間接蒸發冷卻技術在空調系統中的節能分析

宋祥龍 黃 翔

（1.西安航空學院，陜西西安，710077；2.西安工程大學，陜西西安，710048）

間接蒸發冷卻技術利用干空氣能對空氣進行降溫，綠色低碳，已在工業及民用建筑中得到廣泛應用，其中在紡織廠空調中也得到了一定程度的應用［1］。間接蒸發冷卻器存在一次空氣（被冷卻空氣）與二次空氣（輔助空氣）兩種空氣，由于兩種空氣的來源不同，因此存在多種應用形式，在紡織廠應用中也出現因應用形式不合理導致的節能效果不佳的問題。本研究以西安地區為例，理論分析間接蒸發冷卻器在細紗車間空調系統的應用形式，并計算對比各種形式的節能效果。

1 細紗車間空調系統運行模式及運行時間分析

1.1 空調系統運行模式分析

根據工藝要求，細紗車間夏季室內空氣設計干球溫度為（31±1）℃、設計相對濕度為（57±2）%，車間空氣允許波動區在焓濕圖上為近似平行四邊形，如圖1 所示。細紗車間回風分為車肚回風和工藝回風，實際應用中常采用車肚回風與工藝回風在回風室內混合。由于工藝回風流經細紗機電機后溫度升高，因此混合回風溫度較高，約比車間內設計溫度高3 ℃，狀態點見圖1 中N回。若采用工藝回風單獨回風，則工藝回風約比車間溫度高7 ℃。細紗車間為高顯熱車間，且自動化程度高，人員較少，因此車間內熱濕負荷比趨于無窮大，焓濕圖上熱濕比線ε 近似垂直，空調送風狀態點為O，各狀態點的空氣參數見表1。

圖1 細紗車間空氣溫濕度允許波動圖

表1 各狀態點空氣參數

隨著室外空氣濕球溫度的變化，細紗車間空調系統采用不同的運行模式，現歸納分析如下［2?3］。

（1）空調系統運行模式1：過渡季節，當室外空氣濕球溫度小于O點濕球溫度時，即tWS≤tOS，采用回風混合適當比例的新風，等焓加濕，如圖2所示。

（2）空調系統運行模式2：當室外空氣濕球溫度大于O點濕球溫度，且小于N回點濕球溫度時，即tOS＜tWS＜tN回S時，采用全 新風運行，開啟機械制冷，減焓加濕或降溫除濕，如圖3 和圖4 所示。

（3）空調系統運行模式3：當室外空氣濕球溫度大于N回點濕球溫度，即tWS≥tN回S時，采用最小新風量，開啟機械制冷，降溫除濕，如圖5 所示。

圖2 等焓加濕空氣處理焓濕圖（混風）

圖3 減焓加濕空氣處理焓濕圖（全新風）

圖4 降溫除濕空氣處理焓濕圖（全新風）

圖5 夏季降溫除濕空氣處理焓濕圖（最小新風量）

1.2 空調系統運行小時數分析

以西安地區為例，依據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》中西安市5 月至10 月期間共4 416 h 的逐時室外氣象參數，統計3 種空調系統運行模式的小時數，如表2 所示。其中，當空調系統采用運行模式1 時，即當tWS≤tOS時，根據室外空氣濕球溫度的不同，為保證室內空氣參數滿足設計要求，應采取不同的新風比，混風后等焓加濕。根據空氣混合規律，新風量與總風量之比即為 新 風 比 ，即qw/qm=(tN回S-tOS)/(tN回S-tWS)，式中tN回S取 24.9 ℃，tOS取 21.8℃，均為已知，則由公式即可計算出運行模式1 中，不同的室外空氣濕球溫度范圍，所應采用的新回風比例，詳見表2。經統計，西安地區細紗車間每年機械制冷運行時長約 857 h（約 36 d）。

表2 空調系統不同運行模式全年小時數

2 間接蒸發冷卻器應用形式分析

2.1 間接蒸發冷卻器

通過間接蒸發冷卻器，被處理空氣與循環水不直接接觸，可實現等濕降溫。間接蒸發冷卻器有兩個通道，第一通道通過需要預冷的空氣（一次空氣），第二通道通過輔助空氣（二次空氣）并噴淋循環水。在第二通道中，二次空氣與循環水發生熱質交換，水蒸發吸熱降溫，并與第一通道內一次空氣進行間接換熱，一次空氣被等濕冷卻，降溫極限為二次空氣的濕球溫度。間接蒸發冷卻預冷效率計算公式為：

式中，t1表示一次空氣干球溫度（預冷前），℃；t2表示一次空氣干球溫度（預冷后），℃；tS表示二次空氣濕球溫度，℃。

由于換熱器材質、結構以及使用場所的差異，間接蒸發冷卻器效率不盡相同，一般均可保持在50%～70%。目前常用的間接蒸發冷卻器主要有臥管式、立管式、板翅式等形式。立管式間接蒸發冷卻器由于采用管內布水，具有自動沖刷作用；管外間距大，利于清掃，防堵性能好，適合于紡織廠、煤礦等含塵濃度大的場所，如圖6 所示。

圖6 立管式間接蒸發冷卻器

2.2 間接蒸發冷卻器應用形式分析

細紗車間空調系統中，根據間接蒸發冷卻器一次空氣與二次空氣性質的不同，其有5 種應用形式［4?5］：預冷混合回風，新風作為二次空氣；預冷混合回風，排風作為二次空氣；預冷新風，新風作為二次空氣；預冷新風，排風作為二次空氣；預冷工藝排風，新風作為二次空氣。下面以總送風量10 萬m3/h 的西安地區某廠細紗車間為例，分析計算并對比每種應用形式節約機械制冷負荷的效果。

因西安屬中等濕度地區，計算中間接蒸發冷卻效率取60%，二次/一次風量比取0.8。計算方法為根據間接蒸發冷卻效率計算公式，帶入新風或回風逐時溫度參數，得出逐時預冷溫降，進而根據預冷風量得出逐時預冷量，求和得到節約機械制冷的總制冷量，最后根據能效比，得出節約機械制冷的電功率。

（1）應用形式1：預冷混合回風，新風作為二次空氣。該應用形式，間接蒸發冷卻器僅在空調系統運行模式3，即采用最小新風量，開啟機械制冷降溫除濕中發揮對回風的預冷作用，降低機械制冷負荷。回風量取8 萬m3/h，預冷總時長共114 h。空氣處理焓濕圖如圖7 所示，混合回風N回經間接蒸發冷卻器預冷至N回2，再與室外新風混合后，降溫除濕至送風狀態點O。

圖7 應用形式1 空氣處理焓濕圖

根據間接蒸發冷卻預冷效率計算公式，得回風預冷溫降Δt為：

式中t1為回風溫度34 ℃，tS為新風濕球溫度，代入西安地區室外空氣逐時濕球溫度［6］，即可得到間接蒸發冷卻器對回風的逐時溫降Δt，進而根據Q=C×m×Δt得出逐時降低機械制冷的制冷量Q，最后對逐時值求和，按COP=Q/W=4計算出節約機械制冷電功率。經計算得出，采用應用形式1 時，每10 萬m3/h 總送風量，間接蒸發冷卻器預冷作用可節約機械制冷電耗3 878 kW·h。

（2）應用形式2：預冷混合回風，排風作為二次空氣。該應用形式同樣僅在模式3 中發揮預冷作用，預冷總時長114 h，空氣處理焓濕圖同圖7。為保證間接蒸發冷卻器預冷效果，二次/一次風量比取 0.8，則 10 萬 m3/h 總風量中，5.5 萬 m3/h 預冷后回用，4.5 萬m3/h 作為二次空氣并最終排出。計算過程同上，t1為回風溫度34 ℃，tS為回風濕球溫度24.9 ℃。最終得出采用應用形式2 時，每10萬m3/h 總送風量，間接蒸發冷卻器預冷作用可節約機械制冷電耗2 876.2 kW·h。

（3）應用形式3：預冷新風，新風作為二次空氣。該應用形式可在空調系統運行模式2 及模式3 中發揮預冷作用，降低機械制冷負荷，預冷總時長為857 h。其中模式2 采用全新風、預冷時長743 h，預冷新風量為 10 萬 m3/h；模式 3 采用最小新風量，預冷時長114 h，預冷新風量為2 萬m3/h，空氣處理焓濕圖分別如圖8 和圖9 所示。

圖8 應用形式3 空氣處理焓濕圖（全新風減焓加濕）

圖9 應用形式3 空氣處理焓濕圖（最小新風量降溫除濕）

計算過程相同，t1為新風逐時干球溫度，tS為新風逐時濕球溫度。代入西安地區新風逐時參數計算逐時溫降，計算逐時制冷量。并最終計算得出在采用應用形式3 時，每10 萬m3/h 總送風量，間接蒸發冷卻器預冷作用可節約機械制冷電耗20 731 kW·h。

（4）應用形式4：預冷新風、排風作為二次空氣該應用形式可在空調系統運行模式3 及模式2中，發揮預冷作用，降低機械制冷負荷，空氣處理焓濕圖同圖8 和圖9，預冷總時長為857 h。t1為新風逐時干球溫度、tS為排風濕球溫度24.9 ℃。通過計算，在采用應用形式4 時，每10 萬m3/h 總送風量，間接蒸發冷卻器預冷作用可節約機械制冷電耗14 725 kW·h。

（5）應用形式5：預冷工藝回風，新風作為二次空氣。該應用形式可在空調系統運行模式3 中發揮預冷作用。10 萬m3/h 的總送風量，工藝回風量取5 萬m3/h。t1為工藝回風干球溫度，約比室內溫度高7 ℃，為38 ℃，tS為新風逐時濕球溫度。計算過程相同，最終得到在采用應用形式5 時，每10 萬m3/h 總送風量，間接蒸發冷卻器預冷作用可節約機械制冷電耗3 572 kW·h。

另一方面，間接蒸發冷卻也包含動力設備，主要包括二次風機及循環水泵。除去動力設備功率投入，即可得各種預冷應用形式下，間接蒸發冷卻器凈節約機械制冷電耗，最終對比如表3 所示。

表3 間接蒸發冷卻不同應用形式的節能效果對比（每10 萬m3/h 送風量）

經對比，在西安地區紡織細紗車間中，間接蒸發冷卻器采用應用形式3，即預冷新風、新風作為二次空氣時，其預冷效果最好，每10 萬m3/h 送風量，每年可凈節約電耗9 590 kW·h。

3 結語

本文以西安地區為例，對不同室外氣象參數條件下，細紗車間空調系統的運行模式及運行時長進行了分析，并統計出每年機械制冷運行時長約857 h（約36 d）。在機械制冷開啟季節，分析并計算了間接蒸發冷卻器在不同應用形式下的預冷節能效果，經對比，當預冷新風、新風作為二次空氣時，間接蒸發冷卻預冷效果最好，每10 萬m3/h送風量，每年可凈節約電耗9 590 kW·h。本研究僅以《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》中西安氣象參數為依據進行理論分析，實際效果會因不同的工程情況而不盡相同，需要更進一步的實際工程驗證與探討。