分體式蒸發空調器的設計與實驗

黃 翔孫哲，2劉佳莉

(1西安工程大學環境與化學工程學院 西安 710048；2西安地下鐵道有限責任公司 西安 710018)

分體式蒸發空調器的設計與實驗

黃 翔1孫哲1，2劉佳莉1

(1西安工程大學環境與化學工程學院 西安 710048；2西安地下鐵道有限責任公司 西安 710018)

設計研究了一種蒸發冷卻與半導體制冷相結合的分體式蒸發空調器，探討了其原理及三種運行模式。總結出該分體式蒸發空調器的主要設計步驟。對樣機進行了實驗，得出了該分體式蒸發空調器的出水、出風溫度。結果表明，室外機出風溫度高于室外濕球溫度3～4℃。室外機出水溫度低于室外濕球溫度1～2℃，經過半導體制冷再次溫降后，可低于室外濕球溫度4～5℃。依據實驗結果，結合氣象數據，計算得出該分體式蒸發空調器在我國288個城市的出風、出水溫度結果。計算得出，該分體式蒸發空調器可在我國西北地區等高溫低濕地區廣泛采用，適用率超過90%。

蒸發冷卻；半導體制冷；分體式蒸發空調器；亞濕球效率；適用性

在住宅空調領域，采用蒸發冷卻空調技術的蒸發式冷風扇、蒸發式空調器已相繼推向市場。而制定中的國家標準《家用和類似用途電氣的安全-蒸發式冷風扇和蒸發式空調器的特殊要求》將進一步發展和規范市場。蒸發式空調器將成為住宅空調領域設備發展的一個新方向。但目前，蒸發式空調器均以直接蒸發冷卻為技術核心，以冷風作為載冷介質。這樣，一方面不能對室內的濕度進行有效地控制，一方面受到建筑物層高與形式的制約。

采用蒸發冷卻空調技術制取冷水[1]，并伴以在小型特殊領域有所應用的半導體制冷加以輔助調節，可實現流體介質輸配的小型化，實現較為穩定的工況，有效地對濕度進行控制，同時提高了半導體制冷的能效比[2]。針對住宅空調領域，設計研究了一種分體式蒸發空調器[3]。該分體式蒸發空調器采用間接-直接蒸發冷卻制取冷水控制室內溫度，利用間接蒸發冷卻技術處理新風適當控制室內濕度和潔凈度。可應用于干燥地區乃至中等濕度地區。對該分體式蒸發冷卻器的原理、運行模式及設計步驟加以分析，制作出小型實驗樣機，并在標準空調焓差實驗臺上對該分體式蒸發空調器進行了測試，得出了實驗結果，并依據該實驗結果分析了在我國的適用性。

1 原理

如圖1所示，該分體式蒸發空調器分為室外機與室內機兩大部分。室外機為利用間接蒸發冷卻技術制取冷風，間接-直接蒸發冷卻技術制取冷水的蒸發冷卻設備。制取的少量新風可滿足室內新風需求及適當維持室內濕度的穩定。制取的冷水供給室內機提供冷量，也可對半導體制冷裝置進行散熱。

圖1 分體式蒸發空調器的原理圖Fig.1 Schematic diagram of the split evaporative air conditioner

圖2 室外機空氣水處理過程焓濕圖Fig.2 Psychrometric chart of air-water treatment process in outdoor unit

室外機的工作原理如圖2焓濕圖所示。室外側空氣通過間接蒸發換熱器被等濕冷卻(W1→W2)。大部分被處理的空氣與水進行逆流熱濕交換，帶走熱量排出室外(排至室外側)。小部分的被處理空氣由送風機直接送入室內。在室外機中，水溫由入口溫度t1降至亞濕球溫度t2，并趨向于狀態點S2。當水溫滿足要求時，被處理的水直接通入到室內機中，與室內側空氣進行間接換熱。當水溫不滿足要求時(通常以高溫冷水出水18℃作為衡量標準)，啟動半導體制冷裝置，一部分通入到半導體制冷裝置的冷通道進一步降溫，一部分通入到半導體制冷裝置的熱通道進行散熱。

該分體式蒸發空調器充分利用自然能源，利用空氣的干濕球溫差，通過水的蒸發吸熱，實現對空氣、水的降溫。由于僅有風機、水泵的做功，可實現較小的能耗制取較低的供冷溫度和較大的制冷量。同時，由于加入半導體制冷裝置進行輔助調節，一方面實現了對水溫的進一步降溫調節，解決了由于利用室外氣候條件冷卻造成的水溫不穩定性，另一方面由于水作為半導體制冷熱端的散熱介質，縮小了半導體制冷的冷熱端溫差，提高了半導體制冷的能效比。

2 運行模式

由于風系統在任何運行模式下的處理流程不變，所以在運行模式的討論中著重對水系統進行討論。

2.1 模式1:蒸發冷卻室外機單獨運行

當水溫滿足要求(高溫冷水通常為16℃ ～18 ℃)時，不需開啟半導體制冷裝置。通過間接-直接蒸發冷卻制取出的冷水直接通入室內末端中。其流程如圖3所示。只運行蒸發冷卻室外機時，所需循環水的質量流量為:

此時，該分體式蒸發空調器的熱平衡關系為:室外機排風排走的熱量＝新風負荷＋室內顯熱負荷＝新風負荷＋水系統承擔的顯熱負荷。

圖3 單獨開啟蒸發冷卻室外機Fig.3 Only running evaporative cooling outdoor unit

2.2 模式2～3:蒸發冷卻室外機與半導體制冷裝置同時運行

當水溫不滿足高溫冷水的要求時，分兩種工況運行，其流程如圖4所示。其中，半導體制冷裝置為上下熱水通道，中間冷水通道的模塊化裝置。

1)模式2:室內末端的出水水溫高于室外機的出水水溫

室外機、半導體制冷裝置、室內末端三者串聯。通過室外機的間接-直接蒸發冷卻制取出的冷水一部分通入半導體制冷裝置的熱通道吸熱，一部分通入半導體制冷裝置的冷通道進行冷卻。冷通道中的冷水再通入空調末端中，最后與熱通道回水匯入蒸發冷卻室外機中。其末端水的質量流量為:

室外機的進出水的質量流量為:Wc＝Wr＋Wl。根據對半導體制冷裝置的設計與實驗研究表明，通常將此半導體制冷裝置的冷熱通道水的質量流量設置成1∶1。即Wr＝Wl。所以室外機所處理的水質量流量為Wc

圖4 蒸發冷卻與半導體制冷同時運行Fig.4 Evaporative cooling and semiconductor refrigeration running at the same time

此時，該分體式蒸發空調器的熱平衡關系為:室外機排風排走的熱量＝半導體制冷產生的焦耳熱＋新風負荷＋末端承擔的顯熱負荷。

2)模式3:當室內末端的出水水溫低于室外機的出水水溫

室外機與半導體制冷裝置的熱通道串聯，室內末端與半導體制冷裝置的冷通道串聯。通過室外機的間接-直接蒸發冷卻制取出的冷水全部通入半導體制冷裝置的熱通道中進行吸熱后再回至室外機。通過半導體制冷裝置制取的溫度更為低的冷水通入室內末端吸熱再回至半導體制冷裝置的冷通道。其末端的水質量流量為:

同樣也將此半導體制冷裝置的冷熱通道水的質量流量設置成1∶1，所以室外機所處理的水質量流量為Wc

該分體式蒸發空調器的熱平衡關系為:室外機排風排走的熱量＝半導體制冷產生的焦耳熱＋新風負荷＋末端承擔的顯熱負荷。

在實際運行操作過程中，考慮到系統切換簡繁程度和計算能效比的結果，模式3經濟性較差。所以模式3(當室內末端的出水水溫低于室外機的出水水溫)這種模式不適宜在該分體式蒸發空調器中普遍采用。因此，在設計研究該分體式蒸發空調器時宜以前兩種運行模式作為常用模式。

3 設計

如圖5所示，設計流程主要分為以下6個步驟。首先，與傳統機械制冷空調的設計不同之一在于此分體式蒸發空調器需要嚴格按照室外氣象參數進行設計。不同地區的氣象參數直接決定了不同的出風、出水溫度。也導致在選取半導體制冷裝置個數與功率大小時也不盡相同。所以設計流程的第一步就是確定室外氣象參數。第二步，根據室內顯熱負荷需求，按照運行模式中的公式計算出總水流量。設計流程的第三步為根據水流量與氣水比確定風量、新風量、二次風量等。第四步是根據風量計算間接換熱器尺寸。第五步也是最重要的一部，選取填料的尺寸，這直接決定了產出冷水的效率高低。第六步，根據以上參數進行選取配件設備。

圖5 設計步驟Fig.5 Design steps

下面對設計過程中的關鍵步驟加以敘述:

1)確定水量

水系統采用兩種模式運行，應按照蒸發冷卻室外機與半導體制冷裝置同時運行時進行水量確定。根據計算式Wc得出。

2)確定風量

根據氣水比可確定與水進行熱濕交換的風量。氣水比λ是進入填料的空氣質量流量Qa與噴淋水質量流量W之比λ＝氣水比是影響蒸發冷卻制取冷水的重要因素，必須考慮其水側蒸發冷卻最佳氣水比，以使其熱濕交換效率達到最高。目前，氣水比一般選擇為1.0～2.0。確定出一次空氣風量。再根據目前常用的二次空氣比一次空氣之比1∶1，確定二次空氣風量。

3)確定間接換熱器尺寸

該室外機間接段采用了板翅式顯熱換熱器。經過理論和實驗論證得出，交錯流板式間接蒸發冷卻器一二次通道的寬度分別為5 mm左右為最佳，且二次通道的寬度要略大于一次通道的寬度[4]。根據廠家提供的樣本，確定迎風風速，計算得出迎風面積。最終確定板翅式換熱器尺寸。

4)確定填料尺寸

填料的迎風風速一般為2～3 m/s。根據風量計算得出迎風面積大小。再考慮機組整體尺寸及加工工藝等因素，得出迎風面積尺寸。

根據麥克爾(Merkel)方程，并對其進行修正[5－10]，得出:

(1)方程中體積傳質系數βv(kg/m3·s)，反映了淋水裝置的散熱能力，可根據計算式:βv＝3.926g0.1607wg1.290a得出。

(2)別爾曼對麥克爾方程進行了修正，引入了考慮因蒸發水量而帶走熱量的1/K。K可按照公式:K ＝1－(Cmt2)/λ0進行計算。

式中:Δh0、Δh1……Δhn指的是水溫分別為t2、t2＋dt……t2＋(n－1)dt、t＋ndt時的相應焓。

當計算精度要求不高時，Δt＜15℃時，可用以下簡化計算:

式中:h″－h2為進水溫度的飽和空氣焓與排出的空氣焓差；h″m－hm為進出水平均溫度下的飽和空氣焓與進出的平均空氣焓的差；h″2－h1為出水溫度下的飽和空氣焓與進入的空氣焓的差。

經過一系列計算取整，并考慮填料阻力等經濟性因素，最終得出填料高度H。

計算出填料高度H后可根據公式驗證效率:

4 實驗

結合設計步驟，完成了制冷量為3500 W的分體式蒸發空調器實驗樣機設計與制作。所配半導體制冷裝置的個數為4個，半導體制冷片48片。在空調標準焓差實驗室模擬高溫低濕工況(干球溫度34℃，濕球溫度18～23℃)，對該分體式蒸發空調器進行了實驗測試，如圖6所示。

圖6 在焓差實驗室實驗樣機的實物圖Fig.6 The photo of test prototype in enthalpy difference lab

只開啟蒸發冷卻(運行模式1)空氣、水的溫度如表1所示。蒸發冷卻與半導體制冷裝置同時開啟(運行模式2)，空氣、水的溫度如表2所示。

表1 運行模式1出風、出水溫度Tab.1 Air and water temperature of operating mode 1

表2 運行模式2出風、出水溫度Tab.2 Air and water temperature of operating mode 2

通過間接-直接蒸發冷卻產生冷水的出水水溫，通常在室外空氣濕球溫度以下露點溫度以上，把該溫度定義為亞濕球溫度。所對應有亞濕球效率，表征了低于濕球溫度的程度，可以作為該室外機的冷卻效率的重要指標。表1、表2結果表明，室外機的出水溫度低于室外空氣濕球溫度1～2℃。根據公式(8)得出，亞濕球效率平均為110%。室外機的出風溫度高于室外空氣濕球溫度3～4℃，根據公式(9)得出，間接的濕球效率平均為75%。

實驗同時也對樣機的功率進行了測試。室外機實測功率為660 W，與預期計算相比較為高。因為實驗調節需要，風機的選型不合適，選取較大。風機的功率占到了總功率的90%。這樣算下來的整機能效比不具有說服性。但從半導體制冷的能效比來看，經過計算得出，該樣機的半導體制冷裝置能效比為3，還處于一個較高的水平。說明通過冷水這種散熱方式縮小了半導體制冷的冷熱端溫差確實對提高半導體制冷能效比有一定的作用。這樣通過半導體制冷裝置對水溫的一定程度調節，可保證水溫的穩定，彌補由于蒸發冷卻帶來的不穩定性，適當擴大了應用地域，同時保證了較高的能效比。

實驗在穩定工況穩定后進行讀數。但在模擬空氣溫濕度的過程中，由于室外側室外機排濕量較大，造成冷機負荷較大，所以造成了濕球溫度有輕微的波動(±0.1℃)，對實驗數據產生了輕微的影響。實驗過程中所取得的數據忽略了積液、測點布置長度的誤差，認為所得誤差是實驗儀器本身造成的。同時，忽略了機組外殼和管道外壁對溫度的影響。另外，除空氣的干濕球溫度、空氣流量、水量、水溫外的其他數據均為計算取整所得。

5 適用性分析

以《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范GB50736—2012》[11]中最新提供的室外設計參數作為計算數據，該規范提供了除我國香港、澳門特別行政區、臺灣外28個省級行政區、4個直轄市所屬的294個臺站的室外空氣計算參數。其中，咸陽等7個地區沒有提供濕球溫度，因此共統計計算了288個市/區/自治州的出水、出風溫度情況。

統計計算依據了該分體式蒸發空調器實驗樣機在空調標準焓差實驗室的實驗結果，包括了利用亞濕球效率計算出水溫度，利用間接蒸發效率計算出風溫度，利用半導體制冷的實驗結果計算再次溫降后的出水溫度。

再根據該分體式蒸發空調器在各個市/區/自治州的出水溫度情況，以通常高溫冷水的供水溫度18℃作為界限，判斷各省(區)中滿足要求的百分率情況。最終統計結果發現，該分體式蒸發空調器主要可應用于我國西北地區以及內蒙、云南等省(區)。特別是在我國新疆、甘肅、內蒙、寧夏等省(區)，夏季的室外氣候特征為高溫低濕，為該分體式蒸發空調器創造了良好工況，其適用率超過90%。而在我國陜西、山西、黑龍江、貴州的部分地區也可以采用。

而圖7展現的為在我國部分省(區)中，單獨開啟蒸發冷卻(模式一)、蒸發冷卻與半導體制冷同時運行(模式二)滿足要求所占的比例情況。在新疆與甘肅，直接應用蒸發冷卻制取冷水的地區超過了50%。在寧夏、內蒙古、云南等省(區)，也可以通過蒸發冷卻與半導體制冷同時運行，達到80%以上。而在陜西與山西，通過半導體制冷的輔助調節，也可以將蒸發冷卻制取冷水應用于部分地區。

圖7 不同運行模式在各省(區)所占的比例Fig.7 The proportion of different operation modes in part of provinces(areas)

6 結語

1)簡要介紹了一種蒸發冷卻與半導體制冷相結合分體式蒸發空調器，對其運行模式進行了探討，得出了不同運行模式下的相關公式以及熱平衡關系。設計制作了用于實驗測試的樣機，并對該分體式蒸發空調器的設計步驟做了簡要分析，對重要公式做了梳理。

2)通過在空調標準焓差實驗室、實驗臺的相關測試，得出了該分體式蒸發空調器的出風、出水溫度情況。室外機的出水溫度低于室外空氣濕球溫度1 ～2℃，亞濕球效率平均為110%。室外機的出風溫度高于室外空氣濕球溫度3～4℃，間接蒸發效率平均75%。半導體制冷裝置的能效比為3。

3)依據實驗結果，結合夏季設計參數進行計算，得出該分體式蒸發空調器的在我國西北地區的適用率超過90%。結果表明，該分體式蒸發空調器在我國高溫低濕地區有著較為廣闊的應用前景。相信經過今后的進一步優化設計后，必將在我國適用的地區發揮其環保、高效、節能、穩定的特點。

本文受陜西省工業攻關計劃項目(2013K07－27)和陜西省教育廳自然科學專項(12JK0804)資助。(The project was supported by the Industrial Research Project in Shaanxi Province(No. 2013K07-27)and the Natural Science Project of Education Department of Shaanxi Provincial Government(No.12JK0804).)

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Design and Test of Split Evaporative Air Conditioner

Huang Xiang1Sun Zhe1，2Liu Jiali1

(1.College of Environmental and Chemical Engineering，Xi′an Polytechnic University，Xi′an，710048，China；2.Xi′an Metro Co.，Ltd.，Xi′an，710018，China)

A split evaporative air conditioner of evaporative cooling and semiconductor refrigeration was designed.Principle and three modes of operation were discussed，and the design step of split air conditioner was summarized.The water and air temperature of split air conditioner were tested with the experimental prototype.The results show that the air temperature of outdoor unit is 3～4℃ higher than outdoor wet bulb temperature.The water temperature of outdoor unit is 1～2℃lower than outdoor wet bulb temperature.After decreasing by semiconductor refrigeration again，it can be 4～5℃ lower than the outdoor wet bulb temperature.According to the test results，combined with meteorological data，the air and water temperature in 288 cities in China was calculated.The calculated result shows that the split evaporative air conditioner is widely adopted in Northwest China and other dry areas.The applicable rate is over 90%.

evaporative cooling；semiconductor refrigeration；split evaporative air conditioner；sub-wet bulb efficiency；applicability

TU831.4

A

0253－4339(2014)05－0038－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.038

黃翔，男(1962－)，教授，副校長，西安工程大學，(029) 82330016，E-mail:Huangx＠ xpu.edu.cn。研究方向:蒸發冷卻空調技術。

2013年12月3日

About the corresponding author

Huang Xiang(1962－)，male，professor，vice chancellor，Xi′an Polytechnic University，(029)82330016，E-mail:Huangx＠xpu.edu.cn.Research fields:evaporative air-conditioning.