蒸发冷却技术在新疆地区纺织行业应用现状分析

蒸发冷却技术在新疆地区纺织行业应用现状分析
黄　翔
(西安工程科技学院)　
刘　鸣
(新疆建筑设计研究院)
于向阳
(乌鲁木齐绿色使者中央空调有限公司)
摘要:　介绍了适于我国西北干旱地区应用的蒸发冷却技术,总结出蒸发冷却技术具有节约能源、有利环保、使用经济的特点。

通过对使用单位的实地调查发现了该技术在使用中存在填料与蒸发冷却器结垢等问题,针对性地提出了改进措施,并指出了今后的研究方向。

关键词:　蒸发2冷却;空气调节;节能;环境保护;应用
中图分类号:TS108.6+1 文献标识码:A 文章编号:100127415(2002)0420014205
0　前言
欧美发达国家建筑能耗一般占到全国总能耗的1/3左右,据统计,自1945年以来,空调消耗的能量以每年平均4%～5%的速度增长着。

20世纪70年代发生的能源危机,在石油价格暴涨的压力下,迅速掀起了建筑节能的高潮,因此,蒸发冷却(Evaporative Cooling)技术应运而生。

这种空调机组由水的蒸发而提供制冷量,它不必将蒸发后的水蒸气再经压缩冷凝回到液态水后再蒸发,可直接补充水分来维持蒸发过程的进行,因此,可大大节省运行能耗。

这种节能型空调系统得到了广泛应用。

近年来,温室气体减排和臭氧层保护已成为全球关注的两大环境问题。

蒸发冷却以水为制冷剂,不使用CFCs,对大气环境无污染,因而更加受到广泛的重视。

另外,由于室内空气品质问题的加剧,人们对空调房间新风量的要求愈来愈高,而蒸发冷却空调系统是采用全新风的直流式空调系统,可保证室内具有良好的空气品质,因此,这种健康型空调系统日益受到人们密切的关注。

从国外蒸发冷却技术发展情况来看,美国和澳大利亚等国在该领域的研究非常活跃。

这是由于美国的西南部地区和澳大利亚的大部分地区气候干燥且夏季炎热,非常适合蒸发冷却技术的应用。

美国多年来对蒸发冷却技术进行了深入的研究,许多暖通空调学术会议上对蒸发冷却技术的讨论十分热烈。

美国供热制冷空调工程师协
作者简介:黄翔,男,1962年生,教授,西安,710048
收稿日期:2001212201会ASHRAE TRANSACTIIONS上发表了大量有关蒸发冷却技术的研究论文。

美国和澳大利亚一些空调设备公司相继开发了不同类型的蒸发冷却设备,并在许多工程上投入使用。

国内早在20世纪80年代中期,同济大学陈沛霖教授就在美国加洲劳伦斯伯克利研究所从事蒸发冷却技术的国际合作研究,并将这一技术引入我国。

近年来,同济大学、北京工业大学、哈尔滨建筑大学、天津大学及西安工程科技学院等单位分别对直接和间接蒸发冷却技术进行了理论与实验研究,取得了一定的进展。

我国西北地区的气候干燥,夏季室外空调计算湿球温度较低(一般低于22℃);昼夜温差大,冬季多为干冷气候(当室内有采暖时,空气相对湿度一般低于20%)。

这些独特的气象条件为蒸发冷却技术提供了天然的良好应用场所。

随着西部大开发进程的加快,用电量将会越来越紧张。

机械制冷的应用将受到限制。

西北地区风沙较大,尤其是近年来多次出现”沙尘暴”,室外空气中含尘量较高,因此,需要对新风进行净化处理。

另外,西北地区的经济落后,所以对空调设备的投资费用也不能太高。

而蒸发冷却技术可满足这些要求。

下面,就其技术特点及应用现状作以简要介绍。

1　技术特点
1.1　节能
蒸发冷却空调设备中除了所需风机和水泵动力外,无需输入能量,因此性能系数COP值很高(约为机械制冷的2.5倍～5倍)。

通常机械制冷
系统的装机功率为50W/m2左右,而蒸发冷却系统为10W/m2左右,节电80%左右。

1.2　环保
对室外大气环境而言,由于蒸发冷却空调设备以水为制冷剂,对大气无污染;对室内空气环境而言,由于蒸发冷却空调设备采用全新风,且具有空气过滤器和加湿功能,对空气进行净化和加湿处理,大大改善其室内空气品质。

1.3　投资
初投资低,约为传统机械制冷的1/2,运行能耗约为传统机械制冷的1/5。

机械制冷系统的造价为400元/m2左右,而蒸发制冷系统为250元/ m2左右,三年即可收回主投资。

2　应用现状
目前,蒸发冷却技术已在新疆地区的许多宾馆、办公楼、餐饮、娱乐、体育馆、影剧院等公共与民用建筑以及一些纺织厂等工业建筑中推广使用。

为了及时了解蒸发冷却技术在新疆地区的应用状况,我们前往新疆地区通过实地考察工程项目和设备制造厂,走访设计人员及用户等方式,对新疆地区蒸发冷却技术应用现状进行了深入细致的调查研究,为今后蒸发冷却技术在我国更好地应用研究奠定了基础。

西北地区所应用的蒸发冷却空调设备主要有三种形式,即单元式直接蒸发冷却空调机、湿膜蒸发式加湿(降温)器及间接蒸发冷却和直接蒸发冷却相结合的复合式蒸发冷却空调机。

2.1　单元式直接蒸发冷却空调机
单元式直接蒸发冷却空调机通常是由填料、风机、水泵、集水箱及供水系统组成,它被制作成一个完整的单元,填料带有金属外框,可以方便地取出检修和清理。

当出风口在空调机侧面时,进风的三个侧面上均装有填料;当出风口在空调机上方或下方时,进风的四个侧面上均装有填料,以增大表面积。

集水箱也可从机组下灵活取出,以便清理水箱内的积垢。

风机一般采用前向叶型离心式风机,电机采用防水型全封闭或半封闭式电机。

这些单元式空调机通常安装于室外或屋顶,室外全新风经过空调机冷却后由风道送入室内。

目前,常采用的填料形式有无机填料(玻璃纤维)、有机填料(植物纤维)、金属填料(铝片)、木丝填料(白杨树纤维)和非织造布填料等,各种填料的性能如表1所示。

表1　各种填料的不同性能对比表
填料
比表
面积
填充
方式
吸湿
性能
阻力
热工
性能
防腐
性能
除尘
性能
防火
性能
物理
性能
无机较大规则好小好好好好好
有机较大规则好小好较好好差较好
金属较大规则差小差好好好好
木丝大自由较好大好较好较好差较差
非织
造布
大自由较好大较好较好较好差较差
这类单元式直接蒸发冷却空调机主要应用于工业建筑(厂房车间)及农业建筑(畜禽舍)。

西安工程科技学院与陕西宝花2爱罗泰齐空调设备有限公司联合开发了采用无机填料的单元式直接蒸发冷却空调机,已在西安工程科技学院服装加工车间投入使用,应用效果良好。

2.2　湿膜蒸发式加湿(降温)器
湿膜蒸发式加湿(降温)器,是一种实现等焓加湿(冷却)过程的加湿(降温)器。

它的核心部分是蒸发冷却式湿膜材料(填料)。

目前,常用的湿膜材料主要有无机、有机和金属三种类型,国家空调设备质量监督检验中心对三种填料的检验结果如表2所示。

由测试结果可见,三种填料中无机填料的热工性能最好,有机填料次之,金属填料最差。

加湿(降温)器体积小(仅相当于常规空调表冷器的尺寸),可方便地设置在新风机组和组合式空调机组甚至在风机盘管内,特别适用于现有空调设备的改造。

这类湿膜蒸发式加湿(降温)器主要应用于宾馆、办公楼、商场等民用建筑和印刷厂、喷漆车间、计算机房等工业建筑及果蔬保鲜贮藏冷库、温室等农业建筑。

表2　国家空调设备质量监督检验中心对三种填料的检验结果
湿材类型
加　填　料　前
干球温度
/℃
湿球温度
/℃
迎面风速
/m・s-1
加　填　料　后
干球温度
/℃
湿球温度
/℃
测　试　结　果
填料前后
温差/℃
加湿量
/g・kg-1
风侧阻力
/Pa
有机40.0224.99 2.5932.6625.487.36 4.0636.8无机40.0623.54 2.4529.5823.7410.489.7026.7金属40.0123.50 2.6137.1025.01 2.91 3.6338.4
2.3　复合式蒸发冷却空调机
复合式蒸发冷却空调机通常是由间接蒸发冷却与直接蒸发冷却组合而成。

直接蒸发冷却与上述湿膜蒸发式加湿(降温)器相同,而间接蒸发冷却则有管式换热器、板翅式换热器及冷却塔与表冷器相结合等形式。

目前,新疆地区应用较多的是乌鲁木齐绿色使者中央空调有限责任公司(以下简称绿色使者)生产的SZHJ 型组合式蒸发冷却空调机,如图1所示。

第一级采用铝质板翅式间接蒸发冷却换热器;第二级采用金属(铝箔)填料直接蒸发冷却加湿器。

若室内冷负荷较大,还可在最前面加一级冷却塔与表冷器的组合型间接蒸发冷却段,如图2所示。

另外,还可采用两级间冷加一级直冷的形式,如图3所示。

图1　SZH J 2Ⅰ型空调机组
图2　SZH J 2
Ⅱ型空调机组
图3　SZH J 2Ⅲ型空调机组
表3列出了目前绿色使者公司生产的蒸发冷却系列空调设备在新疆地区空调工程中的应用情况。

3　存在问题
3.1　设备方面
3.1.1　直接蒸发冷却设备
直接蒸发冷却设备的关键部件是填料,目前使用金属铝的填料较多,这是由于西北地区风沙较大,空气中灰尘多,采用金属填料在填料表面可形成一层水膜甚至是水流,这会对灰尘起到一定的洗涤和净化作用,且防火和经久耐用。

但这种填料的热工性能明显不如其他填料,因此影响热湿交换效率,对于相同的处理风量,金属填料空调机的结构尺寸明显大于其他类型填料的空调机。

由于西北地区水质较硬,因而在直接蒸发冷却空调机填料上结垢较严重,从而影响空调机的热湿交换效率及进风阻力等,导致空调机寿命下降。

直接蒸发冷却空调机填料上的布水不够均匀,尤其是对于大风量空调机组,由于机组断面尺寸较大,加之风机的位置及布水方式不当,均会导致填料上布水不均匀,从而影响热湿交换效果。

3.1.2　间接蒸发冷却设备
间接蒸发冷却设备的关键部件是换热器,目前使用板翅式换热器较多,这是因为这种换热器结构紧凑,换热效率较高。

但由于换热器流道狭窄,水质较硬时易结垢,难清洗,阻力大,能耗较高。

间接蒸发冷却设备中二次空气的排风机的合理选择,对间接蒸发冷却的效果影响较大。

但由于设计人员往往凭经验选择,没有进行系统的理论计算和选型,因而造成间接蒸发冷却效率的下降。

间接蒸发冷却设备前的空气过滤方式对换热器的热湿交换效果影响较大。

目前多采用的是固定滤网,需定期人工清洗。

但由于西北地区风沙较大,滤网很容易堵塞,既影响了热湿交换,又增加了阻力能耗。

3.2　系统方面
蒸发冷却空调机的应用效果不仅取决于蒸发冷却设备本身,而且还与空调系统有更重要的联系。

3.2.1　系统的配置
蒸发冷却空调系统应根据不同的建筑使用功能、负荷特点等进行合理的配置,形成类似风机盘管加新风系统的空调系统模式。

但实际调查中我们发现几乎所有的系统均为一种模式。

且单级或
多级的配置也应根据室内负荷情况加以选择,但应用中也多为间接加直接的统一双级蒸发冷却形式。

3.2.2　系统的控制
蒸发冷却空调系统属于直流式全空气系统。

为了满足不同房间的温湿度要求,同时尽量节省能耗,应借鉴VAV空调系统的控制方法。

但实际应用中蒸发冷却空调系统很少配有自动控制,即使个别空调机组中设有变频风机,但各送风口无法自动调节,很难满足不同房间和不同季节的要求。

3.3　其他方面
至今还没有制定有关蒸发冷却设计、制造和测试的标准,也没有建立有关蒸发冷却设备检测的标准实验台,许多设备工艺参数的选取还停留在凭借经验的程度上,未经过正式的实验及理论验证。

4　改进措施和研究方向
通过对新疆等地蒸发冷却空调工程和蒸发冷却设备厂的实地考察,现场测试了有关工程的使用效果,走访用户和有关工程技术人员,使我们了解到蒸发冷却技术在使用中存在填料和蒸发冷却器结垢严重等问题。

为了使蒸发冷却技术更好地在西北地区乃至全国推广使用,针对使用中存在的问题,我们提出以下改进意见。

4.1　开发研究价廉且高效的填料
改进直接蒸发冷却空调机的主要问题是开发一种价格较低且具有防腐、防尘、防结垢及良好热工性能的高效填料。

我们认为许多新材料如复合材料等具有广阔的应用前景。

另外,在表面处理技术上也可大胆尝试。

4.2　解决蒸发冷却设备结垢问题
无论直接蒸发冷却设备还是间接蒸发冷却设备均存在结垢问题。

我们认为解决结垢是一个综合性问题,很难用单一方法实现。

一是从填料本身入手;二是加强水的软化处理;三是定期排水,减少水中钙、镁离子的浓度;四是对空气也要进行过滤处理。

4.3　改进布水方式
目前所采用的是重力布水方式,为了提高布水的均匀度,我们建议采用喷嘴布水方式,一方面可均匀地分布在填料上,另一方面对填料上的灰尘和水垢等有清洗作用。

这方面我们曾开发研制过PX2Ⅰ型离心式和流体撞击式喷嘴,可移植到蒸发冷却设备的布水器上来。

4.4　开发研究价廉且高效的换热器
改进间接蒸发冷却空调机的关键是开发一种价格较低且具有结构紧凑、防结垢、维护方便及良好热工性能的高效换热器。

我们认为应将热管高效换热器和回转型(转轮)全热交换器等新型高效换热器应用到间接蒸发冷却空调机中,同时应对换热器进行CAD设计,优化换热器的尺寸。

4.5　设计蒸发冷却设备专用型风机
蒸发冷却设备中无论是直接还是间接蒸发冷却均需要风机,而这些风机要求噪声低、效率高且叶片形式灵活多样,体积小和送风量大等。

如间接蒸发冷却设备中二次空气的排风机要求风量大、风压小。

而目前为了安装方便仍选用的是离心式风机,我们建议开发类似冷却塔和风冷式冷水机组上专用的排风机,所有蒸发冷却用风机的电机都需做防水、防腐处理,设计空调机时应将电机尽量设置在机组之外,一方面减少电机散热量对空调送风的影响,另一方面也可防止电机受潮。

4.6　加强蒸发冷却设备空气过滤装置的研究
空气过滤器的开发一方面要求过滤效率高,另一方面要求便于清洗。

提高过滤效率的关键是研究开发性能良好的滤料,在过滤器结构设计上尽量加大过滤面积。

清灰能力的提高既要考虑选择便于清灰的滤料(如表面过滤式微孔薄膜滤料),又要设计结构简单的自动清灰装置。

这方面我们曾在纺织空调设备上开发研制过吹吸式和摆吸式空调回风过滤器,可移植到蒸发冷却设备的空气过滤段上来。

4.7　需要对复合式蒸发冷却系统进行深入研究
复合式蒸发冷却系统不只局限于板翅式换热器间接蒸发冷却与直接蒸发冷却的简单组合,还可在前面增加冷却塔与表冷器构成的间接蒸发冷却段或在后面增加机械制冷设备等。

应根据不同的建筑使用功能及负荷特点选择不同的组合形式,并进一步研究各功能段之间的相互关系和优化组合方式,以满足不同建筑的要求,同时尽可能节约能耗。

4.8　开发研究蒸发冷却自动控制系统
应借鉴小型户式中央空调和商用全空气中央空调以及VAV中央空调系统的自动控制方式,开发研究适合蒸发冷却系统的价廉且控制功能
强、控制精度较高的DDC控制系统,以满足不同建筑使用功能和室外气象参数及室内负荷变化的需要。

另外,设计恰当的供排水控制系统还可提高直接蒸发冷却填料及间接蒸发冷却换热器的使用寿命,减少蒸发冷却设备的结垢。

4.9　尽快制定有关蒸发冷却的技术标准
应借鉴其他空调设备的相关标准,尽快制定适合我国国情的有关蒸发冷却设计、制造和测试等技术标准,使这一新技术向标准化、系列化和专业化方向发展,成为空调设备中的定型系列产品,在我国西北、华北、东北等地大力推广使用,以替代或部分替代常规机械制冷。

5　结束语
通过对西北地区蒸发冷却技术应用状况的调查研究,使我们亲眼目睹了蒸发冷却技术在新疆等地的实际应用工程,深刻感受到这种制冷技术的优势,增强了推广应用这种环保、节能和经济型空调新技术的信心。

同时也发现了应用中存在的主要问题,进一步明确了今后的研究方向。

我们相信,在不久的将来,蒸发冷却技术必定会欣欣向荣、蓬勃发展,成为具有浓厚地域特色的“西部空调”,成为21世纪纺织空调业的一枝奇葩。

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Analysis of the Application Status2quo of Evaporative
Cooling T echnology Used in Xinjiang T extile Industry
Hua ng Xia ng L iu Ming (Xi’an Institute of Science and Technology)　(Xinjiang Architectural Design Research Institute)
Yu Xia ngya ng
(Wulumuqi Green Message Center Air Conditioner Co.Ltd.,Xin jiang)
Abstract　The evaporative cooling technology that be used in northwest drought area of our country is introduced,its characteristics including energy conservation,being good for environmen2 tal protection,using economically are summed up.By first2hand investigation,the problems of fill2 ing material and evaporative scale crust are found,innovative approaches and its research direction for the future are put forward.
K ey Words　Evaporative2cooling,Air Conditioning,Energy Conservation,Environmental Protection,Application。