夜為晝用的蒸發(fā)冷卻式節(jié)能空調(diào)的設(shè)計(jì)

黃興宗，盤麗萍，陳思敏，李 敏

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東湛江524088）

引言

我國(guó)西北內(nèi)陸區(qū)，如新疆、青海、寧夏等使用的空氣調(diào)節(jié)器主要是以蒸發(fā)式制冷［1］為主。雖然蒸發(fā)式制冷利用了干濕球溫差的天然冷源［2］，能耗較低，但是存在耗水量大和降溫有限的缺點(diǎn)。特別是在食堂這種冷負(fù)荷大、溫度要求低的場(chǎng)合，蒸發(fā)式制冷機(jī)組并不能滿足需求。如果采用壓縮式制冷空調(diào)，雖然能得到較低的空氣溫度，但是耗功大，且不具備調(diào)濕功能。同時(shí)，由于食堂供冷只出現(xiàn)在中午時(shí)刻，如果采用壓縮式制冷空調(diào)，其成本將高于效用［3］。

為了有效利用西北地區(qū)晝夜溫差大的特點(diǎn)［4］，并結(jié)合直接蒸發(fā)式制冷的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種耗水量少、溫降大、無(wú)壓縮耗功、可調(diào)濕的以蒸發(fā)冷卻為基礎(chǔ)的利用晝夜溫差的新型節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。并以西寧某飯?zhí)孟募究照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)案例，進(jìn)行計(jì)算和系統(tǒng)匹配，且與普通蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行能耗對(duì)比，具有良好的節(jié)能效果。為本設(shè)計(jì)在同類地域空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供參考。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)原理流程的設(shè)計(jì)

為了克服蒸發(fā)式冷卻空調(diào)直冷濕度大，間冷溫差小，實(shí)際應(yīng)用受限的缺陷，并有效利用直接蒸發(fā)制冷的優(yōu)點(diǎn)［5］，結(jié)合晝夜溫差地區(qū)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了新型節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，其系統(tǒng)流程原理圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由軸流風(fēng)機(jī)，噴淋室，管翅式換熱器，保溫水箱，高位水箱，水泵，冷卻塔和系列閥門與管道組成。保溫水箱用來(lái)蓄存夜晚的低溫水。高位水箱與冷卻塔

形成回路有效利用晝夜溫差散熱和維持冷水溫度。

圖1 系統(tǒng)原理流程圖1—軸流式風(fēng)機(jī)；2—噴淋室；3—管翅式換熱器；4—室內(nèi)；5—保溫水箱；6、7—比例積分閥；8—室外水箱 （高位水箱）；9—冷卻水塔

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行方式解析

如圖1所示，室外空氣首先通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)入噴淋室，經(jīng)循環(huán)水噴淋后等焓加濕，然后等焓加濕降溫后的空氣進(jìn)入換熱器，與夜晚的冷水進(jìn)行換熱，空氣在換熱器內(nèi)與冷水進(jìn)行熱交換，溫度進(jìn)一步降低，但含濕量不變，冷卻后的空氣通入室內(nèi)，達(dá)到室內(nèi)制冷效果。吸收了空氣的顯熱的冷水流到高位水箱儲(chǔ)存起來(lái)。待到晚上氣溫開始降低時(shí)，冷卻水塔開始工作將白天吸收了空氣顯熱的冷水降溫，當(dāng)溫度降低到設(shè)計(jì)溫度時(shí)，溫控器發(fā)出信號(hào)打開電動(dòng)閥，使高位水箱的冷水流入保溫水箱保溫，以供白天使用，同時(shí)，冷卻水塔停止工作。濕空氣的狀態(tài)變化如圖2所示，從1點(diǎn)等焓加濕到2點(diǎn)，再等濕降溫到3點(diǎn)。

圖2 濕空氣的蒸發(fā)冷卻過(guò)程

2 案例空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)條件

本系統(tǒng)在進(jìn)行計(jì)算時(shí)有以下的設(shè)定：

以青海西寧為例子進(jìn)行可行性計(jì)算，計(jì)算模型是當(dāng)?shù)氐囊凰執(zhí)谩Ｊ程霉├湟话阒怀霈F(xiàn)在中午3個(gè)小時(shí)內(nèi)。食堂的冷負(fù)荷比較大，用直接通新風(fēng)或普通的蒸發(fā)式冷卻的方法并不能滿足需求。

西寧夏季空調(diào)室計(jì)算日平均溫度20.8℃，室外計(jì)算干球溫度26.5℃，室外計(jì)算濕球溫度16.6℃，室內(nèi)干球溫度22℃，夏季夜晚平均溫度9℃［6］。

食堂需供冷面積100平方米。其構(gòu)造如下：

（1）屋頂：從上到下為：細(xì)石混凝土40mm，防水卷材4mm，水泥砂漿 20mm，擠塑聚苯板35mm，水泥砂漿20mm，水泥爐渣20mm，鋼筋混凝土120mm，傳熱系數(shù)K＝0.49W／（m2·K）。

（2）外墻：水泥砂漿 20mm，擠塑聚苯板25mm，水泥砂漿20mm，鋼筋混凝土200mm，傳熱系數(shù)K＝0.83W／（m2·K）。

（3）外窗：雙層窗，3mm厚普通玻璃；金屬窗框，窗高1500mm，長(zhǎng)2000mm。

（4）內(nèi)墻：鄰室與食堂溫度基本相同。

（5）食堂每小時(shí)人流量70人，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為11∶00-13∶00.

（6）室內(nèi)照明：白熾燈，100W。

（7）新風(fēng)量：≥30m3／（人·h）。

2.2 設(shè)計(jì)工況范圍

通過(guò)結(jié)合西寧市夏季的氣候特點(diǎn)和濕空氣焓濕圖，可以得到本系統(tǒng)的工況范圍，如圖3。由于人體對(duì)濕度和溫度有舒適性要求，所以以1點(diǎn)作為換熱器最大工況點(diǎn)，2點(diǎn)作為噴淋室最大工況點(diǎn)，陰影部分為常用工況，其相對(duì)濕度范圍為50%～70%，溫度范圍為24～18℃。

2.3 冷負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)選定的初始數(shù)據(jù)，對(duì)食堂中午三小時(shí)內(nèi)屋面、外墻、外窗非穩(wěn)態(tài)傳熱、透過(guò)窗日射得熱、人體散熱、照明散熱和人就餐時(shí)額外增加的顯熱和潛熱進(jìn)行計(jì)算冷負(fù)荷。負(fù)荷匯總?cè)绫?所示。

圖3 工況范圍示意圖

表1 房間各部分冷負(fù)荷分類匯總表

2.4 匹配換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

換熱器按換熱器的最大工況來(lái)計(jì)算，此時(shí)空氣進(jìn)口溫度26.5℃，出口溫度18℃。而管程側(cè)的冷水由于保溫水箱里的冷水會(huì)有一定的溫升而高于9℃，所以這里假設(shè)換熱器進(jìn)口水溫為12℃。管子外表面的溫度會(huì)由于兩側(cè)的污垢熱阻、管壁導(dǎo)熱熱阻的存在而高于空氣的露點(diǎn)溫度，所以計(jì)算不需要考慮結(jié)露情況。

通過(guò)計(jì)算，獲得換熱器所需面積為4.49m2，將換熱器設(shè)計(jì)為傳熱管用?10x0.7mm的純銅管，翅片選用 δf＝0.2mm的鋁套片，翅片間距 sf＝2.2mm。管束按正三角形叉排排列，垂直于流動(dòng)方向管間距s1＝25mm，沿流動(dòng)方向管排數(shù)nL＝8。寬1800mm，高300mm，垂直于氣流方向的每排管子數(shù)為12，其設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示。核算此換熱器的換熱面積為4.67 m2，設(shè)計(jì)換熱面積比最大工況所需的換熱面有4%的富裕度，設(shè)計(jì)合理。

圖4 換熱器管束布置圖

2.5 噴淋室設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)條件為：離心噴嘴的噴嘴密度n＝13個(gè)／（m2·排）；vρ＝1.5～3.0kg／（m2·s）；噴嘴前水壓P0＝0.1～0.25MPa下根據(jù)文獻(xiàn) ［7］噴水室熱交換效率實(shí)驗(yàn)公式的系數(shù)和指數(shù)，設(shè)計(jì)噴淋室迎風(fēng)面大小寬為b＝0.6m，h＝0.9m。

計(jì)算噴淋室出口溫度t2與噴水室噴淋水量之間在不同空氣量下的關(guān)系并繪制該曲線如圖5所示。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)噴水量來(lái)調(diào)節(jié)噴淋室的出口溫度。

式中，qm為噴淋水量，kg／s；G為處理空氣量，kg／s。

2.6 水箱設(shè)計(jì)

2.6.1 保溫水箱體積的設(shè)計(jì)

最大工況時(shí)，冷水經(jīng)過(guò)換熱器的質(zhì)量流量qm2＝0.525kg／s，假設(shè)本系統(tǒng)按照最大工況運(yùn)行，滿足食堂中午運(yùn)行3個(gè)小時(shí)的要求，則總的冷水量M為：

總體積V′為：

圖5 噴淋室出口溫度與噴水量關(guān)系

V′＝M／ρ＝5670／1000＝5.67m3，

匹配水箱體積V為：

V＝6m3，

V／V′＝6／5.67＝1.06。

有6%的富裕度，設(shè)計(jì)合理。

選用市面上的6T常規(guī)保溫水箱，水箱直徑和高度為1880mm×2400mm，保溫層材料為聚氨酯，厚度50mm，其保溫效果為24小時(shí)內(nèi)溫度降幅±2℃，滿足使用要求。保溫水箱應(yīng)放置于陰涼處、且對(duì)流弱的位置。

3.6.2 室外高位水箱的設(shè)計(jì)

室外水箱要求換熱良好，所以選用市面上的常規(guī)6T不銹鋼臥式水塔，其尺寸為D1360mm×L3300mm。為保證室外水箱可以通過(guò)重力將冷水送到保溫水箱，設(shè)計(jì)室外水箱高為3m。

2.7 溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了空調(diào)系統(tǒng)的良好使用，必須匹配合適的溫度控制系統(tǒng)，參考相關(guān)文獻(xiàn)［8］并設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

對(duì)于左流程，當(dāng)冷負(fù)荷發(fā)生改變后，溫控器檢測(cè)到室內(nèi)溫度發(fā)生偏移，將對(duì)電動(dòng)閥和電動(dòng)風(fēng)閥發(fā)出信號(hào)，改變冷水流量和空氣量，使室溫回到設(shè)定值。對(duì)于右流程，在夜晚時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到室外水箱里冷水的溫度經(jīng)過(guò)冷卻塔的循環(huán)冷卻后已經(jīng)足夠低了，便打開常閉的電動(dòng)閥門，使室外水箱的冷水流入保溫水箱，同時(shí)關(guān)閉冷卻水塔的循環(huán)泵。

圖6 溫控器流程圖

2.8 設(shè)備功率計(jì)算及選型

目前離心式泵總效率約在0.60～0.90的范圍，軸流風(fēng)機(jī)可達(dá)0.90以上［9］。本系統(tǒng)匹配的離心式泵總效率選用0.85，軸流風(fēng)機(jī)總效率選用0.90。

2.8.1 送風(fēng)機(jī)的功率計(jì)算及選型

通過(guò)對(duì)噴淋室內(nèi)阻力、換熱器內(nèi)阻力以及管道阻力的計(jì)算并修正，得風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量qv1＝qv1′＝1.848m3／s，風(fēng)壓 P＝356.45Pa。由于風(fēng)壓不高，流量比較大，所以本風(fēng)機(jī)選用KT-40的軸流式風(fēng)機(jī)。此時(shí)風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行功率為0.8kW。

2.8.2 噴淋室泵的功率計(jì)算及選型

按最大工況計(jì)算，其流量qm＝0.4331kg／s，則qv＝qm／ρ＝4.331×10-4m3／s，噴嘴前壓力 P0＝0.1MPa＝100000 Pa。選型根據(jù)流量和壓力選擇噴淋室泵的型號(hào)為1WZB-125A。此時(shí)噴淋室泵的實(shí)際運(yùn)行功率為0.055kW。

2.8.3 冷水泵的功率計(jì)算及選型

通過(guò)計(jì)算換熱器管內(nèi)外的沿程阻力及將冷水送到高位水箱的壓頭，得冷水泵的揚(yáng)程H＝hf1＋hf2＋3＝21.34＋0.52＋3＝24.86m。選型根據(jù)流量和揚(yáng)程選擇冷水泵的型號(hào)JLM60-370A。此時(shí)噴淋室泵的實(shí)際運(yùn)行功率為0.164kW。

2.8.4 冷卻水塔及其水泵的選型

由于水和空氣的比熱容相差較大，所以在白天時(shí)空氣溫度上升比較快；而晚上時(shí)，空氣溫度下降明顯，而水溫下降幅度不大。

對(duì)于本系統(tǒng)而言，由于冷水在換熱器中吸收了空氣的顯熱，溫度升高之后流到室外水箱 （即高位水箱），如果不使用冷卻水塔對(duì)水進(jìn)行冷卻，單靠室外水箱和室外冷空氣進(jìn)行傳導(dǎo)對(duì)流換熱，換熱效果有限。所以本系統(tǒng)采用了冷卻水塔，在夜晚時(shí)，讓室外的冷空氣和室外水箱里的水充分換熱，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)，使水溫達(dá)到小于等于9℃的設(shè)計(jì)要求。

為使高位水箱的水能夠在較短的時(shí)間多次通過(guò)冷卻水塔，達(dá)到多次降溫的效果，就要求冷卻水塔的流量要選擇大點(diǎn)，但同時(shí)考慮到成本因素，選擇型號(hào)為KZT-15L的冷卻水塔，并配功率為0.43kW的型號(hào)為QDX15-10-0.75L2的冷卻水泵。

3 耗功計(jì)算及能耗比較

若按工況1（冷水泵和送風(fēng)機(jī)最大工況運(yùn)行3小時(shí)，水塔機(jī)組運(yùn)行2小時(shí)）時(shí)，總耗電量為：

W＝ （0.8＋0.164） ×3＋ （0.43＋0.43＋0.18） ×2＝4.972kWh

與理想逆熱機(jī) （逆卡諾循環(huán)）相比，熱源溫度取室外tg＝26.5℃，低溫?zé)嵩慈∑骄担?/p>

與理想逆熱機(jī)相比仍節(jié)能34.5%，所以與實(shí)際逆熱機(jī)相比節(jié)能大于34.5%。

同樣，若按工況2（噴淋室泵和送風(fēng)機(jī)按最大工況運(yùn)行）時(shí)，其總功率為：

P＝0.80＋0.055＝0.855（kW），

運(yùn)行3小時(shí)，總耗電量為：

W＝0.855×3＝2.565（kWh）。

與理想逆熱機(jī)相比，仍節(jié)能34.6%，所以與實(shí)際逆熱機(jī)相比節(jié)能大于34.6%。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了新型蒸發(fā)冷卻式節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)案例設(shè)計(jì)計(jì)算和節(jié)能比較，可知系統(tǒng)是可行的，適用于晝夜溫差大且干濕球溫差大的地區(qū)，可在富有晝夜溫差的地區(qū)推廣應(yīng)用。

系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在，耗水量少，充分利用了蒸發(fā)冷卻式空調(diào)的優(yōu)勢(shì)，且全面克服了普通的蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)為得到較低的送風(fēng)溫度需要的直接蒸發(fā)冷卻高濕度空氣和間接蒸發(fā)冷卻的低送風(fēng)溫差，且避免了間接蒸發(fā)冷卻由于直接將帶有水汽的二次空氣排向大氣，造成水的大量消耗。本系統(tǒng)可以在滿足供冷的前提下，只有直接蒸發(fā)冷卻，所消耗的水全部用來(lái)為用戶調(diào)濕使用；利用了當(dāng)?shù)貢円箿夭畲蟮奶攸c(diǎn)，溫降大，可以提供更大的制冷量和更低的溫度；耗功少，相比常見的家用空調(diào)系統(tǒng)減少了壓縮機(jī)的耗功；控制方便，只需要知道目標(biāo)狀態(tài)送風(fēng)狀態(tài)參數(shù)，就可以通過(guò)噴淋室的等焓加濕達(dá)到目標(biāo)送風(fēng)參數(shù)的含濕量，然后再通過(guò)換熱器的等濕降溫，來(lái)達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)參數(shù)。通過(guò)比例積分電動(dòng)閥和溫度控制器控制冷水流量和送風(fēng)量來(lái)控制和穩(wěn)定室內(nèi)溫度和濕度。相較于壓縮式空調(diào)，節(jié)能率可達(dá)34.5%以上。同時(shí)因?yàn)橛袊娏苁业拇嬖?，所以相比一般的空調(diào)，本系統(tǒng)不僅能調(diào)節(jié)溫度而且可以調(diào)節(jié)濕度，在空氣干燥的地區(qū)十分適用。