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1、蒸发冷却式空调的适宜气候区研究,清华大学 谢晓云 江亿2011.10.26,2011中国制冷学会学术年会,各蒸发冷却方式的原理、发展现状与性能表征,各类蒸发冷却方式原理与发展现状,50年代起广泛应用，纺织、农业、空调；仅适于非常干燥地区,不同工艺：管式、板式、热管式、岩板蓄冷式等；不同流程：二次空气不同来源,过渡季冷却塔供冷；干燥地区的直接蒸发冷水装置；,制备出低于室外湿球温度的冷水；近5年内已在西北地区30多项工程中应用；,蒸发冷却冷风装置,直接蒸发冷却冷风方式：,空气和水直接接触处理空气，实现热湿转换；空气温度降低，湿度增加；空气被降温的极限温度为室外空气的湿球温度。,蒸发冷却冷风装置,间
2、接蒸发冷却冷风装置：,一部分风被等湿降温、一部分排风被加热加湿排出；空气温度降低，湿度不变；二次排风来源、二次排风量决定了一次风被冷却的极限温度；,蒸发冷却冷风装置,间接、直接蒸发冷却结合的蒸发冷却器,根据送风含湿量的要求，可在间接蒸发冷却模块后增加直接蒸发冷却模块，调节送风的湿度；新风被降温、并被适当加湿；,各种类型的间接蒸发冷却冷风装置,内冷式：板式、管式、热管式外冷式：直接蒸发冷却模块表冷器,逆流式间接蒸发冷却器,多级逆流式间接蒸发冷却器-产品(2003年，Wicker,Ken)逆流式间接蒸发冷却器-试验阶段(2007年,Gwi-Eun Song,et al.),处在实验阶段，尚未大规模
3、应用；,国内间接蒸发冷却器研究现状-冷风装置,多级间接蒸发冷却器(新疆绿色使者公司,2007年),该装置目前配合本项目的间接蒸发冷水机组，在部分项目中为负责处理房间所需新风的间接蒸发冷却新风机组。,各类蒸发冷却冷风装置,蒸发冷却冷风装置性能的统一表征,送风温度,送风含湿量,热湿转换系数,加湿效率,间接蒸发冷却效率,直接蒸发冷却效率,2.352.42 K/(g/kg.air),I：直接蒸发冷却冷风：dp=0；0d=dec1II：间接蒸发冷却冷风：d=0；0dp1III：间接、直接相结合方式冷风：0dp1,0dec1,d=dec(1-dp),室外干球温度,送风温度,室外露点温度,热湿转换系数,送风
4、含湿量,室外含湿量,送风含湿量,室外含湿量,室外湿球下含湿量,蒸发冷却冷风的装置效率,目前直接蒸发冷却装置的加湿效率能达到90%，而间接蒸发冷却装置的降温效率在4070%之间。,上图为 绿色使者的某间接蒸发冷却器的出风参数实测结果,蒸发冷却冷风方式,处理新风、承担房间湿负荷、部分显热通过直接或间接蒸发冷却过程处理系统的新风，承担新风所有显热；新风温度降低；新风含湿量不变或适当增加；处理新风、承担房间湿负荷、所有显热仅通过蒸发冷却冷风装置的出风对房间既除湿、又降温，则为全空气的蒸发冷却空调系统，一般为全新风系统；此时装置除需处理所有房间的显热外，还需处理所有进风的显热；系统所需风道空间大，较大的
5、循环风机电耗；,蒸发冷却冷水装置,直接蒸发冷却冷水装置,通过空气和水直接接触的蒸发冷却过程制备冷水传统的冷却塔；冷水的极限温度为进口空气的湿球温度；,间接蒸发冷却冷水装置,基于江亿院士的发明专利利用室外干燥空气近似可逆地制备冷水，出水极限温度为室外空气露点温度。,核心部件：准逆流式空气-水非接触式换热器，逆流式空气-水填料塔。设计思想：各换热过程的流量匹配；各换热过程接近可逆过程。实际所制备冷水的温度为1519，可用来排除房间的显热。,(a)间接蒸发冷水机组原理图(流程I),1-空气水非接触逆流换热器，2-空气水直接接触逆流换热塔，3-循环水泵，4-风机,(b)焓湿图表示冷水产生过程,进风露点
6、温度,tl,tw1,ts,tg,间接蒸发冷水机研发与实际性能,实际研发出世界上首台间接蒸发冷水机，实际制备出温度处于室外湿球和露点温度平均值的1519的高温冷水。,以室外干燥空气为驱动源，仅有风机、水泵耗电，实测机组COP（带走房间显热/风机、水泵电耗）高于10。,2005 年，由清华大学和绿色使者共同研发出第一台间接蒸发冷水机，安装在石河子市凯瑞大厦；已成功可靠运行5年。石河子市设计参数：外温32.8，湿球21.5；设计出水温度18.5;机组设计风量60000m3/h，机组高3.5m,占地面积16m2,设计出力120kW;,实际研发出的间接蒸发冷水机,应用在实际工程中的间接蒸发冷水机,蒸发冷
7、却制备冷水的性能统一表征,冷水出水温度：,表冷效率：,填料塔效率：,室外温度,塔效率,室外湿球温度,室外露点温度,表冷效率,间接蒸发冷却冷水机的实测效率,塔效率,表冷效率,间接蒸发冷水机的特点,以室外干燥空气为驱动源制备出排出房间显热用高温冷水，比传统空调节能40-70%。制备出1519高温冷水，可采用干工况末端干式风机盘管、辐射板等。无霉菌，更舒适健康。当使用辐射地板时，可冬夏共用一套末端，节省成本和空间。采用冷水为输送媒介，相对于冷风方式，节省风道空间，大幅度减少输配电耗。不使用CFCs，对大气无污染，为清洁、可再生的干空气资源的高效应用。,不同蒸发冷却方式的适宜气候区,空调任务与温度、湿
8、度控制方式,夏季空调，均以冷却方式排热和排湿，二者所需的冷源品位不同传统空调统一处理温度和湿度，导致能耗高。排热-冷源需低于室内温度26 排湿-冷源需低于室内露点温度16.5 室内温度和湿度参数相互独立，处理所需的源的品位不同，应分别采用不同的调节方式。,空调的任务从室内向室外排热和排湿，满足人的舒适性要求。夏季室内-2428,40%60%冬季室内-1820,40%60%向室内送入足够的新风，满足人的健康需求。,温度、湿度独立控制的空调系统,分别从排湿和排除房间显热的角度，确定蒸发冷却式空调的适宜气候区；,1.从排湿角度出发，确定室外空气直接排湿区,排湿利用室外干燥空气直接排湿,新风的功能：满
9、足健康要求、满足除湿要求,湿负荷,卫生要求新风量,当室外空气含湿量do,h时，应按照健康要求确定新风量；,当室外空气含湿量do,h时，考察输配电耗和新风除湿电耗，确定利用新风排湿的新风含湿量界限：,假设除湿系统性能系数COPd为5，新风风道压降200Pa，新风风机效率45%，dr-o 0.9g/kg.air时，采用新风直接带走房间湿负荷，dr-o 0.9g/kg.air时，对新风除湿后再用来带走房间湿负荷。,利用室外空气直接排湿区,I区，利用室外空气直接排湿，满足健康要求计算得到新风量；II区，室外空气直接排湿，满足除湿要求计算得到新风量；I区、II区，新风处理方式：间接蒸发冷却方式，或间接、
10、直接结合方式，使得新风能处理得到的送风温度最低。,2.从排除房间显热角度，确定各蒸发冷却方式的适宜气候区,排除房间显热蒸发冷却冷水,蒸发冷却冷水，要求：,出水温度tw 室温tr-tr-w,tr-w：输送温差与换热温差之和风机盘管方式：室内风侧输送温差与风、水间换热温差之和，610辐射地板方式：风、水侧换热温差，46；,直接蒸发冷却制备冷水区：,间接蒸发冷却制备冷水区：,排除房间显热蒸发冷却冷风,考虑输配冷风电耗，送风温差一般不低于24,排除显热蒸发冷却冷风与冷水的比较,各类蒸发冷却方式的电耗构成,直接和间接制备冷风或冷水的比较,直接蒸发冷却冷风与间接蒸发冷却冷风电耗之比：,直接蒸发冷却冷水极限
11、温度为室外湿球温度，间接蒸发冷却冷水为室外露点温度；干热地区，室外露点温度比湿球温度低57。间接蒸发冷却冷水机风机电耗比直接蒸发冷却冷水高，直接蒸发冷却冷水出水温度满足供冷要求时，应采用直接蒸发冷却装置。,各蒸发冷却方式带走房间显热的比较制备冷风vs.制备冷水,排除室内相同的热量，过程处理冷量冷风冷水,输配电耗冷风冷水输送相同冷量，冷水水泵为冷风风机电耗的1/41/10,冷风和冷水空调末端调节性能，冷风冷水冷水末端，可采用辐射地板，便于调节，冬夏统一,冷风方式：送风3000m3/h,室外35，室内26，送风17；排除室内冷量：Qr,冷风=Gs*cps*(t室内-t送风）9kW 过程处理冷量：Q
12、m,冷风=Gs*cps*(t室外-t送风）18kW 冷水方式：冷水流量1.6t/h，冷水供水温度16，回水温度21；Qr,冷风=Qm,冷水=Gw*cpw*(t回水-t供水)9kW,过程处理冷量之差，导致制冷过程换热面积-投资之差；导致制冷过程排风风量-电耗之差；,各蒸发冷却方式的比较结果,从输配电耗考虑，在制备冷风与制备冷水方式重合的气候区，优选制备冷水的方式。在直接蒸发冷却冷风和直接蒸发冷却冷水重合的气候区，宜采用直接蒸发冷却冷水的方式。在间接蒸发冷却冷风与直接蒸发冷却冷水的重合气候区，直接蒸发冷却冷水方式较佳。在间接蒸发冷却冷水与间接蒸发冷却冷风重合的气候区，应采用间接蒸发冷却冷水的方式。
13、,间接蒸发冷却冷水VS.间接蒸发冷却冷风实例,新疆中医院 建筑面积21006m2，间接蒸发冷水机和新风机承担空调面积13000m2,实测系统，若末端为风机盘管时，带走相同房间冷量，冷水系统电耗约为冷风系统电耗的80%左右，若末端为辐射地板，冷水系统电耗仅为冷风系统电耗的50%。,综合排热和排湿蒸发冷却方式适宜气候区,我国的室外空气直接排湿区,注：上图蓝字为各地最湿月室外平均含湿量,新疆,内蒙,宁夏,甘肃,青海,西藏,我国西北地区室外气象条件和室内状态的关系,室外干燥空气首先可直接排出室内余湿；还可利用蒸发冷却技术从室外干燥空气中制备冷量，排除房间的显热；,我国间接蒸发冷水的适用区域,仅有蓝点区
14、域为最湿月室外平均湿球温度低于15的区域，可应用直接蒸发冷却方式，其他区域均宜采用间接蒸发冷却方式。,红线以西，各地区最湿月室外平均露点温度均低于16.8，室外湿球温度比 露点温度平均高57。,注：左图黑字为各地最湿月室外平均露点温度；红字为最湿月室外平均湿球温度,我国蒸发冷却式空调的应用区域,利用室外干燥新风除湿蒸发冷却技术制冷降温,独立除湿技术(溶液除湿等)(间接)蒸发冷却技术制冷降温,独立除湿技术(溶液除湿等)电制冷高温冷水机组、部分地区土壤源、地源热泵等。,干燥空气的蒸发冷却过程,在有水存在的情况下，处在不饱和状态空气具有对外做功能力干空气能。利用干空气能转换为冷量，是转换效率最高的方式。,总结,间接蒸发冷水机的成功研发，使得间接蒸发冷却和直接蒸发冷却均可以制备冷水或冷风；冷风或冷水的参数可统一表征；间接蒸发冷却的极限为露点温度；直接蒸发冷却的极限为湿球温度。应分别考虑为房间排热和排湿而来对蒸发冷却方式进行分区；分区的界限不是单纯的室外湿球温度，而必须同时考虑室外露点温度和湿球温度；蒸发冷却的适宜气候区主要在我国的西北干燥地区。比较不同蒸发冷却方式带走房间显热负荷的特性，从输配电耗考虑，得到冷水为载冷介质一般优于冷风方式，在不同气候区，宜采用直接或间接蒸发冷水机排除房间显热。,谢谢大家！,
