復合式露點間接蒸發冷卻空調機組的應用研究與優化設計

屈悅瀅 黃 翔 趙 娟 楊立然

復合式露點間接蒸發冷卻空調機組的應用研究與優化設計

屈悅瀅 黃 翔 趙 娟 楊立然

（西安工程大學 西安 710048）

隨著露點蒸發冷卻空調技術的進步，露點間接蒸發冷卻空調機組的應用范圍擴大。尤其在我國一些干燥地區甘肅、陜西等地得到實際應用。介紹了復合式露點間接蒸發冷卻空調機組在我國不同地區應用的工程實例，通過對機組運行期間的測試對比，總結了目前露點間接蒸發冷卻空調機組存在的問題，提出優化方案，以期為后來的應用提供價值參考。

復合式露點；蒸發冷卻；測試；優化設計

0 引言

2003年，美國Dr. Valerij Maisotsenko首次提出M循環理論。其核心是一種穿孔叉流板式蒸發冷卻器，屬于一種間接蒸發冷卻器。理論上，M循環可以將任何氣體和液體冷卻到接近露點溫度。與傳統的間接蒸發冷卻器相比，這是它的最大優勢[1]。目前，隨著蒸發冷卻技術的應用范圍與領域越來越廣泛，國內外相關專家、學者通過對露點間接蒸發冷卻的數學模型與數值模擬、試驗、材料、產品等的深入研究[2]表明，露點蒸發冷卻技術在制冷空調、建筑節能領域有著巨大的應用前景。

復合式露點間接蒸發冷卻器將叉流式露點間接蒸發冷卻與直接蒸發冷卻相結合，劉佳莉等對復合式露點間接蒸發冷卻空調機組在干燥工況和高濕工況的二/一次風量比、淋水量、耗電量等參數進行了試驗分析[3,4]，張鴻等主要對復合式露點間接蒸發冷卻器的間歇性噴水時間、耗水量等性能參數進行試驗分析[5]。但都沒有展開對復合式露點間接蒸發冷卻空調機組的實際應用研究，實際工程中機組及功能段出現的問題是解決露點間接蒸發冷卻空調機組推廣應用的關鍵所在，只有對實際中出現的問題進行詳細的分析，針對性的提出如何優化的方案，并進行改善才能對蒸發冷卻空調技術的發展有長遠的幫助。

1 復合式露點蒸發冷卻空調機組結構原理

室外新風通過過濾段后，首先進入露點間接蒸發冷卻器的干通道，一部分氣流通過孔口進入另一側的濕通道，濕通道中空氣和噴淋水在水蒸氣分壓力差的驅動勢下進行熱濕交換，不同的孔口進入不同狀態的空氣，實現能量的梯級利用，干通道側的空氣濕球溫度不斷降低，作為產出氣流沿著芯體向前運動，由于芯體末端密封，最終全部通過孔口進入濕通道，同時與噴淋水進行熱濕交換再次降溫[6]。

2 復合式露點蒸發冷卻空調機組性能測試分析

2.1 試驗測試性能分析

2.1.1 試驗測試概況

測試地點為福州，夏季室外空調計算干球溫度36℃，計算濕球溫度28.1℃，屬高濕度地區，測試期間有降雨。

2.1.2 溫濕度測試

圖3 6月23日測試結果

圖4 6月27日測試結果

圖5 6月28日測試結果

圖6 6月29日測試結果

圖7 6月30日測試結果

測試數據如表1、2。可見機組送風溫度低于進風的濕球溫度，同時機組平均溫降為5.78℃，平均效率為108%，滿足設計要求。含濕量平均增加1.12g/kg，可見送風的實際加濕能力小。

表1 測試數據匯總表

表2 測試數據匯總表

2.1.3 風量測試

測試期間，對每一個送風口用風量罩進行了測量，測試數據經過多次測量取平均值。而進風口實測風速約5.5m/s，計算得送風量為6375m3/h，滿足進風口風量=總的送風風量+排風口風量。同時，機組排風量與送風量的比值為0.6。

2.1.4 風壓測試

測試期間，對機組不同斷面的風壓的測試表明，進風口與送風口壓差為550Pa，進風口與排風口的壓差為280Pa。

2.1.5 不同排風量與進風量對比測試

前面的測試排風量與送風量之比基本維持在0.6，下面針對不同的排風量與進風量對機組進行測試，測試結果如表3所示。

表3 不同排風量與進風量比值對比表

為了使測試更加準確，控制機組進風口的干、濕球溫度相差不大，因此當排風量與送風量的比值在0.4～0.7之間時，濕球效率比較高，在0.5左右時效果最佳。

2.2 工程應用測試性能分析

2.2.1 陜西楊凌某工業車間

（1）工程概況

該廠房面積4900m2，共三層，層高6.5m，采用通風換氣機通風換氣。因該車間生產工藝原因，導致車間濕度較大，因此設計要求僅需要夏季制冷，要求夏季室內溫度32℃，相對濕度60%。采用32臺復合式露點間接蒸發冷卻空調機組為廠房通風降溫，每臺機組設計風量15000m3/h。

（2）測試性能及分析

7月13日，在室外平均溫度37℃，相對濕度53.1%，出風溫度27.9℃的條件下，機組溫降10.7℃，室內工作區溫度31℃，相對濕度51%，含濕量增加5.5g/kg，滿足人體舒適性要求。由于機組風閥處于調試中，導致機組平均效率僅能達到86%，正常情況下效率應在110%以上，溫降可達13℃。

7月24日，西安處于極端高溫天氣，室外平均溫度在40℃以上，逼近45℃，相對濕度為40%左右。僅開啟露點間接蒸發冷卻段，實測顯示機組溫降可達8℃。表明在極端工況下，機組性能保持良好。經計算若開啟直接蒸發冷卻段，機組溫降可達15℃以上。

2.2.2 陜西興平市某食品廠

（1）工程概況

該廠房共2層，每層面積150m2，一層為加工車間，二層為儲備間。該廠房設備發熱量大、粉塵濃度高，需較大風量甚至全新風模式的空調系統來滿足室內降溫和通風要求，其對濕度要求不高，采用5臺風量為20000m3/h的露點間接蒸發冷卻空調機組和2臺風量為50000m3/h的蒸發式冷氣機為廠房通風降溫。

（2）測試性能及分析

7月30日，在室外溫度32℃，相對濕度53%的條件下，機組平均的出風溫度22.2℃，相對濕度93.9%，溫降8℃，機組效率113%，室內崗位工作區的溫度25.7℃，相對濕度75.8%，機組降溫幅度較理想，同時平均含濕量增加0.8g/kg，滿足廠房對溫濕度的要求。

圖9 7月30日測試結果

2.2.3 甘肅省敦煌市某機場

（1）工程概況

該工程所用露點蒸發冷卻空調機組在公安、食堂、值班綜合用房工程，總建筑面積4203m2。測試機組風量分別為10000m3/h、20000m3/h，前者為食堂操作間供冷，后者為食堂就餐區供冷。在今年最熱時間段，敦煌市室外空氣溫度已超45℃，室外空氣相對濕度在20%左右，空氣極度炎熱干燥，蒸發冷卻技術在敦煌機場的使用具有很大優勢。

（2）測試性能及分析

8月20日，分別對兩臺露點蒸發冷卻空調機組進行測試。在室外空氣溫度33℃，相對濕度29%的條件下。10000m3/h風量的機組平均進風溫度24℃，相對濕度30%，查得相對應時間段的進風平均濕球溫度14℃，露點溫度溫度平均僅為6.4℃。在相同時間下，機組的平均出風溫度13℃，平均相對濕度85%，計算得機組效率110%，且機組的出風含濕量8.14g/kg，增加2.1g/kg，盡管機組已對空氣加濕，但敦煌空氣干燥，機組的平均溫降11.43℃，降溫效果很好。

與10000m3/h風量機組相比，20000m3/h風量機組運行效果不夠理想，在進風參數幾乎相同的情況下，平均溫降7.5℃，平均出風溫度17.2℃，平均露點溫度溫度11.1℃，機組平均冷卻效率70%。主要因為該機組當時處于調試階段，由機組本身所造成。同時機組出風的平均含濕量9.3g/kg，滿足室內的降溫需求。

3 復合式露點蒸發冷卻空調機組的優化改進

3.1 機組優化改進措施

（1）關于排風量與進風量比值對機組冷卻效率影響問題

通過對不同地區相同機組的排風量與送風量之比對機組效率的影響做對比，發現其排風量與送風量的比值對機組效率有很大影響，結果如表4。露點蒸發冷卻空調機組排風量與送風量比值在0.4～0.7之間時，機組濕球效率較高，排風量與送風量比值在0.5左右時效果最佳，故機組在運行時，應控制其風量比在合理范圍內。同時也驗證了在福州對機組不同的排風量與進風量對機組效率影響的測試結論。

表4 不同地區機組排風量與送風量的比值與機組效率

（2）關于機組出風濕度較大問題

由于機組采用復合式露點蒸發冷卻芯體，一次空氣出風存在降溫加濕過程，在干燥地區一般可滿足要求。對室內環境濕度有一定要求的場所，可為機組配置自動監控系統。通過檢測到室內濕度的高低，選擇性開啟直接蒸發冷卻段，自動控制機組加濕量。

（3）關于機組阻力較大問題

測試發現，對于送風段采用壓入式風機，進風量基本滿足設計要求。由于露點蒸發冷卻芯體孔道較小，且進風流道彎折較多，當大量空氣進入時，阻力較大。因此，需改進芯體材料，增大一次空氣與二次空氣之間的空洞尺寸，降低流道阻力。

（4）關于芯體高度對冷卻效率影響問題

蒸發冷卻效率受到露點芯體高度影響較大，且隨著高度增加而增加。試驗證明當芯體高度為0.8m時，冷卻效率高達120%，還應考慮設備體積及空氣阻力等影響因素，當芯體過大時，空氣阻力、風機的能耗和噪聲也會明顯加大。

（5）關于工作空氣在芯體內的流動速度大小問題

工作空氣在芯體內的流動速度對冷卻器外表面熱質交換系數有重大影響。試驗研究發現，選取合適的迎風斷面流速可保證機組效率：當工作空氣流速過小，設備體積變大且造價成本高；當工作空氣流速過大，換熱器效率低且阻力加大。若想其熱質交換效率最佳，流速一般為4.0～6.0m/s。

（6）關于布水器噴嘴類型的影響

不同噴嘴的霧化程度不同，致其淋水密度不同，對芯體表面水膜的形成有著直接影響，從而影響其換熱器的換熱效率。因此，應設計選擇合理的布水器或采用新型布水方式，如高壓微霧式布水器。

3.2 送排風系統的優化

（1）在不同地區，機組的進風段采用不同的過濾網，防止空氣中的顆粒物對機組內部損害，同時也可以減少壓入式風機的送壓阻力，確保各個功能段的穩定。

（2）設計合理的送、排風系統，嚴格計算風管的壓力和壓降，盡量使每個風口的送風量和風速基本保持一致，保證室內氣流組織均勻和壓力均衡，且正確布置排風口，加大排風量，使室內的溫濕度達到要求。

4 結論

（1）在高濕度地區福州某廠房的試驗測試發現，機組運行良好，具有較好的降溫效果。晴天平均溫降達7℃，在陰雨天也有4℃溫降，機組效率可達110%，最高達120%。空氣含濕量21g/kg，機組平均加濕量僅1g/kg，滿足室內環境需要。此外，對不同排風量與進風量對比測試，得出其比值在0.5左右時機組冷卻效率最佳。

（2）在中等濕度地區陜西楊凌、興平某廠房測試發現：①機組全面開啟時，該機組降溫在7～11℃，濕球效率在110%左右，最高可達120%。機組關閉直接蒸發冷卻段時，溫降在8℃左右。②在楊凌測試處于極端高溫天氣，室外平均溫度逼近45℃，相對濕度40%，機組出風含濕量平均增加5.5g/kg，濕度較大。而在興平測試時，室外平均溫度32℃，相對濕度53%，出風含濕量平均增加僅0.8g/kg。

（3）在干燥地區敦煌某機場測試發現：室外平均溫度33℃，相對濕度29%時，機組降溫顯著，機組平均溫降11.43℃、平均濕球效率110%，與陜西地區一樣，含濕量增加為2.1g/kg，敦煌地區整體平均含濕量僅為6g/kg，因此露點蒸發冷卻空調機組在干燥地區應用效果更加明顯。在陜西半干旱地區，降溫效果良好，但對工業生產場所有嚴格的濕度要求時，需控制濕度。有關研究表明，當單獨使用蒸發冷卻無法滿足要求時，可輔助機械制冷，蒸發冷卻全年節能約達到40%～80%[10]。

（4）露點蒸發冷卻空調商業化產品主要為產出介質為冷風的空調機組或者新風機組。其冷卻效率高，降溫幅度大。在測試條件下濕球效率和露點效率可以達到預期要求，在實際應用時，通過不斷優化改進，可實現顯著的節能效果。

（5）通過機組本身和送排風系統優化改進的相關措施，提出露點間接蒸發冷卻空調機組的優化方案，相比傳統機械制冷空調系統，露點間接蒸發冷卻空調的送風濕度還是較大，因此必須設計合理的送排風系統。若采取這些改進措施對該類機組和系統進行優化，則能夠更好的將機組進行進一步推廣和使用。

[1] 黃翔.蒸發冷卻空調原理與設備[M].北京:機械工業出版社,2019:9-10.

[2] 褚俊杰.聚合物-多孔陶瓷復合膜露點間接蒸發冷卻器理論與實驗研究[D].西安:西安工程大學,2018.

[3] 劉佳莉,黃翔,韓正林,等.干燥工況下新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組的試驗研究[J].流體機械, 2015,43(3):52-57.

[4] 劉佳莉,黃翔,孫哲,等.新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組的試驗研究[J].流體機械,2014,42(5):61-66.

[5] 張鴻.露點間接蒸發冷卻器傳熱效能關鍵影響因素的研究[D].西安:西安工程大學,2019.

[6] 王文博.露點蒸發冷卻空調機組在干燥地區的優化設計及應用研究[D].西安:西安工程大學,2018.

[7] 杜生生.蒸發冷卻在西北干燥地區機場的應用研究[D].西安:西安工程大學,2018.

[8] 劉佳莉.新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組在住宅建筑的應用研究[D].西安:西安工程大學,2015.

[9] 黃凱新,黃翔,嚴政,等.復合式露點間接蒸發冷卻空調機組在敦煌機場某食堂的應用[J].制冷與空調,2019, 19(3):52-56.

[10] 楊立然,黃翔,賈曼,等.蒸發冷卻與機械制冷協同耦合空調機組探討[J].制冷與空調,2018,32(1):7-13.

Research and Development of Compound Dew Point Indirect Evaporative Cooling Air Conditioning Unit Optimal Design

Qu Yueying Huang Xiang Zhao Juan Yang Liran

( Xi'an Polytechnic University, Xi’an, 710048 )

With the development of dew point evaporative cooling air conditioning technology, the application range of dew point indirect evaporative cooling air conditioning unit is expanded. Especially in some dry areas of Gansu, Shaanxi and other places in China. This paper introduces the engineering examples of the application of compound dew point indirect evaporative cooling air conditioning unit in different areas of China. Through the test and comparison of the unit during operation, it summarizes the existing problems of the current dew point indirect evaporative cooling air conditioning unit, and puts forward the optimization scheme, in order to provide value reference for the later application.

combined dew point; evaporative cooling; test; optimal design

TU831.5

A

1671-6612（2020）05-517-07

“十三五”國家重點研發計劃項目（編號：2016YFC0700404）；西安市科技計劃項目（2020KJRC0023）；西安工程大學研究生創新基金項目資助（編號：chx2020039）

屈悅瀅（1995.01-），女，在讀碩士研究生，E-mail：530037889@qq.com

黃 翔（1962.07-），男，教授，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2019-11-08