CFD技術(shù)在新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的應(yīng)用

劉佳莉， 黃 翔， 孫 哲

（西安工程大學(xué)，陜西西安 7100 48）

0 引言

與傳統(tǒng)空調(diào)相比較，蒸發(fā)冷卻空調(diào)采用水作為制冷劑、無(wú)四大運(yùn)動(dòng)部件、機(jī)組CO P較高，在節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。由于受到室外環(huán)境影響，使用范圍受限。為了提高蒸發(fā)冷卻空調(diào)的降溫幅度和實(shí)現(xiàn)一定范圍的濕度控制，基于MAISOTSENKO循環(huán)（簡(jiǎn)稱M-cycle）[1]理論，開(kāi)發(fā)出一種新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組。機(jī)組入口空氣可以采用新風(fēng)，利用不斷降溫的空氣，一部分作為蒸發(fā)冷卻的“工作空氣”（即二次空氣），來(lái)冷卻另一部分的“產(chǎn)出空氣”（即一次空氣）。由于“工作空氣”的溫度不斷降低，增加了空氣與水熱濕交換的能力，從而制取溫度更低的空氣，甚至接近露點(diǎn)溫度。

隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，其能夠自主、高速地進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算和各種信息處理，運(yùn)算速度已達(dá)到每秒億萬(wàn)次。在此之下衍生的商業(yè)軟件CFD（Computational Fluid Dynamics），也進(jìn)入了暖通空調(diào)應(yīng)用領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試相比較，其具有速度快、成本低、可模擬不同工況等優(yōu)點(diǎn)。為了更好地發(fā)揮蒸發(fā)冷卻節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，將這種模擬技術(shù)應(yīng)用于新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的模擬研究，對(duì)于機(jī)組性能優(yōu)化等方面具有重要意義。

1 露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻的模擬研究

露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻的模擬研究大多集中在換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行條件等方面。

X·Zhao等人[2]對(duì)一種新型的逆流露點(diǎn)式蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，通過(guò)數(shù)值計(jì)算不斷優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行條件，結(jié)果得出了幾種影響其冷卻效率的主要因素：氣流通道尺寸、氣流速度及工作空氣與進(jìn)氣量風(fēng)量比。并給出相關(guān)建議值：一次空氣的流速應(yīng)該保持在0.3～0.5 m/s，空氣通道高度保持在6 mm以下，進(jìn)風(fēng)中作為二次空氣的比例為0.4。

Zhan等人[3]利用有限元法建立了一個(gè)用于求解一次空氣和二次空氣間熱質(zhì)傳遞的耦合控制方程。試驗(yàn)和模擬結(jié)果的對(duì)比顯示，出口溫度的最大偏差為3.4%，濕球效率的最大偏差為9.4%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬基本吻合。模擬給出了相關(guān)推薦值：二次空氣流量小于1.77 m/s，一次空氣流量小于0.7 m/s，最佳二/一次空氣流量比為0.5，通道之間的高度保持在4 mm。模擬結(jié)果說(shuō)明露點(diǎn)式間接蒸發(fā)冷卻器比傳統(tǒng)的間接蒸發(fā)冷卻器效率高出16.7%。

Riangvilaikul和Kumar[4]建立了模擬露點(diǎn)式間接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)部熱質(zhì)傳遞過(guò)程的有限差分?jǐn)?shù)學(xué)模型。保持入口空氣溫度在35℃不變，含濕量在6.9～26.4 g/kg之間變化時(shí)，系統(tǒng)的露點(diǎn)效率的變化范圍為65%～86%，濕球效率的變化范圍為106%～109%。基于模型分析，文章提出系統(tǒng)理想運(yùn)行參數(shù)為：入口空氣流速小于2.5 m/s，通道間距小于5 mm，通道長(zhǎng)度大于1 m，二次空氣和一次空氣的流量比為35%～60%。

丁杰等人[5]對(duì)一種回?zé)崾介g接蒸發(fā)冷卻（簡(jiǎn)稱RIEC）器進(jìn)行CFD模擬。這種回?zé)崾介g接蒸發(fā)冷卻降溫后的一次空氣，一部分被循環(huán)作為二次空氣使用，RIEC具有正反饋式工作原理，其降溫潛力突破濕球溫度，在焓濕圖上，它的空氣處理過(guò)程與露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻相同，對(duì)于露點(diǎn)間接模擬研究具有一定參考。在進(jìn)行RIEC模擬研究中，采用同位網(wǎng)格劃分，有限容積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，模擬技術(shù)分析傳熱傳質(zhì)過(guò)程。從流道間距、空氣流速、相對(duì)濕度等方面分析其對(duì)冷卻效率和火用比的影響，結(jié)果給出建議取值：一二次通道間距4～5 mm，一次空氣通道4 mm左右，一次空氣流速2.5～3 m/s，二次空氣流速1～1.5 m/s。并指出為了得到高的火用比，一方面降低入口空氣相對(duì)濕度，提高入口干球溫度；另一方面，通道間距、長(zhǎng)度個(gè)一次空氣流速要保持合適范圍。

針對(duì)已有的具有潛力的露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的相關(guān)使用效果、節(jié)能潛力以及是否滿足溫濕度要求等方面，也有相關(guān)參考的模擬研究。

Eastment等人[6]對(duì)一種具有節(jié)能潛力的OASys兩級(jí)間接-直接蒸發(fā)冷卻器應(yīng)用于住宅建筑帶來(lái)的節(jié)能潛力和室內(nèi)溫濕度進(jìn)行模擬。其中，OASys的間接蒸發(fā)冷卻段是一個(gè)逆流露點(diǎn)式間接蒸發(fā)冷卻。文中分別對(duì)兩棟住宅進(jìn)行了年逐時(shí)建筑能耗模擬：模擬室和標(biāo)注室。為了說(shuō)明OASys的節(jié)能潛力，分別與不同的冷卻方式進(jìn)行對(duì)比：手動(dòng)控制的OASys、具有最佳控制的OASys、獨(dú)立的直接蒸發(fā)冷卻器和傳統(tǒng)的空調(diào)等。假定兩級(jí)O S A y s設(shè)備中間接段的換熱效率為45%（基于國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室對(duì)O S A y s的測(cè)定），直接段的濕球效率為85%，能制取濕球溫度以下的空氣。傳統(tǒng)的空調(diào)的能效比選擇13、15。對(duì)博雷格溫泉?dú)夂騾^(qū)的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出：1）OASys和直接蒸發(fā)冷卻器與傳統(tǒng)的空調(diào)器相比較，能夠節(jié)省大量電能；2）與直接蒸發(fā)冷卻相比較，OASys送風(fēng)溫度較低；3）OASys最佳控制與手動(dòng)控制相比，能夠節(jié)約約23%的能量消耗；④獨(dú)立的OASys，特別是直接蒸發(fā)冷卻器導(dǎo)致博雷戈溫泉住宅室內(nèi)相對(duì)濕度高于70%的運(yùn)行時(shí)間多于400 h。另外，直接蒸發(fā)冷卻器使得運(yùn)行時(shí)室內(nèi)干球溫度超過(guò)80℉的小時(shí)數(shù)超過(guò)400 h。

2 復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組簡(jiǎn)介

2.1 工作原理

露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是原有的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)基礎(chǔ)上的一個(gè)新的發(fā)展，由于特殊的芯體構(gòu)造，其可實(shí)現(xiàn)更大的溫降，可以對(duì)空氣的濕度實(shí)現(xiàn)一定范圍的控制。新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組與傳統(tǒng)的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組不同的是，機(jī)組的芯體構(gòu)造不同于傳統(tǒng)的板式間接和管式間接，它的芯體壁面被均勻打上了一定規(guī)則和大小的孔口。如圖1所示，芯體有不同的材料構(gòu)成兩個(gè)不同的空氣流動(dòng)通道，空氣自入口進(jìn)入機(jī)組的干通道，通過(guò)壁面的小氣孔而鉆入到另一側(cè)的通道，另一側(cè)頂部設(shè)有布水裝置，通過(guò)噴淋裝置，噴淋水在壁面形成均勻的水膜，這一側(cè)被稱為濕通道。在排風(fēng)機(jī)的作用下，進(jìn)入濕通道的空氣被稱為二次空氣（工作氣流），它與噴淋水進(jìn)行濕熱交換，來(lái)預(yù)冷干通道的一次空氣（產(chǎn)出氣流）。芯體末端設(shè)置擋板，最后所有干通道的一次空氣都經(jīng)過(guò)壁面的孔口，進(jìn)入到另一側(cè)的濕通道，與噴淋水熱濕交換，溫度降低的一次空氣最后作為機(jī)組的送風(fēng)[7]。

圖1 空氣運(yùn)動(dòng)途徑示意圖

新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組的工作原理就是能量的梯級(jí)利用，利用多個(gè)通道的不同狀態(tài)點(diǎn)的空氣，不斷降低一次空氣的濕球溫度，從而增加兩側(cè)通道之間空氣間的溫度差，從而增強(qiáng)之間的傳熱能力。

2.2 空氣處理過(guò)程

圖2 經(jīng)過(guò)芯體的產(chǎn)出空氣處理焓濕圖

新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的空氣處理過(guò)程如圖2所示，狀態(tài)點(diǎn)為1的空氣在干通道被逐級(jí)降溫到狀態(tài)點(diǎn)2，這是一個(gè)等濕冷卻過(guò)程（間接蒸發(fā)冷卻），空氣的溫度降低的同時(shí)含濕量保持不變；被等濕降溫的空氣繼而經(jīng)過(guò)孔口進(jìn)入濕通道，與噴淋水熱濕交換，被等焓降溫到狀態(tài)點(diǎn)3（直接蒸發(fā)冷卻）。理想狀態(tài)，一次空氣（產(chǎn)出氣流）經(jīng)過(guò)了間接-直接蒸發(fā)冷卻空氣處理后，最終落在了狀態(tài)點(diǎn)3，其中t1L＜t3＜t1s，也就是說(shuō)一次空氣的溫度處于亞濕球溫度[8]，甚至逼近露點(diǎn)溫度。

由于經(jīng)過(guò)了間接-直接蒸發(fā)冷卻空氣處理過(guò)程，其降溫幅度增加。評(píng)價(jià)其冷卻效果指標(biāo)為濕球效率ηIDEC。

式中 ηIDEC—復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻的濕球效率，%；

tg1—進(jìn)風(fēng)口空氣的干球溫度，℃；

ts1—進(jìn)風(fēng)口空氣的濕球溫度，℃；

tg3—送風(fēng)口空氣的干球溫度，℃。

3 CFD技術(shù)應(yīng)用

3.1 CFD技術(shù)發(fā)展

CFD技術(shù)發(fā)現(xiàn)源于英國(guó)，科學(xué)家T h o m通過(guò)手搖計(jì)算機(jī)完成了一個(gè)外掠圓柱流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算，由此衍生出利用計(jì)算機(jī)編程等手段解決工程中復(fù)雜的問(wèn)題。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，從20世紀(jì)60年代至今，CFD技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)主要的時(shí)期：起始階段，用于解決流體力學(xué)基本理論和數(shù)值計(jì)算；第二階段進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，面向?qū)嶋H工程計(jì)算問(wèn)題；第三階段，CFD技術(shù)日漸成熟，數(shù)據(jù)模擬以及分析功能強(qiáng)大，適用范圍廣，已經(jīng)被人們所關(guān)注[9]。國(guó)外該項(xiàng)技術(shù)的研究較早，英國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家率先開(kāi)始研究，20世紀(jì)80年代CFD進(jìn)入我國(guó)暖通空調(diào)領(lǐng)域，清華大學(xué)、東華大學(xué)等對(duì)氣流組織和送風(fēng)形式進(jìn)行了模擬。香港大學(xué)借助大渦模擬工具研究自然通風(fēng)問(wèn)題等[10]。該技術(shù)應(yīng)用于H V A C領(lǐng)域，主要用于流體計(jì)算、數(shù)值模擬、氣流組織分析、空調(diào)負(fù)荷計(jì)算、室內(nèi)污染物濃度分析等方面。

3.2 可以解決的問(wèn)題

3.2.1 設(shè)備性能改進(jìn)

（1）風(fēng)機(jī)和水泵

新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，其設(shè)備主要的耗能部件有送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵。它們都是通過(guò)流體工質(zhì)的流動(dòng)而工作的，流動(dòng)情況對(duì)設(shè)備性能有著重要的影響。利用CFD軟件模擬設(shè)備內(nèi)部流動(dòng)情況，來(lái)研究設(shè)備性能，從而改進(jìn)設(shè)備相關(guān)參數(shù)，使風(fēng)機(jī)和水泵在最佳工況下運(yùn)行，以達(dá)到降低其能耗，提高機(jī)組COP。

（2）芯體構(gòu)造

該機(jī)組特殊的芯體構(gòu)造，構(gòu)成了兩種不同工作性質(zhì)的通道：干通道和濕通道。通道高度的增加，濕球效率和制冷量都隨著下降，COP升高。而干通道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，干通道與濕通道空氣接觸時(shí)間越長(zhǎng)，換熱更充分，制冷量和濕球效率增加，COP下降。

（3）空氣流速

當(dāng)進(jìn)入機(jī)組的空氣增加時(shí)，一次空氣和二次空氣按照比例增加，流速也相應(yīng)比例增加。機(jī)組制冷量隨著空氣流量的增加而增加。然而流速過(guò)大會(huì)造成換熱不充分的問(wèn)題，制冷量反而受大流速影響而降低。

（4）空氣流量比

一次空氣和二次空氣流量比對(duì)機(jī)組冷卻效果的影響與通道高度有關(guān)。另外，從能量守恒的角度分析，需要處理得到一定降溫幅度的一次空氣，干燥地區(qū)需要的二次空氣較少，高濕度地區(qū)需要二次空氣較大[11]。

另外，空氣湍流擾動(dòng)強(qiáng)度、噴淋水是否均勻潤(rùn)濕壁面等，這些因素都對(duì)換熱效率有著重要影響，直接影響到機(jī)組的冷卻效果。CFD技術(shù)可實(shí)現(xiàn)快速模擬換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)、空氣流速、一次空氣與二次空氣流量比等，預(yù)測(cè)不同條件下對(duì)應(yīng)的不同效果，通過(guò)對(duì)比分析，可以尋找出一個(gè)最有利的條件，為機(jī)組換熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

3.2.2 室外環(huán)境分析設(shè)計(jì)

眾所周知，蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)受到外界環(huán)境的影響，其運(yùn)行具有不穩(wěn)定性。采用CFD可以方便地對(duì)室外環(huán)境進(jìn)行模擬。

通過(guò)模擬室外干球溫度和濕球溫度，可以設(shè)置不同工況，從而研究蒸發(fā)冷卻對(duì)應(yīng)的不同冷卻效率，分析不同室外環(huán)境參數(shù)的影響下蒸發(fā)冷卻的性能，對(duì)其應(yīng)用有著指導(dǎo)意義。而且，具有投資少、經(jīng)濟(jì)、不受客觀條件限制、時(shí)間短等特點(diǎn)。

3.2.3 室內(nèi)環(huán)境分析設(shè)計(jì)

室內(nèi)環(huán)境包括室內(nèi)熱環(huán)境和室內(nèi)空氣品質(zhì)兩方面。ASHRAE Standard 55-1992中將熱舒適定義為人體對(duì)熱環(huán)境滿意的意識(shí)狀態(tài)。對(duì)于舒適性空調(diào)，室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速取值范圍見(jiàn)表1。

表1 通用熱舒適區(qū)的最佳取值范圍

同樣，舒適的室內(nèi)環(huán)境要求室內(nèi)具有良好的空氣品質(zhì)，室內(nèi)需要及時(shí)輸送一定量的新風(fēng)，來(lái)保證人們生活和工作所需要的足夠氧氣?，F(xiàn)代建筑室內(nèi)由于裝修等過(guò)程，墻壁等物體會(huì)向室內(nèi)散發(fā)一定的有害物質(zhì)，如甲醛等。室內(nèi)充足的新風(fēng)和良好的氣流組織形式，對(duì)于消除室內(nèi)污染物濃度，保持良好空氣品質(zhì)非常重要。

新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組能夠向室內(nèi)輸送降溫和過(guò)濾的新風(fēng)，通過(guò)吸收室內(nèi)余熱和置換室內(nèi)污染空氣來(lái)保持室內(nèi)一定舒適環(huán)境。所以，室內(nèi)溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)分布情況、氣流組織是否合理，以及室內(nèi)污染物濃度分布等對(duì)該機(jī)組的研究和應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。CFD技術(shù)在評(píng)價(jià)室內(nèi)氣流組織是否合理，分析室內(nèi)污染物濃度的分布等發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

3.3 技術(shù)路線

模擬技術(shù)應(yīng)用于新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的研究，其基本的技術(shù)路線如圖所示，首先，對(duì)該機(jī)組建立質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和能量方程，指定初始時(shí)刻已知函數(shù)值，并確定機(jī)組換熱器結(jié)構(gòu)尺寸、干濕通道幾何尺寸、氣流流速、二次/一次空氣流量比等參數(shù)。然后，將原來(lái)連續(xù)的物理場(chǎng)用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)的集合代替，建立離散方程，最后求解變量近似值。CFD技術(shù)常用的數(shù)值方法包括有限差分法、有限容積法、有限元法和有限分析法。

針對(duì)新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組進(jìn)行實(shí)際效果測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果可以比較分析（如圖3所示）。

圖3 CFD技術(shù)應(yīng)用于新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組模擬研究的技術(shù)路線

3.4 存在不足

（1）新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的核心部件為機(jī)組的芯體，影響機(jī)組的效率主要因素之一就是芯體的結(jié)構(gòu)尺寸，但區(qū)別于傳統(tǒng)的間接蒸發(fā)冷卻器，選擇合理的網(wǎng)格劃分很重要。

（2）受到客觀因素的影響，模擬研究多對(duì)三維的模型簡(jiǎn)化為一維或者二維，不能真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際情況，應(yīng)對(duì)加強(qiáng)三維模型的建立進(jìn)行研究。

（3）新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組的空氣處理過(guò)程較為復(fù)雜，一次空氣經(jīng)過(guò)等濕降溫和等焓降溫兩個(gè)處理過(guò)程，濕通道中關(guān)于水膜的過(guò)多假設(shè)對(duì)其內(nèi)部的熱質(zhì)交換的模擬結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，應(yīng)加強(qiáng)更符合實(shí)際情況的控制方程的推導(dǎo)和動(dòng)態(tài)模型的建立。

4 結(jié)語(yǔ)

新型復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在降溫幅度和濕度控制方面發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，節(jié)能和環(huán)保潛力突出，結(jié)合CFD技術(shù)成本低、有效、便捷等特點(diǎn)，先對(duì)機(jī)組的結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)行條件，以及應(yīng)用該機(jī)組的建筑室內(nèi)溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、氣流組織等進(jìn)行模擬，再對(duì)機(jī)組進(jìn)行實(shí)際性能和運(yùn)行效果測(cè)試，模擬與實(shí)際測(cè)試相結(jié)合，是一條科學(xué)和合理的研究該新型機(jī)組并推廣其應(yīng)用的技術(shù)路線。

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