間接蒸發(fā)冷卻技術在空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能分析

宋祥龍 黃 翔

（1.西安航空學院，陜西西安，710077；2.西安工程大學，陜西西安，710048）

間接蒸發(fā)冷卻技術利用干空氣能對空氣進行降溫，綠色低碳，已在工業(yè)及民用建筑中得到廣泛應用，其中在紡織廠空調(diào)中也得到了一定程度的應用［1］。間接蒸發(fā)冷卻器存在一次空氣（被冷卻空氣）與二次空氣（輔助空氣）兩種空氣，由于兩種空氣的來源不同，因此存在多種應用形式，在紡織廠應用中也出現(xiàn)因應用形式不合理導致的節(jié)能效果不佳的問題。本研究以西安地區(qū)為例，理論分析間接蒸發(fā)冷卻器在細紗車間空調(diào)系統(tǒng)的應用形式，并計算對比各種形式的節(jié)能效果。

1 細紗車間空調(diào)系統(tǒng)運行模式及運行時間分析

1.1 空調(diào)系統(tǒng)運行模式分析

根據(jù)工藝要求，細紗車間夏季室內(nèi)空氣設計干球溫度為（31±1）℃、設計相對濕度為（57±2）%，車間空氣允許波動區(qū)在焓濕圖上為近似平行四邊形，如圖1 所示。細紗車間回風分為車肚回風和工藝回風，實際應用中常采用車肚回風與工藝回風在回風室內(nèi)混合。由于工藝回風流經(jīng)細紗機電機后溫度升高，因此混合回風溫度較高，約比車間內(nèi)設計溫度高3 ℃，狀態(tài)點見圖1 中N回。若采用工藝回風單獨回風，則工藝回風約比車間溫度高7 ℃。細紗車間為高顯熱車間，且自動化程度高，人員較少，因此車間內(nèi)熱濕負荷比趨于無窮大，焓濕圖上熱濕比線ε 近似垂直，空調(diào)送風狀態(tài)點為O，各狀態(tài)點的空氣參數(shù)見表1。

圖1 細紗車間空氣溫濕度允許波動圖

表1 各狀態(tài)點空氣參數(shù)

隨著室外空氣濕球溫度的變化，細紗車間空調(diào)系統(tǒng)采用不同的運行模式，現(xiàn)歸納分析如下［2?3］。

（1）空調(diào)系統(tǒng)運行模式1：過渡季節(jié)，當室外空氣濕球溫度小于O點濕球溫度時，即tWS≤tOS，采用回風混合適當比例的新風，等焓加濕，如圖2所示。

（2）空調(diào)系統(tǒng)運行模式2：當室外空氣濕球溫度大于O點濕球溫度，且小于N回點濕球溫度時，即tOS＜tWS＜tN回S時，采用全 新風運行，開啟機械制冷，減焓加濕或降溫除濕，如圖3 和圖4 所示。

（3）空調(diào)系統(tǒng)運行模式3：當室外空氣濕球溫度大于N回點濕球溫度，即tWS≥tN回S時，采用最小新風量，開啟機械制冷，降溫除濕，如圖5 所示。

圖2 等焓加濕空氣處理焓濕圖（混風）

圖3 減焓加濕空氣處理焓濕圖（全新風）

圖4 降溫除濕空氣處理焓濕圖（全新風）

圖5 夏季降溫除濕空氣處理焓濕圖（最小新風量）

1.2 空調(diào)系統(tǒng)運行小時數(shù)分析

以西安地區(qū)為例，依據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中西安市5 月至10 月期間共4 416 h 的逐時室外氣象參數(shù)，統(tǒng)計3 種空調(diào)系統(tǒng)運行模式的小時數(shù)，如表2 所示。其中，當空調(diào)系統(tǒng)采用運行模式1 時，即當tWS≤tOS時，根據(jù)室外空氣濕球溫度的不同，為保證室內(nèi)空氣參數(shù)滿足設計要求，應采取不同的新風比，混風后等焓加濕。根據(jù)空氣混合規(guī)律，新風量與總風量之比即為 新 風 比 ，即qw/qm=(tN回S-tOS)/(tN回S-tWS)，式中tN回S取 24.9 ℃，tOS取 21.8℃，均為已知，則由公式即可計算出運行模式1 中，不同的室外空氣濕球溫度范圍，所應采用的新回風比例，詳見表2。經(jīng)統(tǒng)計，西安地區(qū)細紗車間每年機械制冷運行時長約 857 h（約 36 d）。

表2 空調(diào)系統(tǒng)不同運行模式全年小時數(shù)

2 間接蒸發(fā)冷卻器應用形式分析

2.1 間接蒸發(fā)冷卻器

通過間接蒸發(fā)冷卻器，被處理空氣與循環(huán)水不直接接觸，可實現(xiàn)等濕降溫。間接蒸發(fā)冷卻器有兩個通道，第一通道通過需要預冷的空氣（一次空氣），第二通道通過輔助空氣（二次空氣）并噴淋循環(huán)水。在第二通道中，二次空氣與循環(huán)水發(fā)生熱質交換，水蒸發(fā)吸熱降溫，并與第一通道內(nèi)一次空氣進行間接換熱，一次空氣被等濕冷卻，降溫極限為二次空氣的濕球溫度。間接蒸發(fā)冷卻預冷效率計算公式為：

式中，t1表示一次空氣干球溫度（預冷前），℃；t2表示一次空氣干球溫度（預冷后），℃；tS表示二次空氣濕球溫度，℃。

由于換熱器材質、結構以及使用場所的差異，間接蒸發(fā)冷卻器效率不盡相同，一般均可保持在50%～70%。目前常用的間接蒸發(fā)冷卻器主要有臥管式、立管式、板翅式等形式。立管式間接蒸發(fā)冷卻器由于采用管內(nèi)布水，具有自動沖刷作用；管外間距大，利于清掃，防堵性能好，適合于紡織廠、煤礦等含塵濃度大的場所，如圖6 所示。

圖6 立管式間接蒸發(fā)冷卻器

2.2 間接蒸發(fā)冷卻器應用形式分析

細紗車間空調(diào)系統(tǒng)中，根據(jù)間接蒸發(fā)冷卻器一次空氣與二次空氣性質的不同，其有5 種應用形式［4?5］：預冷混合回風，新風作為二次空氣；預冷混合回風，排風作為二次空氣；預冷新風，新風作為二次空氣；預冷新風，排風作為二次空氣；預冷工藝排風，新風作為二次空氣。下面以總送風量10 萬m3/h 的西安地區(qū)某廠細紗車間為例，分析計算并對比每種應用形式節(jié)約機械制冷負荷的效果。

因西安屬中等濕度地區(qū)，計算中間接蒸發(fā)冷卻效率取60%，二次/一次風量比取0.8。計算方法為根據(jù)間接蒸發(fā)冷卻效率計算公式，帶入新風或回風逐時溫度參數(shù)，得出逐時預冷溫降，進而根據(jù)預冷風量得出逐時預冷量，求和得到節(jié)約機械制冷的總制冷量，最后根據(jù)能效比，得出節(jié)約機械制冷的電功率。

（1）應用形式1：預冷混合回風，新風作為二次空氣。該應用形式，間接蒸發(fā)冷卻器僅在空調(diào)系統(tǒng)運行模式3，即采用最小新風量，開啟機械制冷降溫除濕中發(fā)揮對回風的預冷作用，降低機械制冷負荷?；仫L量取8 萬m3/h，預冷總時長共114 h?？諝馓幚盱蕽駡D如圖7 所示，混合回風N回經(jīng)間接蒸發(fā)冷卻器預冷至N回2，再與室外新風混合后，降溫除濕至送風狀態(tài)點O。

圖7 應用形式1 空氣處理焓濕圖

根據(jù)間接蒸發(fā)冷卻預冷效率計算公式，得回風預冷溫降Δt為：

式中t1為回風溫度34 ℃，tS為新風濕球溫度，代入西安地區(qū)室外空氣逐時濕球溫度［6］，即可得到間接蒸發(fā)冷卻器對回風的逐時溫降Δt，進而根據(jù)Q=C×m×Δt得出逐時降低機械制冷的制冷量Q，最后對逐時值求和，按COP=Q/W=4計算出節(jié)約機械制冷電功率。經(jīng)計算得出，采用應用形式1 時，每10 萬m3/h 總送風量，間接蒸發(fā)冷卻器預冷作用可節(jié)約機械制冷電耗3 878 kW·h。

（2）應用形式2：預冷混合回風，排風作為二次空氣。該應用形式同樣僅在模式3 中發(fā)揮預冷作用，預冷總時長114 h，空氣處理焓濕圖同圖7。為保證間接蒸發(fā)冷卻器預冷效果，二次/一次風量比取 0.8，則 10 萬 m3/h 總風量中，5.5 萬 m3/h 預冷后回用，4.5 萬m3/h 作為二次空氣并最終排出。計算過程同上，t1為回風溫度34 ℃，tS為回風濕球溫度24.9 ℃。最終得出采用應用形式2 時，每10萬m3/h 總送風量，間接蒸發(fā)冷卻器預冷作用可節(jié)約機械制冷電耗2 876.2 kW·h。

（3）應用形式3：預冷新風，新風作為二次空氣。該應用形式可在空調(diào)系統(tǒng)運行模式2 及模式3 中發(fā)揮預冷作用，降低機械制冷負荷，預冷總時長為857 h。其中模式2 采用全新風、預冷時長743 h，預冷新風量為 10 萬 m3/h；模式 3 采用最小新風量，預冷時長114 h，預冷新風量為2 萬m3/h，空氣處理焓濕圖分別如圖8 和圖9 所示。

圖8 應用形式3 空氣處理焓濕圖（全新風減焓加濕）

圖9 應用形式3 空氣處理焓濕圖（最小新風量降溫除濕）

計算過程相同，t1為新風逐時干球溫度，tS為新風逐時濕球溫度。代入西安地區(qū)新風逐時參數(shù)計算逐時溫降，計算逐時制冷量。并最終計算得出在采用應用形式3 時，每10 萬m3/h 總送風量，間接蒸發(fā)冷卻器預冷作用可節(jié)約機械制冷電耗20 731 kW·h。

（4）應用形式4：預冷新風、排風作為二次空氣該應用形式可在空調(diào)系統(tǒng)運行模式3 及模式2中，發(fā)揮預冷作用，降低機械制冷負荷，空氣處理焓濕圖同圖8 和圖9，預冷總時長為857 h。t1為新風逐時干球溫度、tS為排風濕球溫度24.9 ℃。通過計算，在采用應用形式4 時，每10 萬m3/h 總送風量，間接蒸發(fā)冷卻器預冷作用可節(jié)約機械制冷電耗14 725 kW·h。

（5）應用形式5：預冷工藝回風，新風作為二次空氣。該應用形式可在空調(diào)系統(tǒng)運行模式3 中發(fā)揮預冷作用。10 萬m3/h 的總送風量，工藝回風量取5 萬m3/h。t1為工藝回風干球溫度，約比室內(nèi)溫度高7 ℃，為38 ℃，tS為新風逐時濕球溫度。計算過程相同，最終得到在采用應用形式5 時，每10 萬m3/h 總送風量，間接蒸發(fā)冷卻器預冷作用可節(jié)約機械制冷電耗3 572 kW·h。

另一方面，間接蒸發(fā)冷卻也包含動力設備，主要包括二次風機及循環(huán)水泵。除去動力設備功率投入，即可得各種預冷應用形式下，間接蒸發(fā)冷卻器凈節(jié)約機械制冷電耗，最終對比如表3 所示。

表3 間接蒸發(fā)冷卻不同應用形式的節(jié)能效果對比（每10 萬m3/h 送風量）

經(jīng)對比，在西安地區(qū)紡織細紗車間中，間接蒸發(fā)冷卻器采用應用形式3，即預冷新風、新風作為二次空氣時，其預冷效果最好，每10 萬m3/h 送風量，每年可凈節(jié)約電耗9 590 kW·h。

3 結語

本文以西安地區(qū)為例，對不同室外氣象參數(shù)條件下，細紗車間空調(diào)系統(tǒng)的運行模式及運行時長進行了分析，并統(tǒng)計出每年機械制冷運行時長約857 h（約36 d）。在機械制冷開啟季節(jié)，分析并計算了間接蒸發(fā)冷卻器在不同應用形式下的預冷節(jié)能效果，經(jīng)對比，當預冷新風、新風作為二次空氣時，間接蒸發(fā)冷卻預冷效果最好，每10 萬m3/h送風量，每年可凈節(jié)約電耗9 590 kW·h。本研究僅以《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中西安氣象參數(shù)為依據(jù)進行理論分析，實際效果會因不同的工程情況而不盡相同，需要更進一步的實際工程驗證與探討。