蒸发冷却新风空调集成系统的可行性分析

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摘要：介绍蒸发冷却空调的基本原理，从对蒸发冷却技术的一些误解和安全、健康、节能方面论述蒸发冷却新风空调集成系统的优点，以及在蒸发冷却空调中的技术难点提出的可行性分析

关键词：蒸发冷却新风空调集成系统1.引言当今，能源短缺和环境恶化已成为一个世界性问题，如何合理有效地利用能源及保护环境，是世界各国所共同关心的焦点之一，也是实现可持续发展的关键。自从上世纪70年代两次全球能源危机以来，节能已成为发达国家关注的热点；而90年代提出可持续发展理论和环境资源保护以后，节能和环保为世界各国所重视。随着科技的进步和人们生活水平的提高，空调技术的应用日趋广泛，空调的能耗也在逐年持续增加，在某些发达的工业国家空调能耗已占总能耗的三分之一[1]，而且仍然在持续增加；这一比例的高低，从一个侧面反映了一个国家的经济发展和人民生活水平的高低。在我国，随着工业的发展和人民生活水平的提高，空调的能耗比重也在逐年攀升。据统计[2]，1996年我国空调设备（指电动及吸收式冷水机组、房间空调器以及单元空调机组，但不包括进口机组）的总制冷能力约为2000万KW。在我国建造一台300MW（30万KW）的发电机组，使用国产产品，每KW的综合造价高达4000~5000元[3]。2.蒸发冷却技术原理2.1直接蒸发冷却[4]

直接蒸发冷却(简称DEC)是指空气与大面积的水接触，由于水的蒸发，空气和水的温度都降低，而空气的含湿量有所增加，空气的显热转化为潜热，这是一个绝热加湿过程。它要以在冷却塔、喷水室或其他绝热加湿设备内实现，其装置原理因式如图1所示，对应的蒸发冷却过程在I-d图上可表示为图2。由图可知，状态1的室外空气在接触式换热器内与水进行热湿交换后，温度下降，含湿量增加，沿绝热线变化到状态2，而水温由tw2下降到tw1。       2.2间接蒸发冷却   间接蒸发冷却(简称IEC)是指把直接蒸发冷却过程中降低了温度的空气和水通过非接触式换热器冷却待处理的空气，那么就可以得到降低了温度，但含湿量不增加的送风空气，此过程为一等湿冷却过程。若把直接蒸发冷却中用的空气称二次空气，待处理的空气称一次空气，则可画出利用间接蒸发冷却技术得到低温的送风空气的装置原理因式，如图3所示。   间接蒸发冷却过程在i-d图上可表示为图4，如果一次空气和二次空气都是室外空气，则它们的初状态w在图中表示在同一位置上，当二次空气流经直接蒸发冷却装置HUM时，空气状态从w变为1，一次空气在空气—空气换热器HX：内与状态1的空气只进行显热交换，状态从w变为2，另一侧的空气从状态1变为状态E，然后被排出。从HX1装置内出来的一次空气在水—空气换热器HX2内被从HUM装置内流出的冷却了的水(水温tw1)再到HUM装置，在那里借直接蒸发冷却过程降温，然后再返回HX2装置，如此不断循环。所以在间接蒸发冷却过程中，一次空气只可能等湿冷却，即从tw降到to，对应房间参数n，状态o的空气就已经具备降温降湿的作用了。   3.蒸发型空调的优点蒸发型空调与传统的压缩机型空调相比，具有以下优点[5]，这也是促使我们不断深入研究蒸发型空调技术的主要原因所在。   ·初投资的成本低；约为传统机械制冷的1/2，机械制冷系统的造价为400元/m2左右，而蒸发型制冷系统为250元/m2左右，三年即可收回初投资。   ·耗电量仅为传统空调的八分之一，运行能耗约为传统机械制冷的1/5；蒸发型空调设备中除了所需风机和水泵动力外，无需输入能量，因此性能系数COP值很高（约为机械制冷的2.5~5倍），通常机械制冷系统的装机功率为50W/m2左右，而蒸发型空调系统为10W/m2左右，节电80%左右。   ·不断输入100%新鲜、健康的冷空气，可使有害的空气如：带有病毒、烟味、异味的空气排室外，保持室内干净；出于蒸发型空调设备采用全新风，且具有空气过滤器和加湿功能，对空气进行净化和加湿处理，大大改善其室内空气品质。   ·保护生态环境，减少地球环境的污染；由于蒸发型空调设备以水而不是有环保公害的氟里昂为制冷剂，对大气无污染。   ·维修简便、费用便宜；在安装运行操作、维护保养方面，传统压缩式空调机组一般需要冷水机组、冷却塔、冷却水泵、末端装置等设备，系统复杂，安装、运行、维护都比较麻烦，需要专业人员操作，而且耗资大，而蒸发型空调系统安装快捷，运行操作管理方便，无须专业维护人员。4.蒸发冷却新风空调集成系统的提出新风空调集成系统概念的提出的历史背景是2001年美国“9.11”事件以后，采用集中空调的建筑物不断面临环境安全性的考验，其中包括恐怖主义的生化武器袭击。开启恐怖主义寄送的装有炭疽菌热孢子的信件后，炭疽菌热孢子会随空调系统的回风扩散到建筑物的其他房间，整个建筑物的工作人员将面临巨大的危险，不得不疏散。因此“致病建筑物”这一重大问题重新引起了整个社会的关注，集中空调系统又一次面临严峻的挑战。   蒸发冷却技术上尚存在认识的误区[6]   误区之一：蒸发冷却技术仅限于干旱气候环境   蒸发冷却技术早期应用于一些干旱气候环境地区，并在美国的西南部、澳大利亚、印度、巴基斯坦、南非、以色列和我国的西北地区等炎热干燥地带得到推广。这说明蒸发冷却技术非常适合于炎热干旱气候环境。但是，这并不意味着蒸发冷却技术仅限于干旱气候环境使用。因为蒸发冷却系统有直接蒸发冷却（DEC）与间接蒸发冷却（IEC）及两者所复合而成的多种蒸发冷却系统可以在世界任何地方和任何气候条件下应用。另外，由除湿技术与蒸发冷却技术相结合的除湿冷却系统，是在蒸发冷却研究的基础上提出的一种不受环境影响的制冷空调方式。除湿冷却空调通常由除湿剂吸湿、除湿剂再生、蒸发冷却及换热等过程组成。被处理空气的潜热处理靠除湿剂吸湿来完成，显热处理靠蒸发冷却来完成。目前，在舒适性空调系统中，由除湿技术、蒸发冷却技术、机械制冷技术三者结合组成的除湿法空调系统已受到国内外普遍关注。因此，蒸发冷却技术的应用已不仅限于干燥气候，而是可应用于任何气候环境条件。   误区之二：-蒸发冷却技术将取代机械制冷   与机械制冷相比，蒸发冷却存在着不足之处。如缺乏除湿功能，冷却空气的能力受外界气候环境的影响，多级蒸发冷却系统控制较复杂等。当仅靠蒸发冷却不能达到要求时，可启动机械制冷进行补偿。为了提高室内空气品质，应尽量加大新风量，最好采用全新风空调系统。但这将导致机械制冷能耗的增加。因此，将机械制冷也蒸发冷却技术相结合，可大大降低机械制冷的能耗，同时可保证良好的室内空气品质。所以，蒸发冷却技术不应与机械制冷相对立，而应有机地融为一体，相互依存，发挥各自应有的作用。5.蒸发型空调技术的特点及其技术难点·技术特点[5]   蒸发型空调的基本功能就是对空气进行热湿处理，使空气达到送风的要求，满足空气调节空间的温度、湿度、风速和洁净度等要求；其核心问题就是空气和水的热质交换问题。从热力学分析的角度看，无论是在直接蒸发冷却还是间接蒸发冷却的过程中，它是一个流动、传热、传质同时发生，并且多个传热过程相互耦合、相互交叉影响的复杂不可逆热力过程。又由于蒸发冷却过程中的热量、质量传递推动势相对较小，因此蒸发型空调技术属于低品位能源利用技术。同时，直接蒸发型空调可以直接利用自然环境空气中的干湿球温度差取得冷量，是蒸发型空调技术从自然环境中获得冷量的主要手段，基本上不消耗或消耗极少一次能源且对环境无破坏作用。   ·技术难点   蒸发型空调系统中的热和质的交换问题，是传热界的一个主要研究方向。近年来国内外仍有许多学者正对此问题进行更深入的理论和实验研究，但从系统整体出发，综合考虑各个部件的热质交换特性的还没有；另一方面由于该问题自身的复杂性，水和空气间热质交换过程表现出高度的时变和非线性特性，使得无论在物理模型的建立，还是在数学模型的求解上都非常困难，而且数学模型的建立都是基于一定的假设和理想条件之上的。6.结论蒸发冷却新风空调集成系统是在除湿技术发展的前提下从新受到关注的，在前人研究的基础上，采用蒸发冷却新风空调集成系统可适应任何气候环境条件下的要求，把节能、健康的思路用于空调系统就出现了蒸发冷却新风空调集成系统。   蒸发冷却技术还有不足之处，需要与材料技术，填料技术，除湿剂再生问题结合使之成为应用广泛的空调系统。参考文献[1]许雷，等，上海高层建筑冷热源装置与能耗调查，制冷技术，1998   [2]中国建筑学会暖通空调委员会，暖通空调新技术1，北京：中国建筑工业出版   [3]陈沛霖，近年美国空调技术的发展，暖通空调，1996   [4]张登春陈炔新蒸发冷却技术在我国干燥地区的应用研究   [5]孙洲阳基于智能方法的蒸发型空调系统性能实验与优选研究   [6]黄翔蒸发冷却新风空调集成系统