2021年蒸发冷却技术原理

蒸发冷却技术原理、认识及误区

欧阳光明（2021.03.07）

蒸发冷却技术原理

1.直接蒸发冷却

直接蒸发冷却(简称DEC)是指空气与水大面积的直接接触，由于水的蒸发使空气和水的温度都降低，此过程中而空气的含湿量有所增加，空气的显热转化为潜热，这是一个绝热加湿过程。整个蒸发冷却过程要在冷却塔、喷水室或其他绝热加湿设备内实现，其装置原理因式如图1所示，对应的蒸发冷却过程在I-d图上可表示为图2。由图可知，状态1的室外空气在接触式换热器内与水进行热湿交换后，温度下降，含湿量增加，沿绝热线变化到状态2，而水温由tw2下降到tw1。

2.间接蒸发冷却

间接蒸发冷却(简称IEC)是指把直接蒸发冷却过程中降温后的空气和水通过非接触式换热器冷却待处理的空气，那么就可以得到温度降低而含湿量不变的送风空气，此过程为等湿冷却过程。若把直接蒸发冷却中用的空气称二次空气，待处理的空气称一次空气，则可得到用间接蒸发冷却装置原理图，如图3所示。

间接蒸发冷却过程在i-d图上可表示为图4，如果一次空气和二次空气都是室外空气，它们的初状态点w则在图中在同一位置上，当二次空气流经直接蒸发冷却装置HUM时，空气状态从w变为1，

一次空气在换热器HX内与状态1的二次空气进行显热交换，状态从w变为2，二次空气从状态1变为状态E，然后排出。从HX1装置内出来的一次空气在换热器HX2内又被从HUM装置内流出冷却水(水温tw1)再次降温，然后送往室内；而换热后冷却水返回HUM 装置，再次进行直接蒸发冷却过程降温，然后又返回HX2装置与二次空气换热，如此循环。所以在间接蒸发冷却过程中，一次空气冷却过程为等湿冷却，温度从tw降到to，含湿量不变。

3.蒸发型空调的优点

蒸发型空调与传统的压缩机型空调相比，具有以下优点[5]，这也是促使我们不断深入研究蒸发型空调技术的主要原因所在。

·初投资的成本低；约为传统机械制冷的1/2，机械制冷系统的造价为400元/m2左右，而蒸发型制冷系统为250元/m2左右，一般三年即可收回初投资。

·耗电量为传统空调的1/8，蒸发型空调（蒸发式冷气机）设备中所需的主要动力为风机和水泵动，无制冷压缩机，能效比COP值很高，通常机械制冷系统的耗电为50W/m2左右，而蒸发型空调系统为10 W/m2左右，节电80%左右。

·蒸发型空调（蒸发式冷气机）运行方式为全新风运行，且具有空气过滤和加湿功能，不断输入100%新鲜冷空气，有效的正压送风可使有害的空气排出室外，保持室内洁净；大大改善其室内空气品质。

·保护环境，零污染；由于蒸发型空调（蒸发式冷气机）设备以水为制冷剂（不氟里昂），对大气无污染。

·维护简单、保养费用低；传统压缩式空调机组一般需要冷水机组、冷却塔、冷却水泵、末端装置等复杂的成套设备，运行、维护都麻烦，且需专业人员操作，耗资很大，而蒸发型空调系统运行管理方便，一般无须专业人员。

4.蒸发冷却技术上尚存在认识的误区[6]

误区之一：蒸发冷却技术仅限于干旱气候环境使用

蒸发冷却技术早期应用于一些干旱气候环境地区，并在美国的西南部、澳大利亚、印度、巴基斯坦、南非、以色列和我国的西北地区等炎热干燥地带得到推广。但是，这并不意味着蒸发冷却技术仅限于干旱气候环境使用。蒸发冷却系统有直接蒸发冷却（DEC）与间接蒸发冷却（IEC）及两者所复合而成的多种蒸发冷却系统几乎可以在所有气候条件下应用；另外，由除湿技术与蒸发冷却技术相结合的除湿冷却系统，是在蒸发冷却研究的基础上提出的一种不受环境影响的制冷方式，除湿冷却空调通常由除湿剂吸湿、除湿剂再生、蒸发冷却及换热等过程组成。被处理空气的潜热处理由除湿剂吸湿来完成，而显热处理由蒸发冷却来完成。

误区之二：-蒸发冷却技术将取代机械制冷

与机械制冷相比，蒸发冷却存在着很多不足之处。如缺乏除湿功能，冷却空气的能力受外界气候环境的影响严重，多级蒸发冷却系统控制较复杂等。当仅靠蒸发冷却不能达到制冷要求时，可启动机械制冷进行补偿；想要提高室内空气品质，只能加大新风量，但机械制冷能耗会大大增加，而蒸发冷却空调却可以实现全新风节能运行。因此，将机械制冷与蒸发冷却相结合，既能满足多种不同需

求，又减少了能耗。所以，蒸发冷却技术与机械制冷各有所长，结合使用可以发挥出意想不到的效果。目前，在舒适性空调系统中，由除湿技术、蒸发冷却技术、机械制冷技术三者结合组成的除湿法空调系统已受到国内外普遍关注。

5.蒸发型空调技术的特点及其技术难点

·技术特点[5]

蒸发型空调的主要功能就是对空气进行热湿处理，使空气达到送风的要求，满足空气调节空间的温湿度、风速和洁净度等要求；其核心问题就是空气和水的热质交换。从热力学角度分析，无论是在直接蒸发冷却还是间接蒸发冷却，它都是一个流动、传热、传质同时发生，并且多个传热过程相互耦合、相互交叉影响的复杂不可逆过程。蒸发冷却过程中的热量、质量传递推动势相对较小，因此蒸发型空调技术属于低品位能源利用技术。直接蒸发型空调可以直接利用空气的干湿球温度差获取冷量，这也是蒸发型空调得冷量的主要手段，只消耗极少的一次能源且对环境无破坏作用。

·技术难点

蒸发型空调系统中的热和质的交换问题，是传热界的一个主要研究方向。近年来国内外仍有许多学者正对此问题进行更深入的理论和实验研究，但从系统整体综合考虑各个部件的热质交换特性的还没有；由于水和空气间热质交换过程表现出高度的时变和非线性特性，使得无论是在物理模型的建立，还是在数学模型的求解上都非常困难，这也阻碍了这个课题的深入研究。