蒸发冷却新风空调器的性能对比

都是以热力学第一定律为基础进行的性能分析， 只考虑了能量在数量上的差异，没有考虑能量在 品质上的差异。鉴于热力学第一定律评价的不足， 热力学第二定律(即㶲)分析的评价理论在空调领域 得到了广泛应用。REN 等[8]讨论了暖通空调应用中 㶲分析的原理，将其用于评估 4 种不同蒸发冷却系 统的性能，发现再生式蒸发冷却系统具有最佳的 性能。LIN 等[9]分析了零㶲参考点的选择和露点蒸 发冷却器㶲效率和㶲效比，发现环境温度下的饱 和空气的状态点作为零㶲参考点是合理的，在名 义模拟工况下露点蒸发冷却器的㶲效率和㶲效比 分别为 0.42 和 2.90。目前对 FAC 的相关研究多集 中于对能量性能的分析，对㶲性能的研究较少， 对 FAC 的能量和㶲性能进行对比分析的研究更少。 为此，本文作者基于能量和㶲分析方法对 2 种传统 和 2 种改进的 FAC 进行对比，并对各 HAC 的节能 性进行分析和对比。根据吐鲁番 6~8 月份的典型气 象年逐时温度和含湿量，研究 HAC 的季节性节能 潜力，确定 4 种方案中性能较好的方案。
引用格式：杨聪聪, 任承钦, 杨洋, 等 . 蒸发冷却新风空调器的性能对比[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2021, 52(6): 1747−1756. Citation:YANG Congcong, REN Chengqin, YANG Yang, et al. Performance comparison of evaporative cooling fresh air conditioners [J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2021, 52(6): 1747−1756.
升高，随新风质量流量的增加而降低，随传热单元数的增加先升高后降低(FAC-C 除外)；所有 HAC 均适用
于干热气候地区，其节能率随新风质量流量和传热单元数的增加先升高后降低；在吐鲁番，HAC 比通入新
风的 MVC 节能 24.7%~32.8%；HAC-D 的节能率始终最大，它是 4 种方案中的首推方案。
第6期
杨聪聪，等：蒸发冷却新风空调器的性能对比
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(a) FAC-A；(b) FAC-B；(c) FAC-C；(d) FAC-D 图 1 4 种 FAC 的示意图
Fig.1 Schematic diagrams of four FACs
increase first and then decrease with the increase of the number of heat transfer units(except FAC-C). All HACs
are suitable for hot-dry climate conditions, and their energy-saving rate first increases and then decreases with the
coefficient of performance(COP), exergy efficiency and exergy efficiency ratio of each FAC, and energy-saving rate of each HAC were studied. Finally, the summer seasonal energy-saving potential of the four HACs in a typical
which is the preferred.
Key words: evaporative cooling; fresh air conditioners; energy analysis; exergy analysis
据统计，建筑耗能占世界总耗能的 40%，通 风和空调系统耗能占建筑耗能的 50%，机械蒸汽 压 缩 空 调 (mechanical vapor compression air conditioner, MVC)占总空调市场份额的 95%[1−2]，因 此，急需采用新技术降低通风和空调系统的能耗。 使用传统 MVC 时，室内空气经过蒸发器进行再循 环，湿度降低，CO2 的质量浓度升高，影响人体舒 适性。通入新风的 MVC 虽改善了室内空气的品 质，但消耗大量电能，室内回风的能量也无法回 收利用。由喷淋填料和表冷器组成的蒸发冷却新 风 空 调 器 (evaporative cooling fresh air conditioner, FAC) 可 以 处 理 新 风 ， 也 可 以 对 回 风 进 行 利 用 。 FAC 只有水泵和风机耗电，耗电量通常为 MVC 的 1/4 倍，没有使用氟利昂，不会破坏臭氧层，是一 种节能环保的制冷空调[3−4]。由于引入新风量不能 过大，单独使用 FAC 不能将室内温湿度降低到人 类舒适度范围以内。可采用 FAC 和 MVC 相结合的 蒸 发 冷 却 复 合 空 调 (evaporative cooling hybrid air conditioner, HAC)改善室内的舒适性，降低能耗。 CHAUHAN 等[5]将喷淋填料与 MVC 组合在 3 种不 同模式下进行实验分析，发现 1 a 中有 8 个月可以 满 足 室 内 舒 适 性 的 要 求 ， 最 大 节 能 率 为 23.8%。 CUI 等[6]研究了逆流式和再生式间接蒸发冷却器作 为预冷却单元与 MVC 组合在热湿条件下的性能， 发现再生式的节能效果更好，可消除室外湿空气 35%~47% 的冷负荷。杨立然等[7]分析了蒸发冷却与 机械制冷协同耦合空调在不同湿度地区的节能性， 发现在干燥、中等湿度和高湿度地区，蒸发冷却 可分别承担 40%，25% 和 15% 的冷量。以上研究
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中南大学学报(自然科学版)
第 52 卷
of the packed cooling tower and finned coils were validated. Secondly, the effect of four independent parameters
(ambient air temperature and humidity ratio, fresh air flowrate and the number of heat transfer units) on the
第 52 卷第 6 期 2021 年 6 月
中南大学学报(自然科学版) Journal of Central South University (Science and Technology)
DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2021.06.003
Vol.52 No.6 Jun. 2021
关键词：蒸发冷却；新风空调器；能量分析；㶲分析
中图分类号：TB61+1
文献标志码：A
开放科学(资源服务)标识码(OSID)
ห้องสมุดไป่ตู้
文章编号：1672-7207（2021）06-1747-10
Performance comparison of evaporative cooling fresh air conditioners
1 蒸发冷却新风空调器的工作原理
图 1 所示为 4 种 FAC 的示意图，各系统用室内 回风为二次空气，对其进行能量回收。在 FAC-A 中，水在喷淋填料中进行热质交换被冷却后流入 表冷器 1，环境空气经过表冷器 1 冷却后进入室内。 送风的理论最低温度为室内回风的湿球温度。 FAC-B 与 FAC-A 相比在二次空气侧增加了表冷器
收稿日期：2020−12−15；修回日期：2021−03−12 基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51708272) (Project(51708272) supported by the National Natural Science
Foundation of China) 通信作者：任承钦，博士，教授，从事空调制冷节能新技术和强化传热传质技术研究；E-mail: renchengqin@
increase of fresh air flowrate and the number of heat transfer units. In Turpan, compared to MVC with fresh air,
the energy-saving rate of HACs increases from 24.7% to 32.8%, and the HAC-D has the best energy-saving effect,
city, hot-dry Turpan, was evaluated. The results show that the exergy efficiency and exergy efficiency ratio of each
FAC increase with the increase of ambient air temperature, decrease with the increase of fresh air flowrate, and
YANG Congcong1, REN Chengqin1, YANG Yang1, TU Min2
(1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. School of Civil Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China)
Abstract: Based on energy and exergy analysis methods, two traditional and two improved evaporative cooling fresh air conditioners(FAC) were compared. Moreover, each FAC was combined with a mechanical vapor compression air conditioner(MVC) to form an evaporative cooling hybrid air conditioner(HAC), and the energy saving of the four HACs was analyzed and compared. Firstly, the distributed-parameter models of the packed cooling tower and finned coils, and the correlation model of the MVC were established. The mathematical models
蒸发冷却新风空调器的性能对比
杨聪聪 1，任承钦 1，杨洋 1，涂敏 2
(1. 湖南大学 机械与运载工程学院，湖南 长沙，410082； 2. 南华大学 土木工程学院，湖南 衡阳，421001)
摘要：基于能量和㶲分析的方法对 2 种传统型和 2 种改进型蒸发冷却新风空调器(FAC)进行对比；将各 FAC
和机械蒸汽压缩空调(MVC)组成 4 种不同的蒸发冷却复合空调(HAC)，对其节能性进行对比分析。首先，
建立喷淋填料和翅片式表冷器的分布式参数模型以及 MVC 的关联式模型，并对喷淋填料和翅片式表冷器
的数学模型进行验证。其次，研究 4 个独立参数(环境空气温度、含湿量、新风质量流量和传热单元数)对
各 FAC 的性能系数(COP)、㶲效率和㶲效比的影响以及对各 HAC 节能率的影响。最后，评估 4 种 HAC 在气 候干热的吐鲁番的夏季季节性节能潜力。研究结果表明：各 FAC 的㶲效率和㶲效比随环境空气温度增加而