多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器與其他間接蒸發冷卻器（IEC）的性能比較

王 鑫 孫鐵柱 王 祺

（西安工程大學城市規劃與市政工程學院 西安 710600）

0 引言

蒸發冷卻空調技術是一種節能環保的空調技術，間接蒸發冷卻是目前蒸發冷卻空調技術實現等濕冷卻的唯一方式。Tulsidasani 等[1-3]研究了安裝多功能換熱器的非空調建筑的熱工性能；Brooks 和Field 等研究了一種用于制取冷風的交叉流式間接蒸發冷卻器[4]。Ren 開發并研究了一種水平/逆流式間接蒸發冷卻器[5]。趙旭東等對一種新型逆流露點IEC 進行了數值模式分析[6]，并研究過無紡布、植物纖維等作為露點間接蒸發冷卻器材料的性能；Duan Zhiyin 等開發一個新的逆流IEC 傳熱/傳質換熱器，可提供接近露點溫度的送風[7]。Riangvilaikul等對薄膜棉片與聚氨酯材料制作的逆流露點間接蒸發冷卻器進行了實驗研究。Lee 等對鋁質材料制成的逆流IEC 進行了數值和實驗研究。以上所研究的IEC 制作材料為鋁箔、薄膜棉片與聚氨酯等材料，且形式多為板翅式而非管式。

本課題組黃翔、樊麗娟等人研究過金屬鋁作為管式間接蒸發冷卻器材料的性能[8,9]；毛秀明、劉小文等人研究了多孔陶瓷填料和露點間接蒸發冷卻器的測試，但沒有以多孔陶瓷作為材料制作管式間接蒸發冷卻器，并對其進行實驗及數值模擬等研究。

為了改善目前間接蒸發冷卻器的親水性，提高冷卻器的濕球效率，并實現間歇式布水，降低循環水泵能耗。因此本文采用吸水性較好的新型多孔陶瓷材料制作管式間接蒸發冷卻器，利用其豐富的比表面積來增大水膜與工作空氣的接觸面積；利用其較好的吸水性快速蓄水，實現間接蒸發冷卻器的間歇性淋水，縮短循環水泵運行時間。從而使間接蒸發冷卻的冷卻效率提高和能耗降低，擴大蒸發冷卻空調技術在實際工程中的應用范圍。

1 多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器及評價指標

1.1 多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器實驗樣機規格

根據目前工程上采用的金屬多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器的管間距管徑標準，來確定本樣機的相應參數；因多孔陶瓷材料的易碎性，其管長不宜超過1 米。其詳細參數如下：

（1）選用 Φ 30 ×5 的多孔陶瓷管，管內表面為密閉不可滲透多孔陶瓷膜，目的是阻止水分滲透到管內，保證管內產出空氣等濕冷卻。

（2）多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器豎直方向共有17 排多孔陶瓷管，奇排管為18 根多孔陶瓷管，偶排管為17 根多孔陶瓷管，共297 根多孔陶瓷管。

（3）多孔陶瓷管布置時，橫向、縱向管間距按照S2=S3=40mm，正三角形錯列布置。

（4）產出空氣迎面尺寸為720mm×720mm，工作空氣迎面尺寸為720mm×1000mm。

（5）每根管長為1.0m，總傳熱面積為27.9m2。

（6）產出空氣風機：風量5000m3/h，風壓183.2Pa；工作空氣風機：風量5500m3/h，風壓200Pa。

圖2 多孔陶瓷管及成品實物圖Fig.2 Porous ceramic tube and finished product

1.2 試驗臺、測試儀器介紹

實驗臺工作流程：室外空氣作為工作空氣從進風口進入多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器管外側，與陶瓷管壁上的水分進行熱濕交換冷卻管內產出空氣，通過③④測點監測工作空氣狀態。室外空氣作為產出空氣從進風口進入多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器管內等濕冷卻，通過①②測點監測工作空氣狀態。通過調節變頻器調節風機頻率，來改變風機風量大小，通過調節循環水管閥門調節淋水密度。

工作空氣的溫度和濕度對多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器效率和溫度的降低有很大的影響。所以實驗臺刻意設計可采用三種工作空氣，包括室外空氣，室內回風和經IEC 處理后的產出空氣。因此，工作空氣輸送管道的設計是為了提供三種空氣供給，為后期實驗做預設。

測點①②③④分別是采集多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器產出空氣和工作空氣的干球溫度、濕球溫度、空氣流速及管道的總壓和靜壓力。詳見表1所列的測試參數、位置和儀器。表2 列出了不同測量儀器的規格。

表1 測點、測試內容及測試儀器Table 1 Measurement points,test contents and test instruments

表2 測量儀器Table 2 Measuring instrument

圖3 中，①產出空氣進風口測點（tp,in,twb,p,in,vp,P）；②產出空氣出風口測點（tp,out,twb,p,out,vp,P）；③工作空氣進風口測點（ts,in,twb,s,in,vs,P）；④工作空氣排風口測點（ts,out,twb,s,out,vs,P）；⑤工作空氣輸送風機；⑥噴淋裝置；⑦多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器；⑧產出空氣輸送風機；⑨產出空氣再作為工作空氣輸送管道；⑩水泵；?室內空氣作為工作空氣風口；?室外空氣作為工作空氣風口；?產出空氣進風口；?產出空氣排風口。

圖3 實驗臺原理圖Fig.3 Experimental bench schematic diagram

圖4 實驗臺實物圖Fig.4 Physical drawing of the experimental platform

1.3 間接蒸發冷卻性能評價指標

間接蒸發冷卻器（IEC）的性能指標主要用熱濕交換效率（濕球效率）和能效比EER 進行評價。

所謂濕球效率，即板翅式、管式、熱管式IEC的產出空氣的進出口干球溫度之差與產出空氣干球溫度和工作空氣濕球溫度之差的比值。

轉輪式間接蒸發冷卻器的熱濕交換效率是用產出空氣進口干球溫度和出口干球溫度之差，與工作空氣的出口干球溫度和經過直接蒸發冷卻器降溫處理后的干球溫度差之間的比值表示：

式中，tg1為產出空氣進口干球溫度，℃；tg2為產出空氣出口干球溫度，℃；ts′1為工作空氣濕球溫度，℃；tg3為工作空氣出口干球溫度，℃；tg4為工作空氣與直接蒸發冷卻器熱濕處理后的干球溫度，℃。

間接蒸發冷卻器EER 即IEC 的全熱制冷量與水泵風機能耗的比值。所謂IEC 全熱制冷量表征冷卻器向用戶制取供應的冷量：

式中：QIEC為IEC 全熱制冷量，kW；qm為產出空氣的風量，kg/s；h1為產出空氣進入間接蒸發冷卻器的進口焓值，kJ/kg；h2為產出空氣離開間接蒸發冷卻器的出口焓值，kJ/kg。

則間接蒸發冷卻器的EER：

式中：WIEC為IEC 風機和水泵的功率，kW。

2 測試分析與其他IEC 的性能比較

2.1 測試結果分析

在經過測試樣機得到最佳空氣比、最佳淋水密度和水泵起停時間后，在最后參數情況下，在西安地區選擇了較為干燥的氣候某時段（在測試期間干球溫度在36.5℃，濕球溫度的19℃），對樣機進行了測試。如圖5 和圖6 為典型實驗條件下多孔陶瓷管式IEC 的濕球效率和溫降變化情況。

圖5 測試周期內IEC 效率變化情況Fig.5 Changes in IEC efficiency during the test cycle

從圖5 和圖6 可以看出，多孔陶瓷管式IEC 在1.5 小時的測試周期內穩定運行。濕球效率在小范圍內波動，從60.3%到62.2%。計算的平均效率為61.0%，平均溫度降低為10.2℃。之所以這里的效率會比測試最佳淋水密度、最佳空氣量比實驗時效率和溫降高，是由于本次的樣機運行是在較為干燥的天氣條件下進行的，室外空氣的干球溫度與濕球溫度差值較大，水分蒸發的驅動勢較大，所以提高本次樣機運行時濕通道的水分蒸發，現場實驗的效率比實驗室實驗的效率高。

圖6 西安干燥天氣下多孔陶瓷管式IEC 溫降變化Pig.6 Temperature drop variation of porous ceramic tubular IEC under dry weather in Xi'an

2.2 與其他IEC 性能比較

2.2.1 不同材料管式IEC 性能比較

圖7 是應用在西安某數據機房的鋁管管式間接蒸發冷卻與機械制冷相結合的機組，機組風量為42000m3/h，單獨運行管式間接蒸發冷卻器冷卻段所需功率4.45kW。2013年8月27日對該機組進行了單獨運行鋁管管式間接蒸發冷卻器的測試，測試數據如表3所示，測試時室外干球平均溫度為31.3℃，濕球平均溫度為24.1℃[11,12]。經過鋁管管式間接蒸發冷卻器處理后，干球溫度降為24.8℃，溫降6.5℃，效率達65%；全熱制冷量為60.7kW，EER 為7.9。與多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器詳細對比如表4所示。經過對比可知多陶瓷管式間接蒸發冷卻器在效率和EER 方面對比現在的鋁管IEC具有優勢。

圖7 應用在西安某數據機房的蒸發冷卻與機械制冷機組Fig.7 It is applied in evaporative cooling and mechanical refrigeration unit of a data room in Xi'an

圖8 應用在西安某數據機房采用的管式IEC 芯體Fig.8 It is applied to the tubular IEC core used in a data room in Xi'an

表3 應用在西安某數據機房管式間接蒸發冷卻器測試數據Table 3 It was applied to test data of pipe type indirect evaporative cooler in a data room in Xi'an

表4 多孔陶瓷管式IEC 與其他管式IEC 性能比較Table 4 Comparison of performance of porous ceramic tubular IEC with other tubular IEC

2.2.2 不同形式IEC 性能比較

如圖9 和圖10所示，為烏魯木齊某培訓中心應用的外置式冷卻塔+板翅式間接蒸發冷卻器+直接蒸發冷卻三級蒸發冷卻空調處理機組，該機組產出空氣風量40000m3/h。測試條件：產出空氣進口干球平均溫度31.5℃，濕球平均溫度為18.3℃，相對濕度平均值為28.4%。單獨運行板翅式間接蒸發冷卻器后產出空氣出風干球平均溫度21.5℃，相對平均濕度為53.3%。詳細測試結果如表5[10]所示。

圖1 多孔陶瓷管式露點間接蒸發冷卻器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of porous ceramic tubular dew point indirect evaporative cooler

圖9 烏魯木齊市某培訓中心采用的機組結構圖Fig.9 Unit structure diagram adopted by a training center in Urumqi

圖10 烏魯木齊市某培訓中心采用的機組照片Fig.10 Photo of a training center in Urumqi City

表5 烏魯木齊市培訓中心機組測試數據Table 5 Unit test data of Urumqi training center

板翅式間接蒸發冷卻器工作空氣和產出空氣同為室外空氣，根據表5 經過計算得出該板翅式間接蒸發冷卻器溫降為10℃，濕球效率76%，全熱制冷量為104kW。

圖11 是課題組為南通某空調公司開發的一臺轉輪式間接蒸發冷卻樣機，樣機效率為2.36kW。并在2012年8月江蘇南通對其進行了測試，如圖12所示。測試時室外干球平均溫度為30.1℃，濕球平均溫度為26.1℃，相對平均濕度72.5%。風量為3000m3/h，轉輪式間接蒸發冷卻器工作時，產出空氣出風干球溫度為23.2℃，相對濕度95.5%[12]。濕球效率平均74%，全熱制冷量為11.8kW，其EER僅為5。

圖11 轉輪式間接蒸發冷卻器測試樣機Fig.11 Testing prototype of rotary type indirect evaporative cooler

圖12 轉輪式IEC 樣機各段出風溫度變化圖Fig.12 Variation diagram of the outlet air temperature in each section of the rotating IEC prototype

板翅式和轉輪式與多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器的具體相關參數對比如表6所示。

表6 板翅式和轉輪式IEC 與多孔陶瓷管式IEC 性能比較Table 6 Comparison of performance between plate-fin and rotary IEC and porous ceramic tubular IEC

經過對比可知多陶瓷管式間接蒸發冷卻器在效率和EER 及耗能方面對比現在的板翅式和轉輪式IEC 具有優勢。

2.3 多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器能效對比

通過以上多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器與其他間接蒸發冷卻器對比分析可以得知，模擬1.5m管長的多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器的濕球效率要高于其他類型的間接蒸發冷卻器，如圖13所示。如圖14所示，1.5m 管長的多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器EER 高達17。與其他間接蒸發冷卻器相比其最高?？梢姸嗫滋沾刹牧现谱鏖g接蒸發冷卻器具有更大的節能應用前景。

圖14 多孔陶瓷管式IEC 與其他IECEER 對比圖Fig.14 Porous ceramic tubular IEC compared with other IECEER

目前樣機實際做成1m 管長的多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器，從圖13 和14 可以得知，采用間歇式布水工作時，其效率可達61%左右，濕球效率雖然略低，但EER 可以達到13 左右。

圖13 多孔陶瓷管式IEC 與其他IEC 效率對比圖Fig.13 Efficiency comparison diagram of porous ceramic tubular IEC with other IEC

3 結語

在對比的這幾類間接蒸發冷卻器中，多孔陶瓷因其表面積最大，使得工作空氣與水分接觸的面積最大，1.5m 管長做成的管式IEC 效率最好。另外多孔陶瓷具有很多孔隙，具有很好的儲水性，可采用間歇式布水方式，降低循環水泵的能耗，具有較高EER。