蒸發冷卻與機械制冷協同耦合空調機組探討

楊立然 黃 翔 賈 曼 郭志成

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蒸發冷卻與機械制冷協同耦合空調機組探討

楊立然 黃 翔 賈 曼 郭志成

（西安工程大學 西安 710048）

介紹了國內外研究現狀，通過原理和結構對比，分析歸納了蒸發冷卻與機械制冷相結合的空調機組技術形式；根據氣象參數影響與使用特點，對不同技術形式的適用性進行了分析說明；對蒸發冷卻與機械制冷兩者之間的匹配、切換和協同運行模式與控制策略進行了探討；列舉了相關工程案例，對復合節能空調技術應用前景進行了展望。

蒸發冷卻；機械制冷；協同耦合；復合節能；理論與應用

0 引言

隨著空調技術發展，傳統機械制冷方式面臨轉型升級；蒸發冷卻通風空調技術具有節能、低碳、經濟、健康的獨特優勢，而受氣象條件影響較大，自身性能有待提高。將蒸發冷卻與傳統機械制冷相結合，可實現兩種技術的協同耦合，彌補單純采用其中一方所存在的不足，有利于優化蒸發冷卻通風空調設備，拓寬其使用范圍，同時，提高機械制冷能效，實現兩者優勢互補，促進節能減排。

1 研究現狀

對于蒸發冷卻與機械制冷相結合的空調技術，國內外許多專家學者進行了相關研究。

1.1 國外研究現狀

韓國首爾漢陽大學Min-Hwi Kima等人采用濕盤管間接蒸發冷卻器對進風預處理，結果表明，可使傳統變制冷劑流量多聯空調系統運行能耗年平均節省46%[1]。新加坡國立大學X Cui等人對間接預冷蒸發換熱器在炎熱潮濕氣候下的性能評價進行了研究，結果表明，間接蒸發換熱器可為室外潮濕空氣移除大約35-47%的冷負荷，而風機和水泵附加能耗較小[2]。美國加利福尼亞大學戴維斯分校西部制冷效率中心應用直接蒸發冷卻技術對原有的屋頂式空調機組進行了改造，使原有空調機組節能約10%[3,4]。美國SPEAKMAN公司推出的第3代機組AIRMAX，從潮濕氣候區到干燥氣候區，約節省運行能耗40%到80%[5]。此外，瑞典蒙特公司開發的類似機組在數據中心得到了良好應用，節能效果顯著[6]。

1.2 國內研究現狀

香港理工大學楊洪興教授等人對間接蒸發冷卻在空調系統中通過預冷及熱量回收降低系統能耗進行了研究，在復合系統中，將室內較低溫濕度的回風作為間接蒸發冷卻的二次空氣。結果表明，對于潮濕地區，一次空氣流道內可能發生凝結，冷凝作用降低了間接蒸發冷卻濕球效率，而除濕，提高了總傳熱速率[7,8]。

西安工程大學黃翔教授在《蒸發冷卻空調理論與應用》等書中，闡述了將蒸發冷卻與機械制冷相結合的原因，提出了兩者相結合的基本理論[9-11]。西安工程大學徐方成等人對蒸發冷卻與機械制冷復合空調機組進行了研究，結論表明，機組在滿足舒適性空調要求前提下，能效比EER提高至16.3[12,13]。西安工程大學范坤等人對西安某通信機房改造工程蒸發冷卻與機械制冷聯合空調機組進行了研究，結果表明，改造后的系統每年節省電費可達18萬元[14,15]。西安工程大學薛運等人對蒸發冷卻與機械制冷聯合的一體化空調機組進行了研究，進一步證明了其良好的節能性和應用前景[16-18]。

2 技術形式歸納

2.1 直接蒸發冷卻+機械制冷空調機組技術形式

（1）直接蒸發冷卻+低溫表冷器（DEC+CC）技術

圖1 直接蒸發冷卻與低溫表冷器相結合技術原理圖

將直接蒸發冷卻與低溫表冷器進行聯合，主要實現兩者的切換運行，在過渡季節或室外氣象條件允許時，關閉低溫表冷器，通過直接蒸發冷卻降溫加濕，而在直接蒸發冷卻無法滿足室內環境要求時，關閉直接蒸發冷卻，開啟低溫表冷器對被處理空氣進行降溫除濕。

（2）直接蒸發冷卻+蒸發器-冷凝器（DEC+DX）技術

圖2 直接蒸發冷卻與蒸發器-冷凝器相結合技術原理圖

直接蒸發冷卻跟蒸發器的結合，與跟低溫表冷器的結合類似，主要實現兩者的切換運行；而跟冷凝器的結合，則為了實現冷凝器蒸發冷冷卻方式，降低冷凝溫度和壓力，提高制冷系數。該形式應用較早，適用范圍廣泛，主要用來給機械制冷的冷凝器提供較低溫度的冷卻氣流。一般而言，環境溫度高于29.4℃，在其他條件一定時，冷凝溫度每降低1℃，機械制冷COP提高3%左右，機械制冷能耗約降低3%[19]。目前，采用該技術形式的設備逐漸增多，除了空調機組方面，該技術對冷水機組的優化改進也起到了積極的促進作用。

（3）蒸發冷凝技術

圖3 蒸發冷凝技術原理圖

蒸發冷凝將直接蒸發冷卻與風冷式冷凝器融合為一體，從廣義上說，屬于直接蒸發冷卻與冷凝器的結合，實現了冷凝器蒸發冷冷卻方式。近年來，該形式在地鐵等領域得到了一定的應用，效果良好。采用類似技術的冷水機組也越來越多，并逐漸成為一種專業技術發展趨勢。從2017中國制冷展就可以看到不少類似的實際產品，如雙冷源空調冷水機組、一體式雙冷源高效冷水機組、板管蒸發冷卻式渦旋冷水機組以及磁懸浮蒸發自然冷機組等設備。

2.2 間接蒸發冷卻+機械制冷空調機組技術形式

（1）間接蒸發冷卻+低溫表冷器（IEC+CC）技術

圖4 間接蒸發冷卻與低溫表冷器相結合技術原理圖

該技術將間接蒸發冷卻與低溫表冷器相結合，主要實現兩者的協同運行，通過間接蒸發冷卻的預冷作用，減少機械制冷所需承擔的負荷，而該形式中間接蒸發冷卻的二次排風的散失造成了一定的能量浪費。

（2）間接蒸發冷卻+蒸發器-冷凝器（IEC+DX）技術

圖5 間接蒸發冷卻與蒸發器-冷凝器相結合技術原理圖

該技術在（1）的基礎上，除了實現兩者的協同運行以外，對間接蒸發冷卻的二次排風加以利用，提高了間接蒸發冷卻能量使用效率和整機的能效比[20]。

2.3 間接-直接蒸發冷卻+機械制冷空調機組技術形式

（1）間接-直接蒸發冷卻+表冷器（IDEC+CC）技術

圖6 間接-直接蒸發冷卻與表冷器相結合技術原理圖

在間接蒸發冷卻與低溫表冷器結合的基礎上，增加直接蒸發冷卻段，滿足多種實際需要，實現DEC、IDEC以及IEC+CC三種工作模式，拓寬了蒸發冷卻通風空調技術應用范圍，通過蒸發冷卻與機械制冷之間的協同、切換運行，提高系統全年節能性。在實際工程中，也可適當考慮對二次空氣加以使用，實現能量梯級化。

（2）間接-直接蒸發冷卻+蒸發器/冷凝器（IDEC+DX）技術

圖7 間接-直接蒸發冷卻與蒸發器-冷凝器相結合技術原理圖

Fig.7 Technical principle diagram of indirect-direct evaporative cooling combined with evaporator and condenser

與技術（1）不同，該技術將雙冷源內置，并與空氣處理設備一體化，滿足多種功能需要，通過蒸發冷卻與機械制冷之間的協同耦合，實現節能效益。該技術通過間接蒸發冷卻的預冷作用，為機械制冷節省能耗，同時利用間接蒸發冷卻二次排風為機械制冷冷凝器降溫，可有效提高間接蒸發冷卻能量使用效率和整機能效比。

2.4 蒸發冷卻與機械制冷協同耦合空調機組中蒸發冷卻技術形式總結

在上述技術形式中，直接蒸發冷卻主要采用填料式和噴霧式。由于噴霧式對水質和噴水壓力要求較高，使用中易堵塞，因此，一般建議采用填料式，且能對被處理空氣實現一定的過濾和凈化作用。

間接蒸發冷卻可采用臥管式、立管式、板管式以及露點式等形式，二次空氣流道可采用淋水或噴霧方式，相比而言，通常采用淋水式。對于間接蒸發冷卻，采用管式、板管式為特征的換熱芯體時，在冬季可將間接蒸發冷卻器作為熱回收裝置，實現熱回收功能；采用露點間接蒸發冷卻芯體時，可實現更好的預冷能力和節能潛力，而該類芯體空氣流道較為狹窄，應用中防堵能力有待提高，當下間接蒸發冷卻器應用較多的形式為管式，此外，具有板與管復合結構的板管式間接蒸發冷卻器也正得到更多的使用。總之，對于該類間接蒸發冷卻技術，在一定環境條件下，二、一次空氣風量比和水氣比是影響冷卻效率的核心參數。此外，對流換熱系數、水膜的均勻性等因素對換熱效率也有很大影響。

3 應用探討

3.1 工作模式的選擇

圖8 不同運行模式在蒸發冷卻空調氣象分區圖上的劃分

表1 不同運行模式的劃分

以表2中數據為例，由焓值計算公式，得出不同模式對應濕球溫度和含濕量，以便在實際操作控制時，確定相關的臨界狀態參數。

表2 相關設計與計算參數

續表3 不同模式對應濕球溫度與含濕量范圍

寒冷時段，h＜h，d＜d，采用一次回風最小新風比，確定h，進而確定空氣處理過程，采取新、回風直接混合或者新風先預熱后與回風混合，機組直接蒸發冷卻段實現加濕功能，機械制冷循環由四通換向閥切換為熱泵循環進行制熱。

3.2 間接蒸發冷卻二次空氣的選擇

間接蒸發冷卻效率公式如下：

從上述公式可以看出，在其他條件一定時，二次空氣的濕球溫度決定了間接蒸發冷卻效率，隨著二次空氣濕球溫度的降低，間接蒸發冷卻效率逐漸提高。

圖9 不同室外空氣狀態與室內空氣狀態在焓濕圖上的分布

如圖9所示，當室外空氣狀態點位于W2，此時，室內空氣的濕球溫度低于室外空氣的露點溫度2，若采用室內回風作為二次空氣，室外新風作為一次空氣，則在一次空氣流道內可能發生除濕現象，有關研究也證實了這樣的事實。因此，針對該情況，建議優先采用室內回風作為間接蒸發冷卻的二次空氣。當室外空氣狀態點處于W1，一次空氣依然為室外新風，室外空氣的濕球溫度t1低于室內空氣濕球溫度t，此時，相比室內空氣而言，應采用室外新風作為間接蒸發冷卻的二次空氣。

3.3 運行時間分配與節能性探討

（1）采用直接蒸發冷卻為機械制冷冷凝器散熱的節能性

如圖10所示，為5個典型城市夏季采用直接蒸發冷卻為風冷式冷凝器降溫的節能性。

圖10 夏季采用直接蒸發冷卻為冷凝器散熱的節能性

由圖10可以看出，從干燥地區到潮濕地區，隨著濕度的增加，采用直接蒸發冷卻為冷凝器降溫的節能率逐漸降低，而可使用的時間呈增加趨勢，且在中等至高濕度地區顯著增加。盡管在南京、長沙這樣的潮濕地區，夏季采用直接蒸發冷卻依然可將室外空氣溫度降低5℃左右，從而有效降低機械制冷冷凝溫度和壓力，提高機械制冷能效。綜上，夏季采用直接蒸發冷卻為冷凝器散熱具有普遍的節能性，節能量受環境濕度和使用時長的共同影響。

（2）一定工況下，間接蒸發冷卻可承擔的冷量比例隨效率的變化與節能性

在表4基本條件a前提下，結合5-9月份逐時氣象參數，對不同效率間接蒸發冷卻可承擔的冷量和比例進行統計。

表4 基本條件a

從圖11可以看出，在給定條件下，隨著間接蒸發冷卻效率的提高，機械制冷所需承擔的冷量逐漸減少。當效率為50%時，間接蒸發冷卻可承擔約一半的冷量；當效率提高到80%時，機械制冷所需承擔的冷量減少到20%。而現有的間接蒸發冷卻器效率一般為65%左右，可承擔約60%的負荷，節能可觀，今后隨著技術的發展，間接蒸發冷卻將發揮更大的潛力。

圖11 給定條件下，冷量比例隨濕球效率的變化關系

（3）一定效率間接蒸發冷卻可承擔的冷量比例隨工況的變化與節能性

表5 基本條件b

圖12 給定條件下，冷量比例隨工況的變化關系

在表5基本條件b前提下，結合5-9月份逐時氣象參數，對一定效率間接蒸發冷卻在不同地區可承擔的冷量和比例進行統計。

從圖12可以看出，在給定條件下，從干燥地區到潮濕地區，隨著濕度的增加，機械制冷所需承擔的冷量逐漸增加。在干燥地區，夏季采用間接蒸發冷卻可承擔約40%的冷量；在中等濕度地區，該比例約為25%，而在高濕度地區，該比例約為15%。故對于不同氣候區，夏季僅采用蒸發冷卻難以滿足要求時，均可采用間接蒸發冷卻與機械制冷相結合，盡管在高濕度地區的夏季，采用間接蒸發冷卻也可為機械制冷減少約15%的冷量，在此基礎上，若對間接蒸發冷卻的二次排風加以利用，可進一步降低機械制冷能耗約10%[20]。

4 相關工程案例

所述工程未改變原有空調系統送排風管道，在原有機組前部增加了管式間接蒸發冷卻段，并將原空氣處理機組中的加濕器改成了更高效的直接蒸發冷卻段。

測試表明：改造后機組在中等濕度地區數據中心夏季采用間接蒸發冷卻對新風進行預冷，可有效降低機械制冷能耗；過渡季節采用蒸發冷卻全新風方式；冬季采用直接蒸發冷卻進行加濕過濾，能滿足數據中心溫濕度與潔凈度要求。經節能改造，機組每年可為用戶節省電費約18萬元[14,15]，約減少二氧化碳排放量163噸/年。

圖13 西安某數據機房用改造后的復合空調機組

Fig.13 Compound air conditioning unit used for a Xi'an data room

5 結論

（1）蒸發冷卻與機械制冷協同耦合空調技術，充分利用可再生能源“干空氣能”，實現雙冷源優勢互補，可采用分散式或集成的一體化等形式，應用靈活，適用范圍廣泛。

（2）在干燥地區，采用蒸發冷卻基本可滿足全年要求，幾乎不需要開啟機械制冷輔助；隨著濕度的增加，所需開啟機械制冷時間會有所升高，而在中等濕度地區夏季，單級間接蒸發冷卻即可承擔30%的負荷，在高濕度地區夏季該比例依然可以達到20%左右，全年節能約達到40%-80%。

（3）蒸發冷卻與機械制冷協同耦合空調技術已在國外數據中心等領域得到良好的應用，在我國的推廣與發展也在逐步加快。我國幅員遼闊，全國氣候差異大，復合空調技術可因地制宜、因時制宜，節能效果顯著。隨著國家節能減排政策的深入，在“一帶一路”背景下，復合節能空調技術將迎來良好的發展機遇。

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Discussion on Air Conditioning Unit Combined with Evaporative Cooling and Mechanical Refrigeration

Yang Liran Huang Xiang Jia Man Guo Zhicheng

( Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048 )

This paper introduces the research status at home and abroad, through the comparison of principle and structure. The air conditioning unit combined with evaporative cooling and mechanical refrigeration is analyzed and summarized. According to the meteorological parameters influence and characteristics, the applicability of different technical forms is analyzed and explained; The matching, switching, coordinated operation modes and control strategies of evaporative cooling and mechanical refrigeration are discussed; The related engineering cases are listed, and the application prospect of composite energy-saving air-conditioning technology is prospected.

evaporative cooling; mechanical refrigeration; synergistic coupling; compound energy saving; theory and application

1671-6612（2018）01-007-07

TU83

A

“十三五”國家重點研發計劃項目課題（編號：2016YFC0700407）；西安工程大學研究生創新基金資助項目（編號：CX2017023）

楊立然（1992.10-），男，在讀碩士研究生，E-mail：yangliran1101@126.com

黃 翔（1962.07-），男，教授，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2017-10-09