基于直接蒸發冷卻技術的家用空調系統性能分析

靳俊杰， 劉海燕， 宋艷蘋， 梁昊明， 林斯會， 周 遠

(河南城建學院 能源與建筑環境工程學院，河南 平頂山 467036)

0 引言

隨著空調技術的進步，空調更加節能環保。家用分體式空調器占據著整個空調市場的很大比例，大力發展家用空調器的節能技術至關重要。蒸發冷卻技術的應用歷史悠久，但直到20世紀70年代，美國等國家出現石油危機以后，才將蒸發冷卻技術應用于空調，逐漸受到人們的重視[1]。蒸發冷卻技術是一種節能、高效、經濟的冷卻方式，且綠色環保，已經得到了廣泛的應用[2]。

蒸發冷卻技術應用在家用空調器上，是家用空調器的發展趨勢之一，對減少碳的排放量及建筑節能起著積極的促進作用。寇凡等人詳細介紹了蒸發冷卻技術的發展趨勢[3-4]，為未來該技術的發展方向提供了重要參考。由玉文等對高溫高濕地區間接蒸發冷卻空調做了相關研究，提出了復合間接蒸發冷卻空調系統的運行分區[5]。金洋帆等研究了干燥地區蒸發冷卻空調系統運行效果，給出了蒸發冷卻空調系統的優化建議[6]。王思琴等對蒸發冷卻空調技術在節能減排中的作用進行了相關分析，說明了其對節能減排的重要性[7]。

1 直接蒸發冷卻空調系統

該系統由太陽能集熱器系統、布水器系統、家用空調室外機系統、風機鼓泡管系統等組成，如圖1所示。通過循環水泵，在夏季把地下淺水井中的冷水輸送到儲水箱中，在風機提供動力下，空氣從鼓泡管中出來與儲水箱中冷水換熱，降低空氣的溫度；同理，在冬季太陽能集熱器中的熱水送入到儲水箱，一部分空氣通過鼓泡管，進行顯熱交換，提高空氣的溫度。

圖1 直接蒸發冷卻空調系統示意圖

1.1 太陽能集熱器系統

太陽能集熱器系統由太陽能集熱器、循環水泵、儲熱水箱、管路、閥門等組成。在冬季空調制熱時，通過太陽能集熱器提供熱水，加熱冷空氣，有利于室外換熱器的換熱，同時也避免結霜的出現。

1.2 布水器系統

由布水網、噴嘴、循環水泵、管路等組成。夏季制冷時，循環水泵從地下淺水井中抽取冷水，通過噴嘴噴灑到布水網上，空氣經過布水網進行直接蒸發冷卻，降溫后被送入到蒸發器處進行換熱。

1.3 風機鼓泡管系統

該系統主要由離心風機、鼓泡管、儲水箱、液位計、管路、閥門等組成。夏季時，通過離心風機，室外空氣進入鼓泡管，進而空氣以水泡形式出來，與儲水箱中的冷水進行顯熱交換，換熱后與另一部分室外空氣混合，再通過布水網進行進一步的蒸發冷卻換熱，最后送入到室外機冷凝器進行換熱。冬季時，運行方式類同夏季，只不過儲水箱中的水不再是地下淺水井中的水，而是來自于太陽能集熱器中的熱水，空氣通過鼓泡管在儲水箱中顯熱換熱后，與室外另一部分空氣混合，直接進入室外機換熱器進行換熱。

2 工作原理

夏季制冷時，通過循環水泵把地下淺水井中的冷水輸送到噴嘴處，噴灑到布水網上，一部分留在了布水網上，其余部分隨著重力滴落到儲水箱中。在離心風機提供動力下，空氣通過過濾網進入到鼓泡管中，以氣泡形式從鼓泡管的小孔中出來與儲水箱中的冷水進行熱量交換，然后與另外一部分空氣混合，通過布水器進行直接蒸發冷卻，進一步降低混合空氣的溫度，最后進入到空氣箱，與室外機的冷凝器進行換熱，從而降低冷凝器的冷凝溫度。在這期間，室內機產生的冷凝水也直接排入到儲水箱，通過液位計測量儲水箱中的水位，當達到一定刻度時，打開閥門把一部分水流入到地下淺水井，使水循環利用。

冬季制熱時，通過太陽能集熱器產生熱水，儲存在儲熱水箱中，把熱水通過管路送入到儲水箱中，同夏季制冷一樣，通過離心風機，把過濾后的空氣，送入到鼓泡管，出來的水泡與儲水箱中的熱水進行顯熱交換，加熱空氣，然后與另一部分室外空氣混合，直接送入到空氣箱，與室外換熱器進行換熱。當儲水箱中的水位達到設定值時，閥門打開，由循環水泵提供動力，一部分水輸送到儲熱水箱中。

3 空氣的熱濕交換原理

空調室外機所需的風量來自于兩部分，一部分是通過離心風機送入鼓泡管的那部分空氣量，剩余部分是直接通過空氣口進入的空氣量。

夏季制冷時，從鼓泡管出來的空氣，進入到儲水箱中，遇到冷水進行換熱。當水溫高于空氣露點溫度低于濕球溫度時，空氣與水進行顯熱交換，少量的水吸熱發生汽化潛熱，產生水蒸氣進入空氣中，是一個加濕冷卻焓降過程；當水溫低于空氣露點溫度時，空氣中的水蒸氣將會凝結，空氣在發生顯熱降溫的同時還會發生潛熱交換，是一個去濕冷卻焓降過程。而冬季制熱時，從鼓泡管出來的空氣與儲水箱中的熱水換熱，空氣吸熱溫度升高，部分水吸熱蒸發，產生的水蒸氣又進入到空氣中，最終使空氣溫度和含濕量均增加，是一個升溫加濕焓增過程。

在制冷時，水箱中換熱后的空氣與另外一部分空氣混合，在經過布水網時，空氣中的顯熱被布水網上的水吸收，造成空氣自身溫度降低，而水在不斷吸收了空氣中的熱量后，會發生汽化潛熱，產生的水蒸氣又會回到空氣中，造成空氣的比焓基本不變，這一過程可視為等焓加濕過程。

4 系統性能分析

直接蒸發冷卻主要利用空氣的干濕球溫度差來獲得冷卻的效果，干濕球溫度差越大，冷卻效果越明顯。但空氣的絕熱加濕冷卻過程有限，空氣最終很難達到100%的飽和狀態，冷卻效率也即飽和率，計算公式如下：

(1)

式中：tgw為空氣干球溫度,℃；tgo為空氣冷卻后干球溫度,℃；tsw為空氣濕球溫度,℃；ηDEC為直接蒸發冷卻飽和效率,%。

以鄭州為例，夏季空調室外計算干球溫度35.0 ℃，夏季空調室外計算濕球溫度27.5 ℃[8]，冷卻器的冷卻效率(或飽和效率)一般在70%～95%[9]。本文取83%的冷卻效率來計算，可計算出直接蒸發冷卻后的空氣溫度為28.8 ℃，前后空氣溫差可達6.2 ℃。同樣，可以計算出北京、西安、南京等城市相關數據，具體見表1。

表1 不同地區經過直接蒸發冷卻后空氣溫度變化

據相關研究，冷凝溫度每降低1 ℃，壓縮機的功耗率可降低3%左右[10]。從表1中可看出，越是干旱地區，干濕球溫差越大，空氣經過直接蒸發冷卻后，溫降比較明顯，對于降低冷凝器的冷凝溫度越有利，節能效果也越明顯。

地下淺水井水溫一般較低，例如河南地下水溫保持在18 ℃左右[11]。從鼓泡管出來的空氣，經過降溫除濕過程后，與所需的另一部分空氣進行混合，通過布水器直接蒸發冷卻后，這樣的空氣溫降效果要比室外空氣直接通過布水器的溫降效果要好，會比表1中列舉的空氣溫差值要大，有利于進一步降低壓縮機的功耗。

5 結論

(1)利用地下淺水井中水的冷量，通過風機提供動力，使空氣在水箱中進行換熱，有效降低空氣溫度，再與剩余所需空氣混合，使得整個空調室外機所需空氣的溫度得到明顯降低。

(2)混合后的空氣，經過布水網時，直接蒸發冷卻進一步降低空氣溫度，然后與室外冷凝器換熱，降低冷凝溫度，減少壓縮機的耗功。此外，空調冷凝水的回收，既解決了排放問題，又充分利用其冷量。

(3)冬季空調制熱時，利用太陽能集熱器產生的熱水，與室外冷空氣換熱，提高室外空氣溫度，使室外機換熱器進行高效換熱，不僅避免了結霜現象，還提高了空調能效。