不同蒸发冷却方式原理与适宜气候区研究(含温湿度独立控制空调系统)

干式风机盘管 辐射吊顶,地板 显热去除末端
控制风盘风机转速, i.e.-房间温度控制
房间 分别从排湿和排除房间显热的角度，确定蒸发冷却式空 调的适宜气候区；
1.从排湿角度出发，确定室外 空气直接排湿区
排湿－利用室外干燥空气直接排湿
各类蒸发冷却冷风装置
蒸发冷却冷风装置性能的统一表征
送风 温度
室外干 球温度
室外露 点温度
热湿转 换系数
送风含 湿量
室外含 湿量
送风温度 送风含湿量
tsf to dp (to tdp,o ) d t (dsf do )
dsf do d (dwb,o do )
各种类型的间接蒸发冷却冷风装置
• 内冷式：板式、管式、热管式 • 外冷式：直接蒸发冷却模块＋表冷器
逆流式间接蒸发冷却器
• • 多级逆流式间接蒸发冷却器-产品(2003年，Wicker, Ken) 逆流式间接蒸发冷却器-试验阶段(2007年,Gwi-Eun Song, et al.)
处在实验阶段，尚未大规模应用；
– 排热-冷源需低于室内温度26 ℃ – 排湿-冷源需低于室内露点温度16.5 ℃
• 室内温度和湿度参数相互独立，处理所需的源的品位不同，应分别 采用不同的调节方式。
温度、湿度独立控制的空调系统
根据人数控制新风 量—房间湿度控制 16~20℃, 8g/kg
送风末端
干燥新风
高温冷源
15~19 ℃ 冷水
直接蒸发冷却：ηl=0，0<ηtower<1; 间接蒸发冷却：0<ηl<1，0<ηtower<1;
0.50
2006.8.1 2006.8.2
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
塔效率
表冷效率
l
tower
间接蒸发冷却冷水机的实测效率
21:20 21:30 21:40 21:50 22:00 22:10 22:20 10:40 10:50 11:00 11:10 11:20 11:30 11:40 11:50 12:00 12:10 12:20 12:30 12:40 12:50 13:00 13:10 13:20 13:30 13:40 13:50 14:00 14:10 14:20 14:30 14:40 14:50 15:00 15:10 15:20 15:30 15:40 15:50 16:00 16:10 16:20 16:30 16:40 16:50 17:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:50 18:00 18:10 18:20 18:30 18:40 18:50 19:00 19:10 19:20 19:30 19:40 19:50 20:00 20:10 20:20 20:30 20:40 20:50 21:00 21:10 21:20 21:30 21:40 21:50 12:00 12:10 12:20 12:30 12:40 12:50 13:00 13:10 13:20 13:30 13:40 13:50 14:00 14:10 14:20 14:30 14:40 14:50 15:00 15:10 15:20 15:30 15:40 15:50 16:00 16:10 16:20 16:30 16:40 16:50 17:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:50 18:00 18:10 18:20 18:30 18:40 18:50 19:00 19:10 19:20 19:30 19:40 19:50 20:00 20:10 20:20 20:30 20:40 20:50 21:00 21:10 21:20 21:30 21:40 21:50
III：间接、直接相结合方式冷风：0<ηdp<1, 0<ηdec<1, ηd=ηdec· (1-ηdp)
蒸发冷却冷风的装置效率
• 目前直接蒸发冷却装置的加湿效率能达到90%，而间 接蒸发冷却装置的降温效率在40~70%之间。
40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 3 5 7
测试工况点
蒸发冷却冷风装置
• 直接蒸发冷却冷风方式：
50
喷淋装置
t(° C)
40 30 20 10 (to,do) O 室内环境 (tsf,dsf)
60%
填料 进风
出风
100％
to , d o
水泵
tsf , dsf
(twb,o,dwb,o) (tdp,o,do) 0.005 0.01
P0=101.325 kPa
室外含 湿量 室外湿球下 含湿量
送风含 湿量
热湿转换系数 加湿效率
d t r0 / cp,a
2.35~2.42 K/(g/kg.air)
d dec (1 dp )
直接蒸发冷却效率
间接蒸发冷却效率
I：直接蒸发冷却冷风：ηdp=0；0<ηd=ηdec≤1
II：间接蒸发冷却冷风：ηd=0；0<ηdp<1
不同蒸发冷却方式的适宜气候区
空调任务与温度、湿度控制方式
• 空调的任务
–从室内向室外排热和排湿，满足人的舒适性要求。
夏季室内- 24~28 ℃,40%~60%
冬季室内- 18~20 ℃,40%~60% –向室内送入足够的新风，满足人的健康需求。
• 夏季空调，均以冷却方式排热和排湿，二者所需的冷源品位不同— 传统空调统一处理温度和湿度，导致能耗高。
送风
(to,do) O 室内环境
100％
60%
E
to, do
进风
tsf, dsf
送风
t(° C)
20 10 0 0
(tsf,dsf)
(twb,o,dwb,o) (tdp,o,do) P0=101.325 kPa
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 d(kg/kg.air)
一部分风被等湿降温、一部分排风被加热加湿排出(图中红线）； 空气温度降低，湿度不变；
二次排风来源、二次排风量决定了一次风被冷却的极限温度；
蒸发冷却冷风装置
• 间接、直接蒸发冷却结合的蒸发冷却器
50 40 (to,d o) O
室内环境
100％
排风E
t(° C)
30 20 10
60%
E
新风
2011中国制冷学会学术年会
蒸发冷却式空调的适宜气候区 研究
清华大学 谢晓云 江亿 2011.10.26
各蒸发冷却方式的原理、发 展现状与性能表征
各类蒸发冷却方式原理与发展现状
直接蒸发冷却 极限为湿球温度
喷淋装置
间接蒸发冷却 极限为露点温度
排风 排风
制备 冷风
填料 进风
出风
to,db , do
水泵
风机
t(° C)
40 30 20 10 (to,do) O
60%
t w, r
进风 冷水出水
室内环境
E
tw,r tw (twb,o,dwb,o) (tdp,o,do) 0.005 0.01
100％
P0=101.325 kPa
tw
水泵
0 0
0.015
0.02
0.025
d(kg/kg.air)
通过空气和水直接接触的蒸发冷却过程制备冷水－传统的冷却塔； 冷水的极限温度为进口空气的湿球温度；
间接蒸发冷水机的特点
以室外干燥空气为驱动源制备出排出房间显热用高温 冷水，比传统空调节能40-70%。 制备出15～19℃高温冷水，可采用干工况末端－干式 风机盘管、辐射板等。无霉菌，更舒适健康。当使用
辐射地板时，可冬夏共用一套末端，节省成本和空间。
采用冷水为输送媒介，相对于冷风方式，节省风道空 间，大幅度减少输配电耗。 不使用CFCs，对大气无污染，为清洁、可再生的干空 气资源的高效应用。
度(℃)
进风干球温度
进风湿球
冷水
进风露点温度
蒸发冷却制备冷水的性能统一表征
• 冷水出水温度：
tw to tower {to [twb,o l (twb,o tdp,o )]}
室外 温度 塔效 率 室外湿 球温度 表冷 效率 室外露 点温度
表冷效率： ηl=(to-tA)/(to-tdp,o) 填料塔效率：ηtower=(to-tw)/(to-twb,ain)
间接蒸发冷水机研发与实际性能
• 实际研发出世界上首台间接蒸发冷水机，实际制备出温度处于室外湿 球和露点温度平均值的15~19℃的高温冷水。
2005 年，由清华大学和绿色使 者共同研发出第一台间接蒸发冷 水机，安装在石河子市凯瑞大厦； 已成功可靠运行5年。 石河子市设计参数：外温 32.8℃，湿球21.5℃；设计出水 温度18.5 ℃;
机组设计风量60000m3/h，机组
高3.5m,占地面积16m2, 设计出力 120kW;
• 以室外干燥空气为驱动源，仅有风机、水泵耗电，实测机组COP
（带走房间显热/风机、水泵电耗）高于10。
实际研发出的间接蒸发冷水机
• 应用在实际工程中的间接蒸发冷水机
35 30 25 20 15
21:40 21:50
50年代起 广泛应用， 纺织、农业、 空调；
间接蒸发冷却 极限为露点温度
不同工艺：管式、 板式、热管式、岩 板蓄冷式等；不同 流程：二次空气不 同来源
仅适于非常 干燥地区
制备 冷水
过渡季冷却 塔供冷； 干燥地区的 直接蒸发冷 水装置；
制备出低于 室外湿球温 度的冷水； 近5年内已在 西北地区30 多项工程中 应用；
温度(℃)
进风干球温度 进风湿球温度 送风干球温度 送风湿球温度
9 11 13 15 17
上图为 绿色使者的某间接蒸发冷却器的出风参数实测结果
蒸发冷却冷风方式
• 处理新风、承担房间湿负荷、部分显热——通过 直接或间接蒸发冷却过程处理系统的新风，承担 新风所有显热；新风温度降低；新风含湿量不变 或适当增加；
间接蒸发冷却冷水装置
• 基于江亿院士的发明专利——利用室外干燥空气近似可逆地制备冷水， 出水极限温度为室外空气露点温度。
排风 C 风机
tw,sp t w, r
进风 O M 填料塔
tg
tw1
to , d o
进风 O 出风 A A 表冷器 tw1 冷水
ts
tl
进风露点 温度
用户换热器
tw
水泵
(a) 间接蒸发冷水机组原理图 (流程I)
国内间接蒸发冷却器研究现状-冷风装置
• 多级间接蒸发冷却器(新疆绿色使者公司,2007年)
1 2
1 7 1 6
排 风
3 4 5 6
排 风
7 8 9
室 外 进 风
空 调 送 风
1 5
1 4
1 3
1 2
1 1
1 0
该装置目前配合本项目的间接
蒸发冷水机组，在部分项目中 为负责处理房间所需新风的间 接蒸发冷却新风机组。
0 0
0.015
0.02
0.025
d(kg/kg.air)
空气和水直接接触处理空气，实现热湿转换； 空气温度降低，湿度增加； 空气被降温的极限温度为室外空气的湿球温度。
蒸发冷却E
排风 E1 排风 E2
to, do
进风
50 40 30
tsf, dsf
tsf ,dec , dsf ,dec 进风
送风
排风
排风 C
制备 冷水
冷水回水
风机
tw,re
风机
tw, sp
M 填料塔 进风 O 出风 A A 表冷器 冷水
tw,re
进风 冷水出水
tw1
进风 O
to,db , do
tw,dec
水泵
用户换热器
tw,iec
水泵
各类蒸发冷却方式原理与发展现状
直接蒸发冷却 极限为湿球温度 制备 冷风
• 处理新风、承担房间湿负荷、所有显热——仅通 过蒸发冷却冷风装置的出风对房间既除湿、又降 温，则为全空气的蒸发冷却空调系统，一般为全 新风系统；此时装置除需处理所有房间的显热外， 还需处理所有进风的显热；系统所需风道空间大， 较大的循环风机电耗；
蒸发冷却冷水装置
• 直接蒸发冷却冷水装置
50
排风 E 冷水回水
tsf ,i , do
to , d o
间接蒸发冷却段 直接蒸发冷却段
tsf , dsf
送风
(tsf,i,do)
(twb,o,dwb,o) (tsf,dsf) (tdp,o,do)
P0=101.325 kPa
0 0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
d(kg/kg.air)
根据送风含湿量的要求，可在间接蒸发冷却模块后增加直接蒸发 冷却模块，调节送风的湿度； 新风被降温、并被适当加湿；
(b) 焓湿图表示冷水产生过程
1-空气－水非接触逆流换热器，2-空气－水直接接触逆流换热塔，3-循环水泵，4-风机
• 核心部件：准逆流式空气-水非接触式换热器，逆流式空气-水填料塔。 • 设计思想：各换热过程的流量匹配；各换热过程接近可逆过程。 • 实际所制备冷水的温度为15～19℃，可用来排除房间的显热。