蒸發(fā)冷卻新風(fēng)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(duì)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(fēng)空調(diào)集成系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，以及在蒸發(fā)冷卻空調(diào)中的技術(shù)難點(diǎn)提出的可行性分析

關(guān)鍵詞：蒸發(fā)冷卻新風(fēng)空調(diào)集成系統(tǒng)1.引言當(dāng)今，能源短缺和環(huán)境惡化已成為一個(gè)世界性問(wèn)題，如何合理有效地利用能源及保護(hù)環(huán)境，是世界各國(guó)所共同關(guān)心的焦點(diǎn)之一，也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。自從上世紀(jì)70年代兩次全球能源危機(jī)以來(lái)，節(jié)能已成為發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)注的熱點(diǎn)；而90年代提出可持續(xù)發(fā)展理論和環(huán)境資源保護(hù)以后，節(jié)能和環(huán)保為世界各國(guó)所重視。隨著科技的進(jìn)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(dá)的工業(yè)國(guó)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(gè)側(cè)面反映了一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的高低。在我國(guó)，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(jì)[2]，1996年我國(guó)空調(diào)設(shè)備（指電動(dòng)及吸收式冷水機(jī)組、房間空調(diào)器以及單元空調(diào)機(jī)組，但不包括進(jìn)口機(jī)組）的總制冷能力約為2000萬(wàn)KW。在我國(guó)建造一臺(tái)300MW（30萬(wàn)KW）的發(fā)電機(jī)組，使用國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，每KW的綜合造價(jià)高達(dá)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(jiǎn)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(gè)絕熱加濕過(guò)程。它要以在冷卻塔、噴水室或其他絕熱加濕設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)，其裝置原理因式如圖1所示，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)冷卻過(guò)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(jìn)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(jiǎn)稱IEC)是指把直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程中降低了溫度的空氣和水通過(guò)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(fēng)空氣，此過(guò)程為一等濕冷卻過(guò)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(fēng)空氣的裝置原理因式，如圖3所示。   間接蒸發(fā)冷卻過(guò)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(dāng)二次空氣流經(jīng)直接蒸發(fā)冷卻裝置HUM時(shí)，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(jìn)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(lái)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(guò)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(guò)程中，一次空氣只可能等濕冷卻，即從tw降到to，對(duì)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(diǎn)蒸發(fā)型空調(diào)與傳統(tǒng)的壓縮機(jī)型空調(diào)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)[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(jī)械制冷的1/2，機(jī)械制冷系統(tǒng)的造價(jià)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?jī)H為傳統(tǒng)空調(diào)的八分之一，運(yùn)行能耗約為傳統(tǒng)機(jī)械制冷的1/5；蒸發(fā)型空調(diào)設(shè)備中除了所需風(fēng)機(jī)和水泵動(dòng)力外，無(wú)需輸入能量，因此性能系數(shù)COP值很高（約為機(jī)械制冷的2.5~5倍），通常機(jī)械制冷系統(tǒng)的裝機(jī)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(fēng)，且具有空氣過(guò)濾器和加濕功能，對(duì)空氣進(jìn)行凈化和加濕處理，大大改善其室內(nèi)空氣品質(zhì)。   ·保護(hù)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(duì)大氣無(wú)污染。   ·維修簡(jiǎn)便、費(fèi)用便宜；在安裝運(yùn)行操作、維護(hù)保養(yǎng)方面，傳統(tǒng)壓縮式空調(diào)機(jī)組一般需要冷水機(jī)組、冷卻塔、冷卻水泵、末端裝置等設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜，安裝、運(yùn)行、維護(hù)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(yùn)行操作管理方便，無(wú)須專業(yè)維護(hù)人員。4.蒸發(fā)冷卻新風(fēng)空調(diào)集成系統(tǒng)的提出新風(fēng)空調(diào)集成系統(tǒng)概念的提出的歷史背景是2001年美國(guó)“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(yàn)，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(huì)隨空調(diào)系統(tǒng)的回風(fēng)擴(kuò)散到建筑物的其他房間，整個(gè)建筑物的工作人員將面臨巨大的危險(xiǎn)，不得不疏散。因此“致病建筑物”這一重大問(wèn)題重新引起了整個(gè)社會(huì)的關(guān)注，集中空調(diào)系統(tǒng)又一次面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。   蒸發(fā)冷卻技術(shù)上尚存在認(rèn)識(shí)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(guó)的西南部、澳大利亞、印度、巴基斯坦、南非、以色列和我國(guó)的西北地區(qū)等炎熱干燥地帶得到推廣。這說(shuō)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?yàn)檎舭l(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(fù)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(guò)程組成。被處理空氣的潛熱處理靠除濕劑吸濕來(lái)完成，顯熱處理靠蒸發(fā)冷卻來(lái)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(jī)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(guó)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(jī)械制冷   與機(jī)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(jí)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)控制較復(fù)雜等。當(dāng)僅靠蒸發(fā)冷卻不能達(dá)到要求時(shí)，可啟動(dòng)機(jī)械制冷進(jìn)行補(bǔ)償。為了提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，應(yīng)盡量加大新風(fēng)量，最好采用全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。但這將導(dǎo)致機(jī)械制冷能耗的增加。因此，將機(jī)械制冷也蒸發(fā)冷卻技術(shù)相結(jié)合，可大大降低機(jī)械制冷的能耗，同時(shí)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(jī)械制冷相對(duì)立，而應(yīng)有機(jī)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(diǎn)及其技術(shù)難點(diǎn)·技術(shù)特點(diǎn)[5]   蒸發(fā)型空調(diào)的基本功能就是對(duì)空氣進(jìn)行熱濕處理，使空氣達(dá)到送風(fēng)的要求，滿足空氣調(diào)節(jié)空間的溫度、濕度、風(fēng)速和潔凈度等要求；其核心問(wèn)題就是空氣和水的熱質(zhì)交換問(wèn)題。從熱力學(xué)分析的角度看，無(wú)論是在直接蒸發(fā)冷卻還是間接蒸發(fā)冷卻的過(guò)程中，它是一個(gè)流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)同時(shí)發(fā)生，并且多個(gè)傳熱過(guò)程相互耦合、相互交叉影響的復(fù)雜不可逆熱力過(guò)程。又由于蒸發(fā)冷卻過(guò)程中的熱量、質(zhì)量傳遞推動(dòng)勢(shì)相對(duì)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(shí)，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(duì)環(huán)境無(wú)破壞作用。   ·技術(shù)難點(diǎn)   蒸發(fā)型空調(diào)系統(tǒng)中的熱和質(zhì)的交換問(wèn)題，是傳熱界的一個(gè)主要研究方向。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外仍有許多學(xué)者正對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行更深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，但從系統(tǒng)整體出發(fā)，綜合考慮各個(gè)部件的熱質(zhì)交換特性的還沒(méi)有；另一方面由于該問(wèn)題自身的復(fù)雜性，水和空氣間熱質(zhì)交換過(guò)程表現(xiàn)出高度的時(shí)變和非線性特性，使得無(wú)論在物理模型的建立，還是在數(shù)學(xué)模型的求解上都非常困難，而且數(shù)學(xué)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(wèn)題結(jié)合使之成為應(yīng)用廣泛的空調(diào)系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)[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(guó)建筑學(xué)會(huì)暖通空調(diào)委員會(huì)，暖通空調(diào)新技術(shù)1，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版   [3]陳沛霖，近年美國(guó)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(guó)干燥地區(qū)的應(yīng)用研究   [5]孫洲陽(yáng)基于智能方法的蒸發(fā)型空調(diào)系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)與優(yōu)選研究   [6]黃翔蒸發(fā)冷卻新風(fēng)空調(diào)集成系統(tǒng)