蒸發(fā)冷卻新風空調(diào)集成系統(tǒng)的可行性分析

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摘要：介紹蒸發(fā)冷卻空調(diào)的基本原理，從對蒸發(fā)冷卻技術(shù)的一些誤解和安全、健康、節(jié)能方面論述蒸發(fā)冷卻新風空調(diào)集成系統(tǒng)的優(yōu)點，以及在蒸發(fā)冷卻空調(diào)中的技術(shù)難點提出的可行性分析

關(guān)鍵詞：蒸發(fā)冷卻新風空調(diào)集成系統(tǒng)1.引言當今，能源短缺和環(huán)境惡化已成為一個世界性問題，如何合理有效地利用能源及保護環(huán)境，是世界各國所共同關(guān)心的焦點之一，也是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。自從上世紀70年代兩次全球能源危機以來，節(jié)能已成為發(fā)達國家關(guān)注的熱點；而90年代提出可持續(xù)發(fā)展理論和環(huán)境資源保護以后，節(jié)能和環(huán)保為世界各國所重視。隨著科技的進步和人們生活水平的提高，空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，空調(diào)的能耗也在逐年持續(xù)增加，在某些發(fā)達的工業(yè)國家空調(diào)能耗已占總能耗的三分之一[1]，而且仍然在持續(xù)增加；這一比例的高低，從一個側(cè)面反映了一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的高低。在我國，隨著工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調(diào)的能耗比重也在逐年攀升。據(jù)統(tǒng)計[2]，1996年我國空調(diào)設(shè)備（指電動及吸收式冷水機組、房間空調(diào)器以及單元空調(diào)機組，但不包括進口機組）的總制冷能力約為2000萬KW。在我國建造一臺300MW（30萬KW）的發(fā)電機組，使用國產(chǎn)產(chǎn)品，每KW的綜合造價高達4000~5000元[3]。2.蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理2.1直接蒸發(fā)冷卻[4]

直接蒸發(fā)冷卻(簡稱DEC)是指空氣與大面積的水接觸，由于水的蒸發(fā)，空氣和水的溫度都降低，而空氣的含濕量有所增加，空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，這是一個絕熱加濕過程。它要以在冷卻塔、噴水室或其他絕熱加濕設(shè)備內(nèi)實現(xiàn)，其裝置原理因式如圖1所示，對應(yīng)的蒸發(fā)冷卻過程在I-d圖上可表示為圖2。由圖可知，狀態(tài)1的室外空氣在接觸式換熱器內(nèi)與水進行熱濕交換后，溫度下降，含濕量增加，沿絕熱線變化到狀態(tài)2，而水溫由tw2下降到tw1。       2.2間接蒸發(fā)冷卻   間接蒸發(fā)冷卻(簡稱IEC)是指把直接蒸發(fā)冷卻過程中降低了溫度的空氣和水通過非接觸式換熱器冷卻待處理的空氣，那么就可以得到降低了溫度，但含濕量不增加的送風空氣，此過程為一等濕冷卻過程。若把直接蒸發(fā)冷卻中用的空氣稱二次空氣，待處理的空氣稱一次空氣，則可畫出利用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)得到低溫的送風空氣的裝置原理因式，如圖3所示。   間接蒸發(fā)冷卻過程在i-d圖上可表示為圖4，如果一次空氣和二次空氣都是室外空氣，則它們的初狀態(tài)w在圖中表示在同一位置上，當二次空氣流經(jīng)直接蒸發(fā)冷卻裝置HUM時，空氣狀態(tài)從w變?yōu)?，一次空氣在空氣—空氣換熱器HX：內(nèi)與狀態(tài)1的空氣只進行顯熱交換，狀態(tài)從w變?yōu)?，另一側(cè)的空氣從狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)E，然后被排出。從HX1裝置內(nèi)出來的一次空氣在水—空氣換熱器HX2內(nèi)被從HUM裝置內(nèi)流出的冷卻了的水(水溫tw1)再到HUM裝置，在那里借直接蒸發(fā)冷卻過程降溫，然后再返回HX2裝置，如此不斷循環(huán)。所以在間接蒸發(fā)冷卻過程中，一次空氣只可能等濕冷卻，即從tw降到to，對應(yīng)房間參數(shù)n，狀態(tài)o的空氣就已經(jīng)具備降溫降濕的作用了。   3.蒸發(fā)型空調(diào)的優(yōu)點蒸發(fā)型空調(diào)與傳統(tǒng)的壓縮機型空調(diào)相比，具有以下優(yōu)點[5]，這也是促使我們不斷深入研究蒸發(fā)型空調(diào)技術(shù)的主要原因所在。   ·初投資的成本低；約為傳統(tǒng)機械制冷的1/2，機械制冷系統(tǒng)的造價為400元/m2左右，而蒸發(fā)型制冷系統(tǒng)為250元/m2左右，三年即可收回初投資。   ·耗電量僅為傳統(tǒng)空調(diào)的八分之一，運行能耗約為傳統(tǒng)機械制冷的1/5；蒸發(fā)型空調(diào)設(shè)備中除了所需風機和水泵動力外，無需輸入能量，因此性能系數(shù)COP值很高（約為機械制冷的2.5~5倍），通常機械制冷系統(tǒng)的裝機功率為50W/m2左右，而蒸發(fā)型空調(diào)系統(tǒng)為10W/m2左右，節(jié)電80%左右。   ·不斷輸入100%新鮮、健康的冷空氣，可使有害的空氣如：帶有病毒、煙味、異味的空氣排室外，保持室內(nèi)干凈；出于蒸發(fā)型空調(diào)設(shè)備采用全新風，且具有空氣過濾器和加濕功能，對空氣進行凈化和加濕處理，大大改善其室內(nèi)空氣品質(zhì)。   ·保護生態(tài)環(huán)境，減少地球環(huán)境的污染；由于蒸發(fā)型空調(diào)設(shè)備以水而不是有環(huán)保公害的氟里昂為制冷劑，對大氣無污染。   ·維修簡便、費用便宜；在安裝運行操作、維護保養(yǎng)方面，傳統(tǒng)壓縮式空調(diào)機組一般需要冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵、末端裝置等設(shè)備，系統(tǒng)復雜，安裝、運行、維護都比較麻煩，需要專業(yè)人員操作，而且耗資大，而蒸發(fā)型空調(diào)系統(tǒng)安裝快捷，運行操作管理方便，無須專業(yè)維護人員。4.蒸發(fā)冷卻新風空調(diào)集成系統(tǒng)的提出新風空調(diào)集成系統(tǒng)概念的提出的歷史背景是2001年美國“9.11”事件以后，采用集中空調(diào)的建筑物不斷面臨環(huán)境安全性的考驗，其中包括恐怖主義的生化武器襲擊。開啟恐怖主義寄送的裝有炭疽菌熱孢子的信件后，炭疽菌熱孢子會隨空調(diào)系統(tǒng)的回風擴散到建筑物的其他房間，整個建筑物的工作人員將面臨巨大的危險，不得不疏散。因此“致病建筑物”這一重大問題重新引起了整個社會的關(guān)注，集中空調(diào)系統(tǒng)又一次面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。   蒸發(fā)冷卻技術(shù)上尚存在認識的誤區(qū)[6]   誤區(qū)之一：蒸發(fā)冷卻技術(shù)僅限于干旱氣候環(huán)境   蒸發(fā)冷卻技術(shù)早期應(yīng)用于一些干旱氣候環(huán)境地區(qū)，并在美國的西南部、澳大利亞、印度、巴基斯坦、南非、以色列和我國的西北地區(qū)等炎熱干燥地帶得到推廣。這說明蒸發(fā)冷卻技術(shù)非常適合于炎熱干旱氣候環(huán)境。但是，這并不意味著蒸發(fā)冷卻技術(shù)僅限于干旱氣候環(huán)境使用。因為蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)有直接蒸發(fā)冷卻（DEC）與間接蒸發(fā)冷卻（IEC）及兩者所復合而成的多種蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可以在世界任何地方和任何氣候條件下應(yīng)用。另外，由除濕技術(shù)與蒸發(fā)冷卻技術(shù)相結(jié)合的除濕冷卻系統(tǒng)，是在蒸發(fā)冷卻研究的基礎(chǔ)上提出的一種不受環(huán)境影響的制冷空調(diào)方式。除濕冷卻空調(diào)通常由除濕劑吸濕、除濕劑再生、蒸發(fā)冷卻及換熱等過程組成。被處理空氣的潛熱處理靠除濕劑吸濕來完成，顯熱處理靠蒸發(fā)冷卻來完成。目前，在舒適性空調(diào)系統(tǒng)中，由除濕技術(shù)、蒸發(fā)冷卻技術(shù)、機械制冷技術(shù)三者結(jié)合組成的除濕法空調(diào)系統(tǒng)已受到國內(nèi)外普遍關(guān)注。因此，蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用已不僅限于干燥氣候，而是可應(yīng)用于任何氣候環(huán)境條件。   誤區(qū)之二：-蒸發(fā)冷卻技術(shù)將取代機械制冷   與機械制冷相比，蒸發(fā)冷卻存在著不足之處。如缺乏除濕功能，冷卻空氣的能力受外界氣候環(huán)境的影響，多級蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)控制較復雜等。當僅靠蒸發(fā)冷卻不能達到要求時，可啟動機械制冷進行補償。為了提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，應(yīng)盡量加大新風量，最好采用全新風空調(diào)系統(tǒng)。但這將導致機械制冷能耗的增加。因此，將機械制冷也蒸發(fā)冷卻技術(shù)相結(jié)合，可大大降低機械制冷的能耗，同時可保證良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)。所以，蒸發(fā)冷卻技術(shù)不應(yīng)與機械制冷相對立，而應(yīng)有機地融為一體，相互依存，發(fā)揮各自應(yīng)有的作用。5.蒸發(fā)型空調(diào)技術(shù)的特點及其技術(shù)難點·技術(shù)特點[5]   蒸發(fā)型空調(diào)的基本功能就是對空氣進行熱濕處理，使空氣達到送風的要求，滿足空氣調(diào)節(jié)空間的溫度、濕度、風速和潔凈度等要求；其核心問題就是空氣和水的熱質(zhì)交換問題。從熱力學分析的角度看，無論是在直接蒸發(fā)冷卻還是間接蒸發(fā)冷卻的過程中，它是一個流動、傳熱、傳質(zhì)同時發(fā)生，并且多個傳熱過程相互耦合、相互交叉影響的復雜不可逆熱力過程。又由于蒸發(fā)冷卻過程中的熱量、質(zhì)量傳遞推動勢相對較小，因此蒸發(fā)型空調(diào)技術(shù)屬于低品位能源利用技術(shù)。同時，直接蒸發(fā)型空調(diào)可以直接利用自然環(huán)境空氣中的干濕球溫度差取得冷量，是蒸發(fā)型空調(diào)技術(shù)從自然環(huán)境中獲得冷量的主要手段，基本上不消耗或消耗極少一次能源且對環(huán)境無破壞作用。   ·技術(shù)難點   蒸發(fā)型空調(diào)系統(tǒng)中的熱和質(zhì)的交換問題，是傳熱界的一個主要研究方向。近年來國內(nèi)外仍有許多學者正對此問題進行更深入的理論和實驗研究，但從系統(tǒng)整體出發(fā)，綜合考慮各個部件的熱質(zhì)交換特性的還沒有；另一方面由于該問題自身的復雜性，水和空氣間熱質(zhì)交換過程表現(xiàn)出高度的時變和非線性特性，使得無論在物理模型的建立，還是在數(shù)學模型的求解上都非常困難，而且數(shù)學模型的建立都是基于一定的假設(shè)和理想條件之上的。6.結(jié)論蒸發(fā)冷卻新風空調(diào)集成系統(tǒng)是在除濕技術(shù)發(fā)展的前提下從新受到關(guān)注的，在前人研究的基礎(chǔ)上，采用蒸發(fā)冷卻新風空調(diào)集成系統(tǒng)可適應(yīng)任何氣候環(huán)境條件下的要求，把節(jié)能、健康的思路用于空調(diào)系統(tǒng)就出現(xiàn)了蒸發(fā)冷卻新風空調(diào)集成系統(tǒng)。   蒸發(fā)冷卻技術(shù)還有不足之處，需要與材料技術(shù)，填料技術(shù)，除濕劑再生問題結(jié)合使之成為應(yīng)用廣泛的空調(diào)系統(tǒng)。參考文獻[1]許雷，等，上海高層建筑冷熱源裝置與能耗調(diào)查，制冷技術(shù)，1998   [2]中國建筑學會暖通空調(diào)委員會，暖通空調(diào)新技術(shù)1，北京：中國建筑工業(yè)出版   [3]陳沛霖，近年美國空調(diào)技術(shù)的發(fā)展，暖通空調(diào)，1996   [4]張登春陳炔新蒸發(fā)冷卻技術(shù)在我國干燥地區(qū)的應(yīng)用研究   [5]孫洲陽基于智能方法的蒸發(fā)型空調(diào)系統(tǒng)性能實驗與優(yōu)選研究   [6]黃翔蒸發(fā)冷卻新風空調(diào)集成系統(tǒng)