基于直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的家用空調(diào)系統(tǒng)性能分析

靳俊杰， 劉海燕， 宋艷蘋， 梁昊明， 林斯會， 周 遠(yuǎn)

(河南城建學(xué)院 能源與建筑環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

0 引言

隨著空調(diào)技術(shù)的進(jìn)步，空調(diào)更加節(jié)能環(huán)保。家用分體式空調(diào)器占據(jù)著整個空調(diào)市場的很大比例，大力發(fā)展家用空調(diào)器的節(jié)能技術(shù)至關(guān)重要。蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用歷史悠久，但直到20世紀(jì)70年代，美國等國家出現(xiàn)石油危機(jī)以后，才將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)，逐漸受到人們的重視[1]。蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一種節(jié)能、高效、經(jīng)濟(jì)的冷卻方式，且綠色環(huán)保，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用在家用空調(diào)器上，是家用空調(diào)器的發(fā)展趨勢之一，對減少碳的排放量及建筑節(jié)能起著積極的促進(jìn)作用。寇凡等人詳細(xì)介紹了蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展趨勢[3-4]，為未來該技術(shù)的發(fā)展方向提供了重要參考。由玉文等對高溫高濕地區(qū)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)做了相關(guān)研究，提出了復(fù)合間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行分區(qū)[5]。金洋帆等研究了干燥地區(qū)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效果，給出了蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化建議[6]。王思琴等對蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)在節(jié)能減排中的作用進(jìn)行了相關(guān)分析，說明了其對節(jié)能減排的重要性[7]。

1 直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由太陽能集熱器系統(tǒng)、布水器系統(tǒng)、家用空調(diào)室外機(jī)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)鼓泡管系統(tǒng)等組成，如圖1所示。通過循環(huán)水泵，在夏季把地下淺水井中的冷水輸送到儲水箱中，在風(fēng)機(jī)提供動力下，空氣從鼓泡管中出來與儲水箱中冷水換熱，降低空氣的溫度；同理，在冬季太陽能集熱器中的熱水送入到儲水箱，一部分空氣通過鼓泡管，進(jìn)行顯熱交換，提高空氣的溫度。

圖1 直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)示意圖

1.1 太陽能集熱器系統(tǒng)

太陽能集熱器系統(tǒng)由太陽能集熱器、循環(huán)水泵、儲熱水箱、管路、閥門等組成。在冬季空調(diào)制熱時，通過太陽能集熱器提供熱水，加熱冷空氣，有利于室外換熱器的換熱，同時也避免結(jié)霜的出現(xiàn)。

1.2 布水器系統(tǒng)

由布水網(wǎng)、噴嘴、循環(huán)水泵、管路等組成。夏季制冷時，循環(huán)水泵從地下淺水井中抽取冷水，通過噴嘴噴灑到布水網(wǎng)上，空氣經(jīng)過布水網(wǎng)進(jìn)行直接蒸發(fā)冷卻，降溫后被送入到蒸發(fā)器處進(jìn)行換熱。

1.3 風(fēng)機(jī)鼓泡管系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由離心風(fēng)機(jī)、鼓泡管、儲水箱、液位計、管路、閥門等組成。夏季時，通過離心風(fēng)機(jī)，室外空氣進(jìn)入鼓泡管，進(jìn)而空氣以水泡形式出來，與儲水箱中的冷水進(jìn)行顯熱交換，換熱后與另一部分室外空氣混合，再通過布水網(wǎng)進(jìn)行進(jìn)一步的蒸發(fā)冷卻換熱，最后送入到室外機(jī)冷凝器進(jìn)行換熱。冬季時，運(yùn)行方式類同夏季，只不過儲水箱中的水不再是地下淺水井中的水，而是來自于太陽能集熱器中的熱水，空氣通過鼓泡管在儲水箱中顯熱換熱后，與室外另一部分空氣混合，直接進(jìn)入室外機(jī)換熱器進(jìn)行換熱。

2 工作原理

夏季制冷時，通過循環(huán)水泵把地下淺水井中的冷水輸送到噴嘴處，噴灑到布水網(wǎng)上，一部分留在了布水網(wǎng)上，其余部分隨著重力滴落到儲水箱中。在離心風(fēng)機(jī)提供動力下，空氣通過過濾網(wǎng)進(jìn)入到鼓泡管中，以氣泡形式從鼓泡管的小孔中出來與儲水箱中的冷水進(jìn)行熱量交換，然后與另外一部分空氣混合，通過布水器進(jìn)行直接蒸發(fā)冷卻，進(jìn)一步降低混合空氣的溫度，最后進(jìn)入到空氣箱，與室外機(jī)的冷凝器進(jìn)行換熱，從而降低冷凝器的冷凝溫度。在這期間，室內(nèi)機(jī)產(chǎn)生的冷凝水也直接排入到儲水箱，通過液位計測量儲水箱中的水位，當(dāng)達(dá)到一定刻度時，打開閥門把一部分水流入到地下淺水井，使水循環(huán)利用。

冬季制熱時，通過太陽能集熱器產(chǎn)生熱水，儲存在儲熱水箱中，把熱水通過管路送入到儲水箱中，同夏季制冷一樣，通過離心風(fēng)機(jī)，把過濾后的空氣，送入到鼓泡管，出來的水泡與儲水箱中的熱水進(jìn)行顯熱交換，加熱空氣，然后與另一部分室外空氣混合，直接送入到空氣箱，與室外換熱器進(jìn)行換熱。當(dāng)儲水箱中的水位達(dá)到設(shè)定值時，閥門打開，由循環(huán)水泵提供動力，一部分水輸送到儲熱水箱中。

3 空氣的熱濕交換原理

空調(diào)室外機(jī)所需的風(fēng)量來自于兩部分，一部分是通過離心風(fēng)機(jī)送入鼓泡管的那部分空氣量，剩余部分是直接通過空氣口進(jìn)入的空氣量。

夏季制冷時，從鼓泡管出來的空氣，進(jìn)入到儲水箱中，遇到冷水進(jìn)行換熱。當(dāng)水溫高于空氣露點(diǎn)溫度低于濕球溫度時，空氣與水進(jìn)行顯熱交換，少量的水吸熱發(fā)生汽化潛熱，產(chǎn)生水蒸氣進(jìn)入空氣中，是一個加濕冷卻焓降過程；當(dāng)水溫低于空氣露點(diǎn)溫度時，空氣中的水蒸氣將會凝結(jié)，空氣在發(fā)生顯熱降溫的同時還會發(fā)生潛熱交換，是一個去濕冷卻焓降過程。而冬季制熱時，從鼓泡管出來的空氣與儲水箱中的熱水換熱，空氣吸熱溫度升高，部分水吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的水蒸氣又進(jìn)入到空氣中，最終使空氣溫度和含濕量均增加，是一個升溫加濕焓增過程。

在制冷時，水箱中換熱后的空氣與另外一部分空氣混合，在經(jīng)過布水網(wǎng)時，空氣中的顯熱被布水網(wǎng)上的水吸收，造成空氣自身溫度降低，而水在不斷吸收了空氣中的熱量后，會發(fā)生汽化潛熱，產(chǎn)生的水蒸氣又會回到空氣中，造成空氣的比焓基本不變，這一過程可視為等焓加濕過程。

4 系統(tǒng)性能分析

直接蒸發(fā)冷卻主要利用空氣的干濕球溫度差來獲得冷卻的效果，干濕球溫度差越大，冷卻效果越明顯。但空氣的絕熱加濕冷卻過程有限，空氣最終很難達(dá)到100%的飽和狀態(tài)，冷卻效率也即飽和率，計算公式如下：

(1)

式中：tgw為空氣干球溫度,℃；tgo為空氣冷卻后干球溫度,℃；tsw為空氣濕球溫度,℃；ηDEC為直接蒸發(fā)冷卻飽和效率,%。

以鄭州為例，夏季空調(diào)室外計算干球溫度35.0 ℃，夏季空調(diào)室外計算濕球溫度27.5 ℃[8]，冷卻器的冷卻效率(或飽和效率)一般在70%～95%[9]。本文取83%的冷卻效率來計算，可計算出直接蒸發(fā)冷卻后的空氣溫度為28.8 ℃，前后空氣溫差可達(dá)6.2 ℃。同樣，可以計算出北京、西安、南京等城市相關(guān)數(shù)據(jù)，具體見表1。

表1 不同地區(qū)經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻后空氣溫度變化

據(jù)相關(guān)研究，冷凝溫度每降低1 ℃，壓縮機(jī)的功耗率可降低3%左右[10]。從表1中可看出，越是干旱地區(qū)，干濕球溫差越大，空氣經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻后，溫降比較明顯，對于降低冷凝器的冷凝溫度越有利，節(jié)能效果也越明顯。

地下淺水井水溫一般較低，例如河南地下水溫保持在18 ℃左右[11]。從鼓泡管出來的空氣，經(jīng)過降溫除濕過程后，與所需的另一部分空氣進(jìn)行混合，通過布水器直接蒸發(fā)冷卻后，這樣的空氣溫降效果要比室外空氣直接通過布水器的溫降效果要好，會比表1中列舉的空氣溫差值要大，有利于進(jìn)一步降低壓縮機(jī)的功耗。

5 結(jié)論

(1)利用地下淺水井中水的冷量，通過風(fēng)機(jī)提供動力，使空氣在水箱中進(jìn)行換熱，有效降低空氣溫度，再與剩余所需空氣混合，使得整個空調(diào)室外機(jī)所需空氣的溫度得到明顯降低。

(2)混合后的空氣，經(jīng)過布水網(wǎng)時，直接蒸發(fā)冷卻進(jìn)一步降低空氣溫度，然后與室外冷凝器換熱，降低冷凝溫度，減少壓縮機(jī)的耗功。此外，空調(diào)冷凝水的回收，既解決了排放問題，又充分利用其冷量。

(3)冬季空調(diào)制熱時，利用太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水，與室外冷空氣換熱，提高室外空氣溫度，使室外機(jī)換熱器進(jìn)行高效換熱，不僅避免了結(jié)霜現(xiàn)象，還提高了空調(diào)能效。