的概念意义加以分析。这些词语都属于风侧间接蒸发冷却空调技术中的核心术语,准确理解它们的概念,对把握整个风侧蒸发冷却空调技术的研究走向,是非常重要的。

1 风侧间接蒸发冷却空调技术

蒸发冷却空调(evaporative air conditioning)技术按照技术形式分为:直接蒸发冷却(direct evaporative cooling,简称DEC)空调技术,即产出介质(空气或水)与工作介质(水或空气)直接接触进行热湿交换,产出介质与工作介质之间既存在热的交换又存在质的交换,以获取冷风或冷水的技术;间接蒸发冷却(indirect evaporative cooling,简称IEC)空调技术,即产出介质(空气或水)与工作介质(空气和水)间接接触进行热湿交换,产出介质与工作介质之间不存在质的交换,仅是显热的交换,以获取冷风或冷水的技术;间接—直接蒸发冷却(indirect-direct evaporative cooling,简称IDEC)复合空调技术,即将间接蒸发冷却与直接蒸发冷却加以复合,以获取冷风或冷水的技术;蒸发冷却—机械制冷(evaporative cooling-mechanical refrigeration)联合空调技术,即将蒸发冷却与机械制冷加以联合,以获取冷风或冷水的技术。

蒸发冷却空调技术按照产出介质(获得冷量)形式分为:风侧蒸发冷却(evaporative air cooling,简称EAC)空调技术,即根据水蒸发冷却原理,采用直接蒸发冷却或间接蒸发冷却方式或加以机械制冷辅助获取冷风的空调技术,也称作冷风式蒸发冷却空调技术;水侧蒸发冷却(evaporative water cooling,简称EWC)空调技术,即根据水蒸发冷却原理,采用直接蒸发冷却或间接蒸发冷却方式或加以机械制冷辅助获得冷水的空调技术,也称作冷水式蒸发冷却空调技术。其中,风侧间接蒸发冷却(indirect evaporative air cooling,简称IEAC)空调技术是风侧蒸发冷却空调技术中的形式之一,即根据水蒸发冷却原理,采用间接蒸发冷却方式获取冷风的空调技术,也称作冷风式间接蒸发冷却空调技术。

2 一次空气 (产出空气)和二次空气 (工作空气)

不论是哪种换热器的间接蒸发冷却器或是半间接式蒸发冷却器,都具有两个互不相通的空气通道,一般有两股气流同时经过冷却器的两个空气通道,它们互不接触[3]。这两股气流通常定义为一次空气 (产出空气)和二次空气 (工作空气)。

2.1 一次空气 (产出空气)

一次空气 (产出空气)指被冷却后送入房间供冷的空气。该空气可以是被处理新风也可以是被处理混合风,但大部分时候是来自室外的 100%新风[4]。正因为如此,术语 “一次空气”也经常被称为 “新风”、“一次风”等,但是这会和传统机械制冷里 “新风”混淆,所以,为了和机械制冷领域中术语 “新风”进行区别,将间接蒸发冷却器中的被处理空气称为 “一次空气”或 “产出空气”。

2.2 二次空气 (工作空气)

二次空气 (工作空气)指与水接触使其蒸发从而降低换热器表面温度以冷却一次空气 (产出空气)。同样,对于术语 “二次空气”也会有不同的称呼,如 “排风”、“二次风”等,如上所述,也是为了区别机械制冷中 “排风”的叫法,将间接蒸发冷却器中经直接蒸发冷却处理后的空气称为 “二次空气”或 “工作空气”。

该空气一般有四种不同的来源:(1)100%来自室外空气(新风),直接蒸发冷却后,排到室外;(2)来自室内回风,即吸收了室内余热余湿后的一次空气作为二次空气,一般室内回风中带有大量可利用的冷量,当用室内回风作为二次空气,回收这部分的冷量,则可以大大节约能量,可以取得很好的节能效益和环境效益,对减小设备也是可行的[5]。而且,用回风作为二次空气使用时,湿度相对来说不会太大。在间接蒸发冷却器中,利用室内回风作为二次空气的过程称为回收循环;(3)一次空气的一部分作为二次空气,在间接蒸发冷却器中,利用一部分一次空气作为二次空气的过程称为再生循环[6]。利用一部分一次空气作为二次空气的再生循环过程一般发生在露点式间接蒸发冷却器中。露点式间接蒸发冷却器与原有的板翅式、管式、热管式及转轮式间接蒸发冷却器所不同的是,一次空气通道的一次空气经预冷后部分可以经过换热器间壁上的穿孔进入二次空气通道,然后作为二次空气与水进行热湿交换。这样一次空气被预冷的程度越大,作为二次空气时与水热湿交换的基准温度就越低。所以露点式间接蒸发冷却器就是利用一次空气的干球温度与二次空气的露点温度之差来降温,降温的极限是一次空气的露点温度;(4)经过直接或间接蒸发冷却处理过的空气作为二次空气,这样可大大提高一次空气的降温幅度,同时可控制二次空气的进风参数,在要求比较高的场所使用。这种送风系统的优点是间接蒸发冷却器的效率高,但缺点是所花费的代价有所增大。

3 湿球效率和露点效率

间接蒸发冷却器的核心部件是空气—空气换热器[7]。目前,间接蒸发冷却器主要有板翅式、管式、热管式、转轮式及露点式。一般用来评价间接蒸发冷却器效率的评价指标为湿球效率和露点效率。

3.1 湿球效率

湿球效率既可用来评价间接蒸发冷却器效率,也可评价直接蒸发冷却器效率,下面通过分析,比较两种冷却器的湿球效率。

3.1.1 间接蒸发冷却器湿球效率

一次空气(产出空气)在整个过程的焓湿变化如图1所示,在这个过程中,用来评价间接蒸发冷却器冷却效果的评价指标,即可用来评价板翅式、管式、热管式、转轮式及露点式冷却器冷却效果[8],我们可以称之为“湿球效率”,即间接蒸发冷却器(段)一次空气(产出空气)进、出口干球温度差与一次空气(产出空气)进口干球温度、二次空气(工作空气)进口湿球温度差之比,反映了间接蒸发冷却器(段)制冷效率。单位:%。其计算公式为:

式中:ηIEC—间接蒸发冷却器 (段)湿球效率,%;

tg1、tg2—分别为间接蒸发冷却器(段)一次空气(产出空气)进口干球温度和出口干球温度,℃;

t′s1—间接蒸发冷却器 (段)二次空气 (工作空气)进口湿球温度,℃。

图1 间接蒸发冷却空气处理过程焓湿图

3.1.2 直接蒸发冷却器湿球效率

直接蒸发冷却器 (段)填料内的空气与水直接接触,使水分蒸发来冷却空气。这时由于水的蒸发,空气将会因不断地把自身的显热传递给水而得以降温,空气的显热转化为潜热,空气既得以降温,又实现了含湿量的增加,其焓值不变,这是一个绝热、降温、加湿过程[9]。空气的状态变化过程见图2,1点为空气处理前的状态,2点为空气处理后的状态。

对于直接蒸发冷却器 (段)填料的降温效果,通常采用蒸发冷却效率来描述其处理空气的完善程度,有时候我们也称之为湿球效率,即直接蒸发冷却器 (段)进、出口空气干球温度差与进口空气干、湿球温度差之比,其表达式为:

式中:tgw、tgo—分别为直接蒸发冷却器 (段)进口空气干球温度和出口空气干球温度,℃;tsw—直接蒸发冷却器 (段)进口空气湿球温度,℃。

3.2 露点效率

露点式间接蒸发冷却器是一种特殊的间接蒸发冷却器,一般间接蒸发冷却器的驱动势为一次空气(产出空气)干球温度与二次空气 (工作空气)湿球温度之差,而露点式间接蒸发冷却技术的驱动势是一次空气 (产出空气)干球温度与二次空气 (工作空气)露点温度之差,最终能提供干球温度比室外湿球温度低且接近露点温度的空气[10]。一次空气(产出空气)在整个过程的焓湿变化如图3所示,在这个过程中,是用露点效率评价指标来评价露点式间接蒸发冷却器冷却效果,当然上述所述湿球效率冷却效果性能评价指标同样可以用来评价露点式间接蒸发冷却器,只不过用露点效率评价指标更准确一些,因为对于露点式间接蒸发冷却器来说,

图2 直接蒸发冷却空气处理过程焓湿图

图3 露点式间接蒸发冷却空气处理过程焓湿图

计算出来的湿球效率往往大于1,而露点效率小于1,“露点效率”即露点式间接蒸发冷却器一次空气 (产出空气)进、出口干球温度差与一次空气 (产出空气)进口干球温度、一次空气 (产出空气)进口露点温度差之比,反映了露点式间接蒸发冷却器制冷效率。单位:%。其计算公式为:

式中:ηDIEC—露点效率,%;tg1、tg2—分别为露点式间接蒸发冷却器一次空气 (产出空气)进口干球温度和出口干球温度,℃;t′d1—露点式间接蒸发冷却器一次空气 (产出空气)进口露点温度,℃。

3.3 湿球效率和露点效率的区别与联系

直接蒸发冷却器和间接蒸发冷却器的冷却效率可以定义为湿球效率,不同的是对于直接蒸发冷却器冷却效率公式中,湿球温度指的是产出空气 (也就是间接蒸发冷却器中的一次空气)的湿球温度,而对于间接蒸发冷却器冷却效率公式中,湿球温度指的是工作空气 (二次空气)的湿球温度,而当间接蒸发冷却器的工作空气 (二次空气)和直接蒸发冷却器中产出空气来源相同时,二者的湿球温度在数值上是相等的。目前直接蒸发冷却器的湿球效率范围在70%～95%。这种系统因其结构简单、初投资和运行成本低已经被广泛应用;而间接蒸发冷却器的湿球效率范围在55%～75%甚至更高。

一些间接蒸发冷却器可以提供趋于其露点温度且低于一次空气 (产出空气)的湿球温度的空气,在此条件下,可以用露点效率评价冷却器冷却效率。如果用湿球效率评价此间接蒸发冷却器时,一般湿球效率大于1,而用露点效率则小于1。所以对于具体的间接蒸发冷却器和不同的要求,可以根据要求使用湿球效率或是露点效率。

4 结束语

风侧间接蒸发冷却空调技术 (冷风式间接蒸发冷却空调技术)是间接蒸发冷却空调技术中的一种重要的技术,经过十年多的发展,风侧间接蒸发冷却空调产品在我国已形成一定的规模,产品已形成系列化。本文通过对风侧间接蒸发冷却空调技术中核心的几个术语进行探讨,浅析了一次空气(产出空气)和二次空气(工作空气),并比较归纳了湿球温度和露点温度的概念,指出湿球效率这一概念既可以用于评价直接蒸发冷却器的冷却效率也可以用于评价间接蒸发冷却器的冷却效率,明确了湿球效率的使用用法,此外,也指出了湿球效率和露点效率的不同之处,可以根据间接蒸发冷却器的冷却程度,选择湿球效率评价指标或露点效率评价指标。

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