直接蒸发冷却水冷却

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利用直接蒸发冷却水冷却

蒸发冷却是一种很好的节能冷却方式，在干燥的气候它可以为一栋建筑提供数量巨大的整体冷却。当它加上冷却水冷却时，任何类型建筑物的冷却要求和节能要求将同时完成。本文探讨如何利用直接蒸发（DEC）与冷却水冷却盘管结合的方式来最大限度提高暖通空调系统的能源节约。在空调处理单元（AHU）中各设备的不同布置方式对整体节能效果的影响。

结合冷却水冷却盘管的直接蒸发式冷却具有许多优点。主要原因是直接蒸发冷却不能满足多数气候下的所有冷却需求，而通过增加一支冷却盘管(CC)使直接蒸发冷却能应用于多种气候。

如果设计一个空调系统使用直接蒸发冷却与间接蒸发冷相结合的方式独立提供一栋大楼的所有冷却需求，设定丹佛地区送风温度的典型值为60℉到63℉（15.6℃到17.2℃）。加上一个冷却盘管后传统的55℉（12.8℃）也可以使用。当试图保持75℉（23.9℃）室温，提供相同数量的冷量时，与55℉(12.8℃)的送风温度相比，采用60℉(15.6℃)的送风温度，送风机的尺寸要增加33%。当选择两个功率相同的风机和一个大的空气处理装置及风管时，风机的马力也将增加33%。

当室外空气湿度较大时，使用冷却盘管使空气处理器能提供所需的全部冷量。在那些天，直接蒸发冷却自身效率不高，而冷却盘管可以提供所需冷量。通过同样手段，如果室内空气湿度较大时，直接蒸发式冷却器会停止工作，并启动冷却盘管提供冷量直到空气湿度减少到一个可接受的水平。

冷却盘管和直接蒸发式冷却器的结合，使直接蒸发被看做是增加一个节能模块组合，而不是作为主要制冷机。蒸发冷却垫有低压降(对于12英尺[305毫米]厚的冷却垫面速度为500英尺/分的压降为0.2英尺水柱[50帕2.5米/秒]，因此增加风机能量的附加成本相对于其他节能措施例如附加热管和空气对空气的热交换器的成本低。一个三分之一马力水池泵的费用，通常包含在其他费用中。直接蒸发冷却模块也是比较便宜的，对一个质量高的单元其费用是$0.25到$0.50英尺/分（$0.53到$1.06/升/秒）

在空气处理单元中使用直接蒸发冷却的另一好处是，它可以使通过较少冷却

剂的流量来改变温度，使湿球温度保持在50℉到55℉范围内变化。在这些条件下，直接蒸发冷却可以提供所有冷却需要。在干燥的气候，可以对应于70℉到75℉（21.1℃到23.9℃）的干球温度。

直接蒸发式冷却器的安装位置对性能的影响

主要问题是将直接蒸发式冷却器安装在冷却盘管前面冷却所需的能量少还是安装在冷却盘管的后面所需的能量少。制冷机的能量需求取决于冷却盘管的焓变，而焓变又取决于潜热负荷和显热负荷。

常规的做法是将直接蒸发冷却器安装在冷却盘管的后面。直觉上，人们认为将直接蒸发冷却器安装在冷却盘管的前面会增加潜热负荷从而增加了制冷机的能耗，另一个原因是，在间接和直接蒸发冷却系统中冷却盘管基本上取代了间接蒸发冷却盘管。在间接/直接蒸发冷却系统中，必须将间接冷却盘管置于直接蒸发冷却器的前面，这样才能得到适宜的温湿度。

在使用直接蒸发冷却系统的几年时间里，我们注意到，在某些环境气候条件下，我们挑战传统做法将直接蒸发式冷却器置于冷却盘管前时，可以使冷却盘管的能耗降低。一个新的问题又出现了，到底将直接蒸发式冷却器置于哪个位置才能使整个冷却盘管的年操作能耗降至最低。解决这一问题的方法是使用每小时天气数据对于两种组合方式进行每年的数据分析。两种组合方式的温湿度情况见图1和图2。

直接蒸发式冷却器置于冷却盘管的后面

在图1中第1种情况是将直接蒸发冷却放在冷却盘管后面的常规做法，起点A为干球温度为77℉（25℃），湿球温度为55℉（12.8℃）的舒适温度，所有的计算是在丹佛地区海拔5280英尺（1609米）的地方进行的，其目的是将空气的干球温度最终降至55℉（12.8℃）。当气流穿过冷却盘管，冷却过程沿的温湿图的一条水平线到达B点（图2）。从B点，气流进入直接蒸发冷却器沿着恒定的湿球温度线进行绝热冷却到达干球温度为55℉（12.8℃）的C点. C 点温度主要取决于蒸发冷却介质的冷却效果。对于90﹪有效冷却介质，该C点将落在90﹪湿球温度延长线与饱和曲线的交点处。

冷却水流经冷却盘管将送风干球温度最终调节到55℉（12.8℃）。将温度传感器放在直接蒸发器的下侧。在第1种情况中B点是通过多次计算得出的。起点

A较低的干球温度是假设的，假设其增湿比不变。假设温度的空气通过直接蒸发器，并且计算出空气离开直接蒸发器的温度。当离开直接蒸发冷却器的空气温度达到预期设定的55℉（12.8℃）的干球温度且其误差较小时，空气温度就降了下来。B点是空气在冷却盘管中进行热交换后排出的空气的状态点，气流再通过直接蒸发式冷却器，使最后的排气温度达到55℉（12.8℃）的干球温度。计算用的直接蒸发式冷却器是由效率为90%厚度为12英尺的蒸发冷却垫组成的。

直接蒸发式冷却器置于冷却盘管的前面

图1中的第2种情况与传统做法相反，它将直接蒸发冷却器放置在冷却盘管的后面。起点A的参数与案例1相同且其他条件也相同。当空气穿过直接蒸发冷却器时在蒸发器中进行的是绝热冷却过程，状态点有A点沿一条等湿球温度线到达B’点，B’点的位置取决于蒸发冷却垫的冷却效率。从B’点，空气再次穿过冷却盘管，其状态点由B’点沿显冷线到达干球温度为55℉（12.8℃）的C’点。为了使空气的干球温度降至55℉（12.8℃），必须在冷却盘管处附加额外的冷却量。

在图1中周围环境的参数是选定的，用以来说明在将直接蒸发式冷却器置于冷却盘管下侧的传统做法中能量在冷却盘管消耗在什么地方，在第1种情况中通过冷却盘管的焓变为 1.35Btu/1bm(3.14kj/kg), 而在第2种情况中其焓变为0.62 tu/1bm(1.44kj/kg). 第2种情况仅用了第1种情况盘管所需能量的46%。如果气流穿过盘管的速度为20000cfm(9439L/s),在第1种情况中其能量交换为98900Btu/h(28985W)，而在第2种情况中其交换量为46940Btu/h(13757W).如果周围环境温度为90°F（32.2℃）的干球温度/50°F（12.8℃）的湿球温度，且冷却盘管置于直接蒸发式冷却器的前面则冷却盘管的能量将降低。

逐年计算的结果

由于周围环境的存在，当冷却盘管在直接蒸发冷却器的前面时盘管的能耗较低，当位置相反时，一年的小时计算价值是决定盘管的最佳位置。实验采用了美国供暖制冷及空调工程师对典型气象年分析得出的小时天气数据即丹佛第二个修正数据库。图三分析了四种排列顺序的情况。在第1和第2种布置方式中风机位于冷却盘管和直接蒸发冷却器的后面，而在第3种和第4种布置方式中风机位于冷却盘管和直接蒸发冷却器的前面.由于空气通过风机时温度有明显的上升，