CFD技術在新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組的應用

劉佳莉， 黃 翔， 孫 哲

（西安工程大學，陜西西安 7100 48）

0 引言

與傳統空調相比較，蒸發冷卻空調采用水作為制冷劑、無四大運動部件、機組CO P較高，在節約能源和環境保護方面具有一定的優勢。由于受到室外環境影響，使用范圍受限。為了提高蒸發冷卻空調的降溫幅度和實現一定范圍的濕度控制，基于MAISOTSENKO循環（簡稱M-cycle）[1]理論，開發出一種新型復合式露點間接蒸發冷卻空氣處理機組。機組入口空氣可以采用新風，利用不斷降溫的空氣，一部分作為蒸發冷卻的“工作空氣”（即二次空氣），來冷卻另一部分的“產出空氣”（即一次空氣）。由于“工作空氣”的溫度不斷降低，增加了空氣與水熱濕交換的能力，從而制取溫度更低的空氣，甚至接近露點溫度。

隨著電子計算機的發展，其能夠自主、高速地進行大量的數值計算和各種信息處理，運算速度已達到每秒億萬次。在此之下衍生的商業軟件CFD（Computational Fluid Dynamics），也進入了暖通空調應用領域。與傳統的實驗測試相比較，其具有速度快、成本低、可模擬不同工況等優點。為了更好地發揮蒸發冷卻節能、環保的優勢，將這種模擬技術應用于新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組的模擬研究，對于機組性能優化等方面具有重要意義。

1 露點間接蒸發冷卻的模擬研究

露點間接蒸發冷卻的模擬研究大多集中在換熱器結構參數和運行條件等方面。

X·Zhao等人[2]對一種新型的逆流露點式蒸發冷卻器進行了數值模擬研究，通過數值計算不斷優化換熱器結構參數和運行條件，結果得出了幾種影響其冷卻效率的主要因素：氣流通道尺寸、氣流速度及工作空氣與進氣量風量比。并給出相關建議值：一次空氣的流速應該保持在0.3～0.5 m/s，空氣通道高度保持在6 mm以下，進風中作為二次空氣的比例為0.4。

Zhan等人[3]利用有限元法建立了一個用于求解一次空氣和二次空氣間熱質傳遞的耦合控制方程。試驗和模擬結果的對比顯示，出口溫度的最大偏差為3.4%，濕球效率的最大偏差為9.4%，實驗結果和模擬基本吻合。模擬給出了相關推薦值：二次空氣流量小于1.77 m/s，一次空氣流量小于0.7 m/s，最佳二/一次空氣流量比為0.5，通道之間的高度保持在4 mm。模擬結果說明露點式間接蒸發冷卻器比傳統的間接蒸發冷卻器效率高出16.7%。

Riangvilaikul和Kumar[4]建立了模擬露點式間接蒸發冷卻器內部熱質傳遞過程的有限差分數學模型。保持入口空氣溫度在35℃不變，含濕量在6.9～26.4 g/kg之間變化時，系統的露點效率的變化范圍為65%～86%，濕球效率的變化范圍為106%～109%。基于模型分析，文章提出系統理想運行參數為：入口空氣流速小于2.5 m/s，通道間距小于5 mm，通道長度大于1 m，二次空氣和一次空氣的流量比為35%～60%。

丁杰等人[5]對一種回熱式間接蒸發冷卻（簡稱RIEC）器進行CFD模擬。這種回熱式間接蒸發冷卻降溫后的一次空氣，一部分被循環作為二次空氣使用，RIEC具有正反饋式工作原理，其降溫潛力突破濕球溫度，在焓濕圖上，它的空氣處理過程與露點間接蒸發冷卻相同，對于露點間接模擬研究具有一定參考。在進行RIEC模擬研究中，采用同位網格劃分，有限容積法對控制方程進行離散，模擬技術分析傳熱傳質過程。從流道間距、空氣流速、相對濕度等方面分析其對冷卻效率和火用比的影響，結果給出建議取值：一二次通道間距4～5 mm，一次空氣通道4 mm左右，一次空氣流速2.5～3 m/s，二次空氣流速1～1.5 m/s。并指出為了得到高的火用比，一方面降低入口空氣相對濕度，提高入口干球溫度；另一方面，通道間距、長度個一次空氣流速要保持合適范圍。

針對已有的具有潛力的露點間接蒸發冷卻空調機組的相關使用效果、節能潛力以及是否滿足溫濕度要求等方面，也有相關參考的模擬研究。

Eastment等人[6]對一種具有節能潛力的OASys兩級間接-直接蒸發冷卻器應用于住宅建筑帶來的節能潛力和室內溫濕度進行模擬。其中，OASys的間接蒸發冷卻段是一個逆流露點式間接蒸發冷卻。文中分別對兩棟住宅進行了年逐時建筑能耗模擬：模擬室和標注室。為了說明OASys的節能潛力，分別與不同的冷卻方式進行對比：手動控制的OASys、具有最佳控制的OASys、獨立的直接蒸發冷卻器和傳統的空調等。假定兩級O S A y s設備中間接段的換熱效率為45%（基于國家可再生能源實驗室對O S A y s的測定），直接段的濕球效率為85%，能制取濕球溫度以下的空氣。傳統的空調的能效比選擇13、15。對博雷格溫泉氣候區的模擬結果進行分析，得出：1）OASys和直接蒸發冷卻器與傳統的空調器相比較，能夠節省大量電能；2）與直接蒸發冷卻相比較，OASys送風溫度較低；3）OASys最佳控制與手動控制相比，能夠節約約23%的能量消耗；④獨立的OASys，特別是直接蒸發冷卻器導致博雷戈溫泉住宅室內相對濕度高于70%的運行時間多于400 h。另外，直接蒸發冷卻器使得運行時室內干球溫度超過80℉的小時數超過400 h。

2 復合式露點間接蒸發冷卻空氣處理機組簡介

2.1 工作原理

露點間接蒸發冷卻空調技術是原有的間接蒸發冷卻空調技術基礎上的一個新的發展，由于特殊的芯體構造，其可實現更大的溫降，可以對空氣的濕度實現一定范圍的控制。新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組與傳統的間接蒸發冷卻空調機組不同的是，機組的芯體構造不同于傳統的板式間接和管式間接，它的芯體壁面被均勻打上了一定規則和大小的孔口。如圖1所示，芯體有不同的材料構成兩個不同的空氣流動通道，空氣自入口進入機組的干通道，通過壁面的小氣孔而鉆入到另一側的通道，另一側頂部設有布水裝置，通過噴淋裝置，噴淋水在壁面形成均勻的水膜，這一側被稱為濕通道。在排風機的作用下，進入濕通道的空氣被稱為二次空氣（工作氣流），它與噴淋水進行濕熱交換，來預冷干通道的一次空氣（產出氣流）。芯體末端設置擋板，最后所有干通道的一次空氣都經過壁面的孔口，進入到另一側的濕通道，與噴淋水熱濕交換，溫度降低的一次空氣最后作為機組的送風[7]。

圖1 空氣運動途徑示意圖

新型復合式露點間接蒸發冷卻空氣處理機組的工作原理就是能量的梯級利用，利用多個通道的不同狀態點的空氣，不斷降低一次空氣的濕球溫度，從而增加兩側通道之間空氣間的溫度差，從而增強之間的傳熱能力。

2.2 空氣處理過程

圖2 經過芯體的產出空氣處理焓濕圖

新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組的空氣處理過程如圖2所示，狀態點為1的空氣在干通道被逐級降溫到狀態點2，這是一個等濕冷卻過程（間接蒸發冷卻），空氣的溫度降低的同時含濕量保持不變；被等濕降溫的空氣繼而經過孔口進入濕通道，與噴淋水熱濕交換，被等焓降溫到狀態點3（直接蒸發冷卻）。理想狀態，一次空氣（產出氣流）經過了間接-直接蒸發冷卻空氣處理后，最終落在了狀態點3，其中t1L＜t3＜t1s，也就是說一次空氣的溫度處于亞濕球溫度[8]，甚至逼近露點溫度。

由于經過了間接-直接蒸發冷卻空氣處理過程，其降溫幅度增加。評價其冷卻效果指標為濕球效率ηIDEC。

式中 ηIDEC—復合式露點間接蒸發冷卻的濕球效率，%；

tg1—進風口空氣的干球溫度，℃；

ts1—進風口空氣的濕球溫度，℃；

tg3—送風口空氣的干球溫度，℃。

3 CFD技術應用

3.1 CFD技術發展

CFD技術發現源于英國，科學家T h o m通過手搖計算機完成了一個外掠圓柱流動的數值計算，由此衍生出利用計算機編程等手段解決工程中復雜的問題。伴隨著計算機技術的飛躍發展，從20世紀60年代至今，CFD技術經歷了三個主要的時期：起始階段，用于解決流體力學基本理論和數值計算；第二階段進入工業應用領域，面向實際工程計算問題；第三階段，CFD技術日漸成熟，數據模擬以及分析功能強大，適用范圍廣，已經被人們所關注[9]。國外該項技術的研究較早，英國、美國、日本等國家率先開始研究，20世紀80年代CFD進入我國暖通空調領域，清華大學、東華大學等對氣流組織和送風形式進行了模擬。香港大學借助大渦模擬工具研究自然通風問題等[10]。該技術應用于H V A C領域，主要用于流體計算、數值模擬、氣流組織分析、空調負荷計算、室內污染物濃度分析等方面。

3.2 可以解決的問題

3.2.1 設備性能改進

（1）風機和水泵

新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組，其設備主要的耗能部件有送風機、排風機和循環水泵。它們都是通過流體工質的流動而工作的，流動情況對設備性能有著重要的影響。利用CFD軟件模擬設備內部流動情況，來研究設備性能，從而改進設備相關參數，使風機和水泵在最佳工況下運行，以達到降低其能耗，提高機組COP。

（2）芯體構造

該機組特殊的芯體構造，構成了兩種不同工作性質的通道：干通道和濕通道。通道高度的增加，濕球效率和制冷量都隨著下降，COP升高。而干通道長度越長，干通道與濕通道空氣接觸時間越長，換熱更充分，制冷量和濕球效率增加，COP下降。

（3）空氣流速

當進入機組的空氣增加時，一次空氣和二次空氣按照比例增加，流速也相應比例增加。機組制冷量隨著空氣流量的增加而增加。然而流速過大會造成換熱不充分的問題，制冷量反而受大流速影響而降低。

（4）空氣流量比

一次空氣和二次空氣流量比對機組冷卻效果的影響與通道高度有關。另外，從能量守恒的角度分析，需要處理得到一定降溫幅度的一次空氣，干燥地區需要的二次空氣較少，高濕度地區需要二次空氣較大[11]。

另外，空氣湍流擾動強度、噴淋水是否均勻潤濕壁面等，這些因素都對換熱效率有著重要影響，直接影響到機組的冷卻效果。CFD技術可實現快速模擬換熱器結構參數、空氣流速、一次空氣與二次空氣流量比等，預測不同條件下對應的不同效果，通過對比分析，可以尋找出一個最有利的條件，為機組換熱器結構的優化提供參考。

3.2.2 室外環境分析設計

眾所周知，蒸發冷卻空調技術受到外界環境的影響，其運行具有不穩定性。采用CFD可以方便地對室外環境進行模擬。

通過模擬室外干球溫度和濕球溫度，可以設置不同工況，從而研究蒸發冷卻對應的不同冷卻效率，分析不同室外環境參數的影響下蒸發冷卻的性能，對其應用有著指導意義。而且，具有投資少、經濟、不受客觀條件限制、時間短等特點。

3.2.3 室內環境分析設計

室內環境包括室內熱環境和室內空氣品質兩方面。ASHRAE Standard 55-1992中將熱舒適定義為人體對熱環境滿意的意識狀態。對于舒適性空調，室內溫度、相對濕度和風速取值范圍見表1。

表1 通用熱舒適區的最佳取值范圍

同樣，舒適的室內環境要求室內具有良好的空氣品質，室內需要及時輸送一定量的新風，來保證人們生活和工作所需要的足夠氧氣。現代建筑室內由于裝修等過程，墻壁等物體會向室內散發一定的有害物質，如甲醛等。室內充足的新風和良好的氣流組織形式，對于消除室內污染物濃度，保持良好空氣品質非常重要。

新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組能夠向室內輸送降溫和過濾的新風，通過吸收室內余熱和置換室內污染空氣來保持室內一定舒適環境。所以，室內溫度場和濕度場分布情況、氣流組織是否合理，以及室內污染物濃度分布等對該機組的研究和應用具有指導意義。CFD技術在評價室內氣流組織是否合理，分析室內污染物濃度的分布等發揮優勢。

3.3 技術路線

模擬技術應用于新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組的研究，其基本的技術路線如圖所示，首先，對該機組建立質量方程、動量方程和能量方程，指定初始時刻已知函數值，并確定機組換熱器結構尺寸、干濕通道幾何尺寸、氣流流速、二次/一次空氣流量比等參數。然后，將原來連續的物理場用一系列有限個離散點的集合代替，建立離散方程，最后求解變量近似值。CFD技術常用的數值方法包括有限差分法、有限容積法、有限元法和有限分析法。

針對新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組進行實際效果測試，測試結果與模擬結果可以比較分析（如圖3所示）。

圖3 CFD技術應用于新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組模擬研究的技術路線

3.4 存在不足

（1）新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組的核心部件為機組的芯體，影響機組的效率主要因素之一就是芯體的結構尺寸，但區別于傳統的間接蒸發冷卻器，選擇合理的網格劃分很重要。

（2）受到客觀因素的影響，模擬研究多對三維的模型簡化為一維或者二維，不能真實地反應實際情況，應對加強三維模型的建立進行研究。

（3）新型復合式露點間接蒸發冷卻機組的空氣處理過程較為復雜，一次空氣經過等濕降溫和等焓降溫兩個處理過程，濕通道中關于水膜的過多假設對其內部的熱質交換的模擬結果產生很大的影響，應加強更符合實際情況的控制方程的推導和動態模型的建立。

4 結語

新型復合式露點間接蒸發冷卻空調機組在降溫幅度和濕度控制方面發揮優勢，節能和環保潛力突出，結合CFD技術成本低、有效、便捷等特點，先對機組的結構尺寸和運行條件，以及應用該機組的建筑室內溫度場、濕度場、氣流組織等進行模擬，再對機組進行實際性能和運行效果測試，模擬與實際測試相結合，是一條科學和合理的研究該新型機組并推廣其應用的技術路線。

[1] Valeriy Maisotsenko，Leland Gillan.The Maisotsenko cycle for air desiccantcooling//The 4th International Symposium on HVAC. Beijing，China，2003：9～11.

[2] X.Zhao，J.M.Li，S.B.Riffat.Numerical study of a novel counter-flow heatand mass exchanger for dew point evaporative cooling[J]. Applied ThermalEngineering，（2008），doi：910.1016/j.applthermaleng.2007.12.006

[3] C Zhan，X Zhao，S Smith，et al. Numerical study of a M-cycle cross-flowheat exchanger for indirect evaporative cooling [J]. Building and Environment，2011，46（3）：657～668.

[4] B Riangvilaikul，S Kumar. An experimental study of a novel dew point evaporativecoolingsystem[J].EnergyandBuildings，2010，42（5）：637～644.

[5]丁杰，任承欽.間接蒸發冷卻方案的比較研究[J].建筑熱能通風空調，2006，25（4）：100～103.

[6] Eastment，M.，E. Hancock，and C. Kutscher.2005 2005“新型住宅蒸發冷卻系統成本和效益預測”，國家可再生能源實驗室.

[7]黃翔.蒸發式空調理論與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[8]夏青.蒸發冷卻空調術語標準若干問題的研究[D].西安：西安工程大學，2012.

[9]黃洪濤.室內空氣環境V O C s濃度場的CFD仿真分析[D].上海：上海師范大學，2008.

[10]鄭國忠.工位空調氣流組織與數值模擬[D].上海：東華大學，2006.

[11]周海東，黃翔、范坤.露點間接蒸發冷卻器結構對比分析[J].流體機械，2013，41（2）：71～77.

[12]曾陽.蒸發冷卻換熱器的數值模擬與實驗研究[D].湖南：湖南大學，2011.