高压微雾与湿膜直接蒸发冷却降温特性的研究

周 敏 侯占魁

(中国建筑西北设计研究院有限公司，陕西 西安 710018)

·水·暖·电·

高压微雾与湿膜直接蒸发冷却降温特性的研究

周 敏 侯占魁

(中国建筑西北设计研究院有限公司，陕西 西安 710018)

介绍了高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统的原理，通过理论计算和实验测试，得出了几种主要因素对这两种直接蒸发冷却系统的影响规律，并验证了高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统的适用性和经济效益，对比分析了高压微雾与湿膜直接蒸发冷却系统的性能，得出了它们降温特性之间的区别与联系。

直接蒸发冷却，高压微雾，湿膜，适用性，节能效率，经济效益

0 引言

蒸发冷却是一项利用水蒸发吸热制冷的技术。由于蒸发冷却空调可以最大限度地使用室外新风，而且在合理应用的条件下基本可以满足舒适性空调的要求，同时具有能效比高、空气品质好、设备构造简单、降温迅速以及不破坏臭氧层等特点，是集绿色、节能、环保、健康于一体的空调方式，因此倍受青睐。

本文以高效节能的高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统为研究对象，即对当前安装有高压微雾或湿膜加湿装置的全空气系统，根据建筑物的冷负荷特点和室外气象参数特点来调整加湿装置的开启和关闭时间或在未安装有加湿装置的全空气系统中加入高压微雾或湿膜加湿装置，进行简易的直接蒸发冷却，既可以缩短冷机的开启时间又能达到对加湿装置综合利用的目的，降低建筑物的能耗，同时，该系统是一个可持续发展的空气处理系统。本文探讨了高压微雾和湿膜直接蒸发冷却的热质交换规律。通过理论计算和实验测试，得出了几种主要因素对直接蒸发冷却系统的影响规律，并验证了高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统的实际性能和适用性。

参照常规机械制冷系统的经济性能评价方法，初步地给出了一种直接蒸发冷却系统经济性能的计算方法，结合有效供冷的理念和有效供冷量表对某一具体工程中应用直接蒸发冷却系统代替常规机械制冷系统所带来的经济效益进行了计算，结果表明直接蒸发冷却系统的节能潜力巨大，经济性能相当可观。并且以陕西省的西安市、榆林市和延安市为例，结合《中国建筑热环境专用气象数据集》中典型年的全年逐时气象数据，给出了直接蒸发冷却系统在这三个地区的推荐运行时间及不保证时间，并以某一典型建筑为例评价了该系统的节能效率及经济效益。

1 高压微雾与湿膜直接蒸发冷却技术简介

1.1 直接蒸发冷却热质交换的基本过程

空气与水膜或水滴接触的热质交换发生在水膜或水滴的表面。空气与水之间的热量传递是显热交换和潜热交换共同作用的结果。当水膜或水滴的温度不同时，潜热交换发生或显热交换与潜热交换同时发生都是有可能的。显热与潜热交换的代数和即为总的热交换量。直接蒸发冷却过程是空气与水直接接触的传热和传质过程，其热湿交换过程与大自然中的空气与江河湖泊中的水表面热湿交换过程类似，大致可分为直接淋水式蒸发冷却和填料式蒸发冷却两种。

1.2 高压微雾与湿膜直接蒸发冷却的热质交换原理与计算方法

高压微雾直接蒸发冷却系统的工作原理是通过柱塞泵将净化处理过的水加压到7 MPa左右后通过连接水管输送到喷嘴，因为喷嘴的直径很小，水从喷嘴喷出后立即雾化，以3 μm～10 μm的微雾喷射出去，喷出的水雾吸收空气中的热量后蒸发为水蒸气。空气由于显热量的失去而导致干球温度降低，而同时空气的含湿量和潜热量都增大。由上面的分析得知，当水温等于空气的湿球温度时，该过程为一等焓过程，空气失去的显热量等于得到的潜热量，总热量保持不变。

高压微雾直接蒸发冷却结构示意图见图1。

高压微雾直接蒸发冷却系统中，空气与水的热湿交换过程比较复杂，影响其热质交换效率的因素也很多，例如空气的质量流速、喷水系数、喷水室的结构特性、空气与水的初终状态参数等，因此很难用纯理论计算的方法确定热湿交换的性能参数，我们只能采用实验的方法。就是对某一结构和空气处理过程的高压微雾喷水室进行实验，对大量实验数据进行拟合，得到经验公式，从而来指导这种系统的设计和应用。

湿膜填料式直接蒸发冷却系统中，空气与水的直接接触是通过填料来进行的。淋水依靠重力从填料的上部流下，填料良好的吸水性能使其表面具有很好的湿润性。这样，空气与水在填料的湿润表面上进行充分的热湿交换。

湿膜直接蒸发冷却结构示意图见图2。

影响湿膜填料式直接蒸发冷却系统效率的因素也很多，例如填料种类、厚度及内部结构、迎面风速、淋水量和空气进出口的状态参数等。当前，对于湿膜填料式直接蒸发冷却系统来说，已经有比较完整的热工计算方法，可以通过计算得到出口空气的干球温度、含湿量以及直接蒸发冷却效率等，这里不再赘述。

2 高压微雾与湿膜直接蒸发冷却的实验研究

2.1 高压微雾直接蒸发冷却实验研究

1)实验台简介。

实验台如图3所示。

本实验通过改变空气的质量流速、入口空气的状态参数、喷嘴密度、喷水方向和喷淋排管距挡水板的距离，测试其对高压微雾直接蒸发冷却系统的热湿交换效率影响。需要测试的物理量包括：入口和出口空气的干球温度及相对湿度、空气的质量流速。实验主要测试仪器和设备包括：a.EE-16型空调用温湿度传感器；b.AI-702M型空气温湿度测量显示仪；c.A4201数字式风速仪等。

2)实验结果整理与分析。

a.迎面风速对进出口干球温差的影响见图4。

数据分析：随着风速的增加，进出口干球温差降低，以图4a)为例，当进口空气的干球温度为30 ℃，相对湿度为50%时，风速为2.0 m/s时的温降为7.2 ℃，风速为2.5 m/s时的温降为7.0 ℃，风速为3.0 m/s时的温降为6.8 ℃。

b.迎面风速对直接蒸发冷却效率的影响见图5。

数据分析：随着风速的增加，直接蒸发冷却效率降低，以图5为例，当进口空气的干球温度为30 ℃，相对湿度为50%时，风速为2.0 m/s时的效率为90%，风速为2.5 m/s时的效率为88%，风速为3.0 m/s时的效率为85%。

从上面的数据统计还可以得出：喷排距挡水板的距离、喷嘴密度和喷水方向对高压微雾直接蒸发冷却性能的影响规律，这里不再单独绘制图表。

2.2 湿膜直接蒸发冷却实验研究

1)实验台简介。

实验台如图6所示。

本实验通过改变空气的质量流速、入口空气的状态参数、填料种类及厚度等，测试其对湿膜直接蒸发冷却系统的热湿交换效率影响。需要测试的物理量包括：入口和出口空气的干球温度及相对湿度、空气的流速和过流阻力。实验主要测试仪器和设备包括：a.EE-16型空调用温湿度传感器；b.AI-702M型空气温湿度测量显示仪；c.A4201数字式风速仪；d.S2000系列压差表等。

2)实验结果整理与分析。

a.填料厚度对湿膜直接蒸发冷却性能的影响(有机湿膜)。

数据分析：当填料的厚度逐渐增加时，出口空气相对湿度、进出口空气干球温差和直接蒸发冷却效率也升高；如图7～图9所示，当进口空气的干球温度为30 ℃，相对湿度为50%，风速为2.5 m/s时，100 mm，200 mm和300 mm厚的有机湿膜的出口相对湿度分别为87%，96%和99%，温差分别为5.9 ℃，6.9 ℃和7.2 ℃，效率分别为73%，86%和89%。

b.填料厚度对湿膜直接蒸发冷却性能的影响(无机湿膜)。无机湿膜的实验数据见图10～图12。

c.迎面风速对湿膜过流阻力的影响见图13。

从上面的数据统计还可以得出：迎面风速、入口空气干球温度和相对湿度、湿膜种类等对湿膜直接蒸发冷却性能的影响规律，这里不再单独绘制图表。

3 高压微雾与湿膜直接蒸发冷却空调系统的经济性能评价

1)高压微雾与湿膜直接蒸发冷却空调系统经济性能评价指标[1]。

参考常规空调系统的能效比EER，我们也采用EER来衡量直接蒸发冷却系统的经济性能。

其计算公式为：

(1)

式中：EER——按常规制冷模式计算的直接蒸发冷却空调的能效比；

Ma——空气的质量流速，kg/s；

Δtin-out——空气的进出口干球温差，℃；

Cp——空气的比热，kJ/(kg·℃)；

W——每小时耗电量，kW。

2)有效供冷与有效供冷量表。

直接蒸发冷却的EER仅仅是表征最初机器冷却空气的性能，而不是用这种空气冷却房间或建筑物的性能。一般来讲，直接蒸发冷却的送风温差比常规的机械制冷送风温差小，因此在同等情况下要求的送风量就要增大，相应的冷风在输送的过程中冷量损失也就会变大。空气从直接蒸发冷却系统获得的冷量并不等于最后从被冷却房间去除掉的显热量，因为存在很大一部分的冷量损失，所以用于房间的净供冷量小于直接蒸发冷却系统的输出冷量。经国内外专家和学者多年来的潜心研究，绘制出了有效供冷表，它表征直接蒸发冷却系统中输出的冷量中有效供冷量的百分数，这个百分数与室外的干湿球温差和室内的洗涤后空气温升有关，如表1所示。

表1 直接蒸发冷却系统输出冷量中有效供冷量百分数[1]

3)直接蒸发冷却空调系统在某个工程中经济性能评价举例。

下面我们试着以一个具体工程为例，借助有效供冷量百分数表，计算直接蒸发冷却系统的能耗，并将计算结果与常规的机械制冷系统的能耗进行对比，从而获得直接蒸发冷却系统的经济性能。假定我们已知新疆克拉玛依市的一个会议厅的显热冷负荷。常规的机械制冷能效比EER=10.5，取15%的冷量损失[1]。该市所在地区供冷期平均干湿球温差为13.5 ℃，某直接蒸发冷却系统的能效比EER=96，克拉玛依市的干湿球温差设计值为16.1 ℃，送风温差经综合考虑后取为7.2 ℃，由表1可以查得有效制冷量约为56%，则计算如下：

常规机械制冷：

EER′=EER×(1-15%)=10.5×85%=8.93

(2)

直接蒸发冷却制冷：

(3)

节能量：

(4)

直接蒸发冷却系统的节能效果很明显，而且其结构简单，初投资和相应的设备维护费用也不高。

4)以陕西某地区全年气象参数为例对直接蒸发冷却空调系统进行经济性能评价并给出运行时间与节能效率。

运行时间的确定。由于直接蒸发冷却系统的运行效果受室外气象条件的影响，那么我们就应该首先分析一下西安地区的全年气象参数，其中包括：室外空气的干湿球温度和相对湿度等。西安地区的全年室外空气干球温度统计图如图14所示[2]。

由图14的气象统计规律可得，中央空调系统应该从大约5月15日到9月15日这四个月内的常规工作时间里运行，对建筑物进行供冷。在5月，6月和9月的空调季里出现最多的室外气象参数是30 ℃，35%和33 ℃，30%，当然也会出现温度稍低相对湿度稍高或温度稍高而相对湿度稍低的情况，这里只取以上所述两种参数作为代表。当室外空气参数为30 ℃，35%时，由标准焓湿图计算可得其湿球温度为18.9 ℃。此时，如果采用湿膜直接蒸发冷却系统，选取实验中所测试的有机湿膜，厚度取为200 mm，入口干球温度为30 ℃，迎面风速取为2.5 m/s，此时的直接蒸发冷却效率在85%左右，经等焓降温后处理，最后计算可得出口空气的干球温度大约为20.6 ℃，相对湿度约为85%。然后将20.6 ℃，85%的空气送入室内，吸收室内的显热，空气的温度升高而相对湿度降低，当空气达到室内的设计参数时，例如26 ℃，65%时，将空气通过排风机排至室外。在这个过程中，洗涤后空气温升为5.4 ℃,满足要求。如果室内的热湿比很大，当洗涤后空气达到26 ℃时，相对湿度在60%左右，更加的舒适。

同理，当室外空气的参数为33 ℃，30%时，取实验用200 mm厚有机填料，迎面风速2.5 m/s，此时湿膜直接蒸发冷却的效率在90%左右，经计算可得处理后的空气参数约为21.2 ℃，89%。然后将21.2 ℃，89%的空气送入室内，吸收室内的显热，空气的温度升高而相对湿度降低，当空气达到室内的设计参数时，例如26.5 ℃，65%时，将空气通过排风机排至室外。在这个过程中，洗涤后空气温升为5.3 ℃,满足要求。当温度稍低相对湿度稍高或温度稍高而相对湿度稍低时，此直接蒸发冷却系统也是完全可以满足要求的，这里不再重复。当然，采用300 mm厚度的有机填料或200 mm厚度的无机湿膜，迎面风速也取为2.5 m/s时，其出口干球温度会更低，而出口相对湿度和直接蒸发冷却效率会更高，但是要注意空气出口空气的相对湿度值的范围。而如果采用高压微雾直接蒸发冷却系统，适当的调整迎面风速和喷嘴密度(选择性的关闭一些喷嘴)，可以达到与湿膜直接蒸发冷却系统相同的冷却效果。

由上面的分析和计算可知，对于西安市来说，5月中下旬、6月和9月上中旬的将近两个月时间内可以采用直接蒸发冷却系统代替机械制冷系统，而7月和8月中的绝大多数时间里空气的干球温度和相对湿度都较高，不建议采用直接蒸发冷却系统。

陕西的榆林市和延安市的气候条件更加适合直接蒸发冷却系统的应用。根据《中国建筑热环境专用气象数据集》中典型年的气象数据，榆林的供冷期大约为5月25日～8月25日的三个月时间，在榆林地区的大型综合体建筑中可以用直接蒸发冷却系统代替传统的机械制冷系统，不保证天数不超过10 d。而延安地区的供冷期大约为5月10日～9月10日这四个月时间，其中5月10日～6月30日和9月1日～9月10日这两段时间内直接蒸发冷却系统基本可以保证对空气的冷却效果，不保证天数不超过10 d，而在7月和8月的两个月时间内，可以保证7月中有将近半个月的时间达到冷却效果，8月中也有将近半个月的时间达到冷却效果，机械制冷系统只需要在不保证的时间段内开启，大概只需要开启1个月左右的时间。可见，在陕西省北部的榆林市和延安市应用直接蒸发冷却系统的节能效果和经济效果是相当明显的。

4 结语

本文以高效节能的高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统为研究对象，通过理论计算和实验测试，得出了几种主要因素对这两种直接蒸发冷却系统的影响规律，并验证了高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统的实用性和经济效益。主要结论如下：

1)分别对高压微雾和湿膜蒸发冷却系统进行了实验研究。通过对影响因素的分析，得出本次高压微雾系统热工性能的主要影响因素为空气的质量流速、入口空气的状态参数、喷嘴密度、喷水方向和喷淋排管距挡水板的距离，而本次湿膜直接蒸发冷却系统热工性能的主要影响因素为进口空气干球温度和相对湿度、填料厚度、迎面风速和填料的材料。

2)对于高压微雾系统来说，随着进口空气干球温度的升高、相对湿度的降低、喷嘴密度的增大、喷排间距的增加和迎面风速的减小，出口空气的相对湿度、进出口空气的温差和直接蒸发冷却效率都呈现上升的趋势，而逆喷比顺喷的热工性能稍微好一点。例如当进口空气的干球温度为30 ℃，相对湿度为50%时，风速为2.0 m/s，2.5 m/s和3.0 m/s时的温降分别为7.2 ℃,7.0 ℃和6.8 ℃，直接蒸发冷却效率分别为90%，88%和85%(此处只列举了实验中部分工况的实验数据)。

3)对于湿膜系统来说，随着进口空气干球温度的升高、相对湿度降低、填料厚度的增加和迎面风速的减小，出口空气的相对湿度、进出口空气的温差和直接蒸发冷却效率都呈现上升的趋势，而在其他条件相同的情况下，无机填料比有机填料的降温和加湿性能更加的优越，但是空气的过流阻力较大。例如当进口空气的干球温度为30 ℃，相对湿度为50%，迎面风速为2.5 m/s时，100 mm，200 mm和300 mm厚的有机湿膜的出口相对湿度分别为87%，96%和99%，进出口干球温差分别为5.9 ℃，6.9 ℃和7.2 ℃，直接蒸发冷却效率分别为73%，86%和89%(此处只列举了实验中部分工况的实验数据)。无机填料与有机填料相比，出口空气的相对湿度、进出口空气的干球温差和直接蒸发冷却效率都比较大，而且过流阻力也较大。就直接蒸发冷却的性能来看，300 mm厚的有机填料与200 mm厚的无机填料相当，而200 mm厚的有机填料与100 mm厚的无机填料相当。

4)初步的给出了一种高压微雾与湿膜直接蒸发冷却系统经济性能的计算方法，并且以陕西省的西安市、榆林市和延安市为例，结合《中国建筑热环境专用气象数据集》中典型年的全年逐时气象数据，给出了直接蒸发冷却系统在这三个地区的推荐运行时间和不保证时间，并以某一典型建筑为例评价了该系统的节能效率及经济效益，再次证明了高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统具有巨大的节能效果与经济效益。同时，也给出了今后在设计和应用此系统时的分析和计算方法，其中包括推荐的运行时间和不保证时间的确定方法，为进一步推广高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统的应用起到了一定的作用。

[1] 张 丹，黄 翔.关于直接蒸发冷却空调经济性能的评价[J].制冷空调与电力机械，2005，26(5)：57-59.

[2] 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

Research on high-pressure micro fog and wet film direct evaporating cooling features

Zhou Min Hou Zhankui

(ChinaNorthwestArchitectureDesignandResearchInstituteCo.,Ltd,Xi’an710018,China)

The paper introduces the principle for the high-pressure micro fog and wet film direct evaporating cooling, and obtains the influence low of several main factors in the two kinds of direct evaporating cooling system through the theoretical calculation and experiment test, proves its adoptability and economic benefits, compares and analyzes its performance, and concludes the differences and relationship between their cooling features.

direct evaporating cooling, high-pressure micro fog, wet film, adoptability, energy-saving effect, economic benefits

1009-6825(2015)07-0107-05

2014-12-22

周 敏(1963- )，男，教授级高级工程师； 侯占魁(1986- )，男，工程师

TU831

A