三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)空氣處理過程的分析

裴秀英，王玉剛，馬益民

(集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗約占建筑總能耗的50%左右[1]，其中空調(diào)系統(tǒng)能耗較大的主要原因在于機(jī)械制冷壓縮設(shè)備的大量使用，這種制冷設(shè)備的能效比較低，導(dǎo)致其消耗的一次能源和碳排放量較大，并且CFCs和HCFCs等制冷劑的使用加劇了全球溫室效應(yīng)[2]。

蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)采用水作為冷媒，利用水的自然蒸發(fā)吸熱使空氣降溫，通過合理的設(shè)計(jì)，可以將降溫后的空氣作為送風(fēng)送到空調(diào)區(qū)域以降低室溫，因此，這種蒸發(fā)冷卻空調(diào)能耗較低。另外，由于設(shè)備中不使用制冷壓縮機(jī)，主要使用風(fēng)機(jī)和水泵作為動(dòng)力設(shè)備，系統(tǒng)的能效比(COP值)很高。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，機(jī)械制冷系統(tǒng)的單位面積耗電量約為50 W/m2，而蒸發(fā)型冷卻空調(diào)系統(tǒng)的單位面積耗電量約為10 W/m2，節(jié)能80%左右，是一種環(huán)境友好型的空調(diào)方式[3-4]。蒸發(fā)冷卻型的空調(diào)冷卻器，綜合間接蒸發(fā)和直接蒸發(fā)的工藝特點(diǎn)，目前多為兩級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)和三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)。其中三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)是由兩級(jí)間接蒸發(fā)冷卻器和一級(jí)直接蒸發(fā)冷卻器串接構(gòu)成。目前，三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)西北地區(qū)的工業(yè)建筑和民用建筑中已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用，并取得了良好的節(jié)能效果；在我國(guó)其他地區(qū)的工業(yè)建筑和半開敞空間中也得到了越來越多的應(yīng)用。

在應(yīng)用中，間接蒸發(fā)冷卻器在理想狀態(tài)下可將環(huán)境空氣的干球溫度冷卻至其濕球溫度，但由于其實(shí)際冷卻效率較低(50%～60%)[3-5]，為了滿足送風(fēng)要求只能增大其體積，因此導(dǎo)致三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組整體體積較大，限制了蒸發(fā)冷卻技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1系統(tǒng)工作原理

目前，三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)流程如圖1所示[6]。

第一、二級(jí)多為板式間接蒸發(fā)冷卻器(圖中的IEC1和IEC2部分)，其中IEC1為預(yù)冷段，IEC2為再冷段。第三級(jí)為空氣與水直接接觸式蒸發(fā)冷卻器(圖中的DEC部分)，對(duì)空氣進(jìn)行等焓加濕。系統(tǒng)中一、二次空氣均采用室外環(huán)境空氣。

圖2為三級(jí)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)空氣處理過程的焓濕圖。首先，一次空氣在第一級(jí)間接冷卻器中被冷卻，該冷卻過程控制為等濕降溫，表現(xiàn)為圖2中的1→2處理過程；降溫后的一次空氣再進(jìn)入第二級(jí)間接蒸發(fā)冷卻器的空氣側(cè)干通道，表現(xiàn)為圖2中的2→3處理過程，在這個(gè)處理過程中，一次空氣的含濕量仍然維持不變，但是其溫度進(jìn)一步被降低，這一級(jí)溫度降低幅度小于第一級(jí)的溫度降低幅度。最后，一次空氣進(jìn)入直接蒸發(fā)式冷卻器，被噴淋水等焓加濕，溫度再一次降低(3→4)，然后4狀態(tài)點(diǎn)的一次空氣被送入室內(nèi)，用于空氣調(diào)節(jié)；而第一級(jí)和第二級(jí)間冷蒸發(fā)冷卻器的二次空氣分別與水進(jìn)行蒸發(fā)冷卻作用后排出，見圖中的5→6和7→8。

2 熱力學(xué)分析

三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的一、二級(jí)冷卻器的二次空氣從系統(tǒng)流出后，都沒有再回流入系統(tǒng)，而是直接排到室外大氣環(huán)境中，是典型的開式直流系統(tǒng)，而一次空氣也是排入空調(diào)環(huán)境中沒有循環(huán)使用，這樣，一、二次空氣具備的可用能都無端被損失了，系統(tǒng)產(chǎn)生了不可逆的能量損失。為了能詳細(xì)地確定其損失的程度，利用熱力學(xué)的原理，對(duì)一、二次空氣在每一級(jí)熱交換器中的熱質(zhì)交換過程進(jìn)行分析。

2.1 分析模型

在某特定的環(huán)境中，物質(zhì)所擁有的能量能最大程度地轉(zhuǎn)換為有用功的那部分能量被定義為[7]。對(duì)于三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，其一、二次空氣源都為環(huán)境空氣，而環(huán)境空氣是由干空氣和水蒸氣組成的濕空氣。

對(duì)于溫度為T、壓力為p、含濕量為d的濕空氣，其比的理論計(jì)算公式為

ea=eph+ech。

(1)

式中：ea為比；eph為比物理；ech為比化學(xué)。

eph=i-i0-T0(s-s0)。

(2)

式中：i為濕空氣的比焓，kJ/kg；s為濕空氣的比熵，kJ/(kg·K)；T為濕空氣的熱力學(xué)溫度，K。

式(2)中的下角標(biāo)“0”，是為了方便計(jì)算而定義的一個(gè)狀態(tài)，代表分析的參考狀態(tài)。本文選取大氣環(huán)境的狀態(tài)作為分析的參考狀態(tài)[7]。在大氣環(huán)境狀態(tài)下，濕空氣的熱力學(xué)性質(zhì)與理想氣體的熱力學(xué)性質(zhì)非常接近，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將濕空氣視為理想氣體。

i=cp,data+(2 500+cp,vta)d。

(3)

式中：cp,da為干空氣的定壓比熱，kJ/(kg·K)；cp,v為水蒸氣的定壓比熱，kJ/(kg·K)；ta為干空氣的溫度，K；d為含濕量，g/kg。

s=cpln(T/T0)-Rln(p/p0)。

(4)

式中：cp,v為濕空氣的定壓比熱，kJ/(kg·K)；p為濕空氣的壓強(qiáng)，Pa；p0為參考計(jì)算狀態(tài)濕空氣的壓強(qiáng)，Pa。

將式(3)和式(4)代入式(2)，并整理得到

eph=(cp,da+dcp,v)[T-T0-T0ln(T/T0)]+(Rda+dRv)T0ln(p/p0)。

(5)

式中：Rda為干空氣的氣體常數(shù)；Rv為水蒸氣的氣體常數(shù)。

ech=T0{(Rda+dRv)ln{(Rda+d0Rv)/(Rda+dRv)}+dRvln(d/d0)}。

(6)

ea= (cp,da+dcp,v)[T-T0-T0ln(T/T0)]+(Rda+dRv)T0ln(p/p0)+

T0{(Rda+dRv)ln[(Rda+d0Rv)/(Rda+dRv)]+dRvln((d/d0)}。

(7)

在三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)中，進(jìn)入間接蒸發(fā)器冷卻器的二次空氣的溫度由水來控制，水通過噴淋的形式與空氣直接接觸，讓二次空氣溫度降低，這樣，在冷卻一、二次空氣的過程中會(huì)發(fā)生噴淋水的損耗。

ew=iw(T)-iv(T0)-T0[sw(T)-sv(T0)]+[P-Psat(T)]vw(T)-RvT0ln(φ0)[8]。

(8)

式中：iw為水的比焓，kJ/kg；iv為水蒸氣的比焓，kJ/kg；sw為水的熵，kJ/(kg·K)；sv為水蒸氣的比熵，kJ/(kg·K)；psat為飽和濕空氣的壓強(qiáng)，Pa；φ0為參考計(jì)算狀態(tài)的相對(duì)濕度。

由此可見，三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在空氣的處理過程中，由于濕空氣被降溫，水有損耗，最終使得整個(gè)系統(tǒng)的入口總是大于出口，其差值就是系統(tǒng)產(chǎn)生的損失。而決定空氣處理過程效果的因素有很多，比如蒸發(fā)冷卻器的結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)空氣的狀態(tài)參數(shù)等。作為理論分析，本文以系統(tǒng)平衡為前提建立計(jì)算模型，分析三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)中空氣處理過程的熱力特性。

由Ein-Eout-Ed=0可得

(9)

式中：Eout為有效輸出，kW；Ein為總輸入，kW；Ed為損失，kW；ma為空氣的質(zhì)量流量，下標(biāo)中數(shù)字代表各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，kg/s；ea為空氣的比，下標(biāo)中數(shù)字代表各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，為一級(jí)間接蒸發(fā)冷卻器的水的質(zhì)量流量，為一級(jí)間接蒸發(fā)冷卻器的熵產(chǎn)，kW/K。

(10)

(11)

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總換熱效率不是每一級(jí)換熱效率的疊加。本文采用效率概念作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的熱力過程進(jìn)行評(píng)價(jià)。

ηE=Eout/Ein=(Ein-Ed)/Ein=1-(Ed/Ein)。

(12)

式中：ηE為效率；Ed為系統(tǒng)的損失。

將其分解在各級(jí)蒸發(fā)冷卻器之中，如式(13)所示。

(13)

(14)

3 計(jì)算結(jié)果分析

設(shè)定三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)空氣處理過程的工況：環(huán)境空氣干球溫度為30℃，相對(duì)濕度為35%，間接蒸發(fā)冷卻器中，一、二次空氣的風(fēng)量比均取1∶1，第一級(jí)間接蒸發(fā)冷卻器濕球效率取70%[9]，第二級(jí)間接蒸發(fā)冷卻器濕球效率取45%[10]，直接蒸發(fā)冷卻器濕球效率取90%[9]。利用公式(7)的熱力學(xué)分析模型，對(duì)三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理過程進(jìn)行熱力學(xué)分析計(jì)算，得出圖2所示的各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的熱力參數(shù)，如表1所示。

表1 三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)空氣處理過程中各狀態(tài)點(diǎn)的熱力參數(shù)

由表1計(jì)算結(jié)果分析可知，間接蒸發(fā)冷卻器中，一次空氣經(jīng)過第一級(jí)間接蒸發(fā)冷卻器冷卻(熱力過程為1→2)，再經(jīng)過第二級(jí)蒸發(fā)冷卻器冷卻(熱力過程為2→3)后，其比是增加的，而在直接蒸發(fā)冷卻器等焓加濕(熱力過程為3→4)后，其比略有減少。而經(jīng)過兩級(jí)間接蒸發(fā)冷卻器的二次空氣(熱力過程為5→6、7→8)，其比都是減少的，減少的比是由于一次空氣與二次空氣之間熱容量的不平衡造成的，為不可逆?zhèn)鳠釗p失，定義為內(nèi)部損失。狀態(tài)點(diǎn)6和狀態(tài)點(diǎn)8是兩個(gè)間接蒸發(fā)冷卻器二次空氣的出口狀態(tài)，這兩部分空氣直接排到室外，其損失的能量定義為排風(fēng)損失。這兩部分損失是構(gòu)成間接蒸發(fā)冷卻器損失的主要組成。系統(tǒng)中各級(jí)蒸發(fā)冷卻器的損失的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 各級(jí)蒸發(fā)冷卻器的損失Tab.2 Exergy loss of each stageevaporative cooler蒸發(fā)冷卻器Evaporative cooler損失Exergy loss/(kJ·kg-1)IEC11.361IEC21.023DEC0.268表3 三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的分析計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculated results by exergy analysis of threestage evaporative cooling air-conditioning system計(jì)算參數(shù)Parameters calculatedEout/(kJ·kg-1)Ein/(kJ·kg-1)ηE/%計(jì)算結(jié)果Results calculated1.245.1124.27

4 結(jié)論

2)典型工況下的三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)中，第三級(jí)直接蒸發(fā)冷卻器的損失只有5.09%，一、二級(jí)間接蒸發(fā)冷卻器的損失分別占總輸入的36.98%和33.66%，系統(tǒng)的性能影響較大。根據(jù)這部分損失產(chǎn)生的基理，提升間接蒸發(fā)冷卻器中熱質(zhì)交換的完善程度，優(yōu)化間接蒸發(fā)冷卻器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(外形及外形尺寸、換熱器中空氣通道的形式等)，匹配系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)(一、二次空氣的風(fēng)量、風(fēng)速，噴淋水的水量、噴水模式)等，是提高蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)能效的主要途徑。