蒸发冷却式空调系统的热工计算

经准许，摘自：J.R. Watt：蒸发冷却空调手册，第二版，版权 1986 Chapman 和 Hall,纽约。
1.1.2. 间接蒸发冷却器热工计算与性能评价 （1）间接蒸发冷却器热工计算 在某些情况下，当对待处理空气有进一步的要求，如果要求较低含湿或焓时，就不得不 采用间接蒸发冷却技术，间接蒸发冷却技术是利用一股辅助气流先经喷淋水（循环水）直接 蒸发冷却，温度降低后，再通过空气-空气换热器来冷却待处理空气（即准备进入室内的空 气） ，并使之降低温度。由此可见，待处理空气通过间接蒸发冷却所实现的便不再是等焓加 湿降温过程，而是减焓等湿降温过程，从而得以避免由于加湿，而把过多的湿量带入室内。 故这种间接蒸发冷却器，除了适用于低湿度地区外，在中等湿度地区，如我国哈尔滨－太原 －宝鸡－西昌－昆明一线以西地区，也有应用的可能性。 间接蒸发冷却器的核心构件是空气-空气换热器。与直接蒸发冷却器不同的是它不增加 被处理空气的湿度。当空气通过换热器的一侧时，用水蒸发冷却换热器的另一侧，则温度降 低。通常我们称被冷却的干侧空气为一次空气，而蒸发冷却发生的湿侧空气称为二次空气。 目前，这类间接蒸发冷却器主要有板翅式、管式和热管式三种。不论哪种换热器都具有两个 互不连通的空气通道。让循环水和二次空气相接触产生蒸发冷却效果的是湿通道（湿侧） ， 而让一次空气通过的是干通道（干侧） 。借助两个通道的间壁，使一次空气得到冷却。
表中符号：
DEC ——直接蒸发冷却器的换热效率；
t s1 ——直接蒸发冷却器进口湿球温度，℃；
t g1
、t g ——直接蒸发冷却器进、出口干球温度，℃；
2
L ——直接蒸发冷却段的送风量，m /h；
3
Q ——空调房间总的的冷负荷，kW；
1
t o ——空调房间的送风温度，℃；
t n ——空调房间的干球温度，℃；
94% 84 75 68 63 58 54 50
90 81 74 68 63 58 54
9Hale Waihona Puke Baidu% 88 80 73 67 63 58
94 85 78 72 67 62
100% 91% 83% 77% 71% 67%
17.8 18.9 20.0 21.1 22.2 23.3
12 11 10
16 20 15 18 14 17 13 16.5 12.5 16 12 15
DEC＝（tg1-tg2）/（tg1-ts1）
（4）
式中 tg1—— 进风干球温度；
tg2—— 出风干球温度； ts1—— 进风湿球温度。
图 5 直接蒸发冷却过程焓湿图
直接蒸发冷却空调的经济性能评价指标，即能效比 EERDEC，可表述为下式：
EER DEC EER
t des t avr
(5)
Fy ——填料的迎风面积，m ；
2
y ——直接蒸发冷却器的迎面风速，m/s； ——填料的比表面积，m2/m3；
CELdek 填料的特性曲线见图 1 和图 2。
图 1 CELdek 填料的特性曲线
图 2 CELdek 填料的特性曲线
2
图 3 冷却效率与填料厚度间的关系
图 3 所示的是迎面风速为 2.0m/s 时两种类型的 CELdek 填料冷却效率与厚度间的关系。 可见，当填料厚度增加时，空气与水的热湿交换时间增加，冷却效率增大。由于空气出口的 干球温度最低只能达到入口空气的湿球温度， 当填料厚度增加到一定数值时， 空气的出口温 度已基本接近入口空气的湿球温度，此时，再增加填料的厚度，效率也不会再继续提高，反 而会大幅度增大空气阻力。因此，通常选择 CELdek 填料的最佳厚度为 300mm。
Fy ' '
预算具体尺寸，即一、二次通道的 宽度 B' 、 B ' ' （5mm 左右）和长 4 度 l ' （1m 左右） 、 l ' ' ，计算一、 二次通道的当量直径 d e ' 、 d e ' ' 和空气流动的雷诺数 Re' 、 Re' ' 一次空气在单位壁面上的对流换 5 热热阻
de 4 f ； Re' U
' de '
； Re' '
'' de ''
1
' 热系数 ' '
，二次空气侧的对流换
1
'

d e ' 0.2 ' 0.023
0.8
Pr 0.3
' 0.023 Pr 0.3 ； ' ' d e ' ' 0.2
直接蒸发冷却器输出有效冷量百分比 被处理空气的干、 湿球温差 (℃) 6.7 7.8 8.9 10.0 11.1 12.2 13.3 14.4 15.6 16.7 1.7 31 27 23 21 19 17 16 14 13 12.5 2.2 42 36 31 28 25 23 21 19 18 17 2.8 52 45 39 35 31 28 26 24 22 21 3.3 63 54 47 42 37 34 31 29 27 25 3.9 73 63 55 49 44 40 36 34 31 29 4.4 84 71 62 56 50 45 42 38 36 33 5 送风温差(℃) 5.0 94% 80 70 63 56 51 47 43 40 37 5.6 89 78 69 62 57 52 48 45 42 6.1 98% 86 76 69 62 57 53 49 46 6.7 7.2 7.8 8.3 8.9 表2
23 22 21 20 19 18
27 26 24 23 22 21
31 29 28 26 25 24
35 33 31 30 29 27
39 37 35 33 31 30
43 40 38 36 34 33
47 44 42 40 38 36
51 55 59 62% 48 51 55 59% 45 49 52 56% 43 46 49 53% 41 44 47 50% 39 42 45 48%
直接蒸发冷却器热工设计计算 计算步骤 1 计算内容 预定直接蒸发冷却器的出口温度 t g 2 ， 计算 换热效率 DEC 2 计算送风量 L， y 按 2.7m/s 计算，计算填 料的迎风断面积 Fy 3 计算填料的厚度 计算公式 表1
DEC
t g1 t g 2 t g1 t s1
0.8
根据间接蒸发冷却器所用材料计 6 算间隔平板的导热热阻
m m
w ' ' (1.0
2500 ) cp k
GLASdek 填料的特性曲线见图 4。
图 21.4–6 冷却效率与填料厚度的关系曲线
图 4GLASdek 填料的特性曲线 （当风速曲线在阴影范围内时须加装挡水板） 3
金属填料的蒸发冷却效率一般在 60~90%，空气侧阻力约为 30~90Pa。 （2）直接蒸发冷却器性能评价 直接蒸发冷却是空气直接通过与湿表面接触使水分蒸发而达到冷却的目的， 其主要特点 是空气在降温的同时湿度增加， 而水的焓值不变， 其理论最低温度可达到被冷却空气的湿球 温度。被冷却空气在整个过程的焓湿变化如图 5，温度由 tg1 沿等焓线降到 tg2，其换热效率 （饱和效率）为： η
式中 EER —— 按常规制冷模式计算的直接蒸发冷却空调的能效比；
t avr —— 供冷期平均干湿球温度差； t des —— 当地设计干湿球温度差。
对于直接蒸发冷却空调系统来说，仅有上述经济指标还不够。一般来讲，蒸发冷却空 调的送风温差不如常规制冷的大， 这时就要求送风量就要很大， 因此冷风在送入的过程中会 有很大一部冷量损失， 要想全面而准确的评价直接蒸发冷却空调系统的经济性能必须考虑这 部分冷损失。 不管制冷效果如何，常规制冷与蒸发冷却制冷传送过程中都要承担一定的热量和风量 损失。它由三部分组成：①在管道中由于渗漏、吸热和摩擦引起的损失；②在房间内，由于
1 蒸发冷却空调系统热工计算
1.1 蒸发冷却器热工计算 1.1.1. 直接蒸发冷却器热工计算与性能评价 （1）直接蒸发冷却器热工计算 直接蒸发冷却器是利用淋水填料层直接与待处理的空气接触来冷却空气。 这时由于喷淋 水的温度一般都低于待处理空气（即准备送入室内的空气）的温度。空气将会因不断地把自 身的显热传递给水而得以降温； 与此同时， 淋水也会因不断吸收空气中的热量作为自身蒸发 所耗， 而蒸发后的水蒸气随后又会被气流带走。 于是空气既得以降温， 又实现了加湿。 所以， 这种用空气的显热换得潜热的处理过程， 既可称为空气的直接蒸发冷却， 又可称为空气的绝 热降温加湿。 故适用于低湿度地区， 如我国海拉尔——锡林浩特——呼和浩特——西宁—— 兰州——甘孜一线以西的地区（如甘肃。新疆、内蒙、宁夏等省区） 。 目前， 直接蒸发冷却器主要有两种类型： 一类是将直接蒸发冷却装置与风机组合在一起， 成为单元式空气蒸发冷却器； 另一类是将该装置设在组合式空气处理机组内作为直接蒸发冷 却段。
（1）
L
Q ； L 1.212 (t n t o ) Fy y
（2）
DEC 1 exp( 0.029t g11.678t s1 1.855 y 0.97 )
（3） 4 根据填料的迎风面积和厚度，设计填料的 具体尺寸 5 如果填料的具体尺寸能够满足工程实际的 要求，计算完成，否则重复步骤 1-5
t ' g1 t ' g 2 t ' g1 t ' ' s1
（6）
L'
Q 1.2(t n t o ) c p
（7）
的最佳值计算 L ' ' 按照一次风迎面风速 ' 为 2.7m/s，
M '' / M ' 在
3
0.6-0.8 之间，计算
一、二次风道迎风断面积 Fy ' 、
L' ' 0.6 0.8L' ； F y ' L' ； Fy ' ' L' ' '' '
4
冷风会被过滤后的或用来通风的室外空气稀释而引起的损失； ③由回风的吸热和渗漏引起的 损失（对于有回风的系统） 。如果考虑总的管道冷损失和渗漏损失（按 5%计算） ，与因通风 引起的损失算在一起，常规制冷损失为 0～25%，蒸发冷却系统损失 0～90%。蒸发冷却冷 风损失较常规系统要大一些，因为常规制冷有回风，而蒸发冷却的冷风送入房间，进行热湿 交换后，直接被排出室外。由此产生的损失与室外干湿球温度差、送风量成正比关系，而与 送风温差成反比。在选择直接蒸发冷却设备时，我们必须借助于表 2，这个表是根据美国某 纺织厂的直接蒸发冷却空调系统，经多年实验得出来的。反映了有效冷量的百分比（即冷空 气到达空调区的冷量占空调机组产生的总冷量的百分比）同室外干湿球温度差的变化关系。 通常情况下，所有的管道损失和渗漏损失都包括在这个百分数中。送风温度差越大，冷损失 就越小。因为较小的冷风量就能满足室内负荷。相反，送风温度差越小，所需的风量越大， 这又导致额外的通风损失。在效果上，如果室内温度场均匀，那么室内温度略微比送风温度 高。相反，室内大的干湿球温度差将使送风量减小，送风温差增大。在效果上，送风口附近 温度明显低。而在排风口处，温度又明显高。 在表的左边，粗体阶梯线左下方表示大风量情况，它适合在以通风为主的情况下。能量 损失大约在 61～90%之间。在表中间，粗体阶梯线右上方，代表房间的送风量不是很足， 温度场不均匀的情况，从冷风进入到排出去，温度是明显上升的，这仅适合用于较小的房间 中，冷损失低，在 0～38%之间。在表中部的粗体阶梯线与细体阶梯线之间是推荐工作区， 在细阶梯线附近，很容易达到舒适的要求，送风温差在 4.4℃左右。冷损失在 43～60%之间。 一般情况下，如果室内负荷以显热为主、房间较小、通风要求不高时，适当提高送风温差是 可行的。当室内空气对流不佳时，可以在顶棚上装一个风扇，就可以增大对流换热，且费用 很低。相反，若负荷以潜热为主，可适当降低送风温差。当然，在实际的使用当中，还应针 对我国的具体情况酌情考虑。
间接蒸发冷却器热工设计计算 计算步 计算内容 骤 给定要求的热交换效率 IEC （小 1 于 75%） ，计算一次空气出风干球 温度 t ' g 2 根据室内冷负荷或对间接蒸发冷 2 却器制冷量的要求和送风温差计 算机组送风量 L' ， 根据 M ' / M ' ' 6 计算公式 表3
IEC