天津地區(qū)間接蒸發(fā)冷卻能量回收系統(tǒng)能效的試驗研究

馬千里，郭春梅，郭式偉，李勝英，陳 通，卞晨航

（1.天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384；2.天津中怡建筑規(guī)劃設(shè)計有限公司，天津 300193；3.天津住宅科學(xué)研究院，天津 300450）

關(guān)鍵字：間接蒸發(fā)冷卻；能量回收；新風(fēng)預(yù)冷；能效

0 引言

直接蒸發(fā)冷卻（DEC）空調(diào)技術(shù)以干空氣能和水為冷源，清潔節(jié)能，卻受到使用地區(qū)氣候條件的限制，在高溫干燥地區(qū)應(yīng)用廣泛。間接蒸發(fā)冷卻能量回收（ERIEC）系統(tǒng)將一次風(fēng)（新風(fēng)）與經(jīng)過噴淋的二次風(fēng)（空調(diào)排風(fēng)或回風(fēng)）通過換熱器進行間接換熱，傳熱傳質(zhì)的驅(qū)動力是二次風(fēng)的干濕球溫度差，當(dāng)壁面溫度低于新風(fēng)的露點溫度時，發(fā)生凝結(jié)換熱，可以實現(xiàn)新風(fēng)降溫除濕的處理過程。

文獻［1］系統(tǒng)闡述了蒸發(fā)冷卻在不同氣候區(qū)乃至我國不同省份的應(yīng)用情況，并提出了DEC、IEC兩者結(jié)合成多級蒸發(fā)冷卻以及與機械壓縮制冷組合成復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)。DUAN等［2］的研究表明，新型露點冷卻系統(tǒng)在歐洲和中國的大部分地區(qū)適用，但濕度太高的地區(qū)不適合。

MAHESHWARI等［3］采用一種分析模型并根據(jù)科威特沿岸和內(nèi)陸的氣象數(shù)據(jù)對IEC的節(jié)能效果進行評估，結(jié)果表明其冷卻能力分別為8.4 kW和10.9 kW（僅需消耗1.11 kW的電量）。

HEIDARINEJAD 等［4］設(shè)計了一種 DEC、IEC與復(fù)合系統(tǒng)，測試了在伊朗地區(qū)不同氣候條件下的運行效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅使用IEC系統(tǒng)，系統(tǒng)濕球效率在55%～61%之間，復(fù)合系統(tǒng)的濕球效率則能夠達到108%～111%、耗電量較傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)降低了60%。DELFANI等［5］研究了伊朗4個典型城市的IEC對傳統(tǒng)機械蒸汽壓縮制冷的預(yù)冷效果，可承擔(dān)約75%的總冷負荷，節(jié)約電約55%。

JIANG等［6］研究了新開發(fā)的IEC在世界不同地區(qū)的設(shè)計氣象數(shù)據(jù)下的適用性，結(jié)果表明這一技術(shù)適用于干燥地區(qū)。

采用相同規(guī)格的傳統(tǒng)機械壓縮制冷空調(diào)系統(tǒng)作為參照，NAVON等［7］采用全生命周期年等價成本法，研究表明在以色列地區(qū)居住建筑使用DEC、IEC復(fù)合制冷系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟效益和熱舒適性。

CHEN等［8］提出一種考慮冷凝的簡化模型，模擬了香港某生鮮超市IEC復(fù)合機械制冷空調(diào)系統(tǒng)的運行特性和節(jié)能效果，全年節(jié)能量的動態(tài)模擬結(jié)果同現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄有很好的一致性，節(jié)能潛力較大并能降低峰值冷負荷。

李晗等針對ERIEC新風(fēng)溫濕度、風(fēng)量以及風(fēng)量比對二次側(cè)空氣參數(shù)和性能指標產(chǎn)生的影響進行了較為充分的研究［9-11］。文獻［9］研究了不同冷凝狀態(tài)下，新風(fēng)溫濕度和風(fēng)量對二次側(cè)空氣參數(shù)的影響，結(jié)果顯示冷凝條件下提高新風(fēng)溫度和相對濕度均可抑制二次空氣溫降、增加含濕量差，而新風(fēng)風(fēng)量對二次空氣溫濕度影響較小。文獻［10］研究了新風(fēng)風(fēng)量在冷凝狀態(tài)下對濕球效率、換熱量等性能指標的影響，結(jié)果表明新風(fēng)風(fēng)量的增加會使冷凝區(qū)域減少；而新風(fēng)風(fēng)量的減少可以減少換熱量，降低出口溫度和耗水量，提高濕球效率。文獻［11］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二次側(cè)與一次側(cè)風(fēng)量比的范圍為0.44～0.8時，相同風(fēng)量比的情況下，通過調(diào)節(jié)二次側(cè)風(fēng)量減小風(fēng)量比，可以得到更低的一次側(cè)出口溫度、更高的濕球效率和更少的耗水量。

鄭斌等［12］構(gòu)建了一種二維傳熱傳質(zhì)分析解模型，并對不同新風(fēng)狀態(tài)下ERIEC系統(tǒng)的換熱性能進行了試驗測試。發(fā)現(xiàn)新風(fēng)通道在高溫潮濕環(huán)境下會出現(xiàn)凝結(jié)，凝結(jié)液膜會增加導(dǎo)熱熱阻，降低顯熱傳熱量，但系統(tǒng)總換熱量將隨凝結(jié)換熱過程的增強而顯著提高。

綜上研究表明了IEC在高溫干燥地區(qū)研究與應(yīng)用的節(jié)能效果顯著，在高溫潮濕地區(qū)亦有很好的節(jié)能效果，然而在中等濕度地區(qū)研究與應(yīng)用均極少。因此，本文以天津地區(qū)為例，對ERIEC應(yīng)用在中等濕度地區(qū)的能效進行了試驗研究。

1 氣象特征分析

天津地區(qū)夏季空調(diào)使用時間主要集中在6～8月，而5月下旬和9月上旬也需要使用空調(diào)，因此選取5月16日～9月15日作為夏季空調(diào)應(yīng)用范圍。以上氣象數(shù)據(jù)的分析是全天候的，而像辦公建筑等使用時間主要是白天，故對5月16日～9月15日時間范圍內(nèi)8：00～18：00的氣象數(shù)據(jù)作相應(yīng)的對比分析。本文所用的氣象數(shù)據(jù)，依據(jù)《建筑用標準氣象數(shù)據(jù)手冊》［13］。

8：00～18：00 的氣象數(shù)據(jù)是全天的一部分，夜間沒有太陽輻射溫度較低，白天溫度較高，由圖1可以看出氣象數(shù)據(jù)點分布較為緊湊。

圖1 空調(diào)季氣象參數(shù)分布散點Fig.1 Scatter diagram of meteorological parameters distribution in air conditioning season

從表1的空調(diào)季氣象數(shù)據(jù)可看出，26 ℃以上的小時數(shù)占70%，而≤26 ℃的小時數(shù)中相對濕度＞60%的氣象數(shù)據(jù)點又占了72.36%。對于溫度＞26 ℃小時數(shù)，隨著溫度的升高，相應(yīng)的小時數(shù)在減小，而相對濕度＞60%的小時數(shù)占比同樣在減小。溫度的變化受太陽輻射的影響，而相對濕度的變化，主要受溫度波動的影響，一天中含濕量雖有變化，但是相對于溫度的波動幅度不大，因此，隨著溫度的升高，含濕量在一定變化范圍內(nèi)，高相對濕度的氣象參數(shù)點在減少。以上所述，剛好反映了空調(diào)季氣象參數(shù)變化的特點。

表1 空調(diào)季氣象數(shù)據(jù)分布范圍Tab.1 Distribution range of meteorological data in air conditioning season

2 ERIEC系統(tǒng)適應(yīng)性分區(qū)

將空調(diào)季的典型年逐時氣象參數(shù)（溫度和含濕量）繪制在焓濕圖上，根據(jù)蒸發(fā)冷卻室外氣象五區(qū)分區(qū)模型，可得天津典型年夏季空調(diào)室外氣象參數(shù)分區(qū)散點，如圖2所示。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)可以通過蒸發(fā)冷卻空調(diào)滿足建筑空調(diào)要求的氣象數(shù)據(jù)點相對較少，落在Ⅳ區(qū)在滿足特定的條件下可以單獨應(yīng)用蒸發(fā)冷卻空調(diào)的氣象數(shù)據(jù)點也只占很少比例；相當(dāng)大一部分氣象數(shù)據(jù)點落在不能單獨使用蒸發(fā)冷卻空調(diào)的Ⅲ區(qū)和Ⅴ區(qū)。

圖2 天津典型年夏季空調(diào)室外氣象參數(shù)分區(qū)散點Fig.2 Zoned scatter diagram of outdoor meteorological parameters of air conditioning in summers of typical years in Tianjin

除了上述提到的以焓值和含濕量兩個參數(shù)作為分區(qū)指標的五區(qū)劃分模型外，黃翔等［14］認為由于影響蒸發(fā)冷卻的主要因素是室外濕球溫度，提出以濕球溫度作為單一指標進行劃分。考慮到近年來全球變暖導(dǎo)致的氣溫升高，同時考慮到我國南北氣候條件的差異及氣象數(shù)據(jù)特點，因此對分區(qū)指標值做了2 ℃左右的修正，修正后的臨界值為 20，23，28 ℃，4 區(qū)劃分范圍見表 2。

表2 設(shè)計分區(qū)劃分Tab.2 Design zoning

天津夏季空調(diào)室外氣象設(shè)計濕球溫度twb=26.9 ℃，根據(jù)表2分區(qū)結(jié)果，可以得出天津落在設(shè)計三區(qū)，適應(yīng)區(qū)。

基于上述分析可知，天津地區(qū)夏季濕度較高，空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)具有除濕功能。而對于蒸發(fā)冷卻形式的選用，IEC回收夏季排風(fēng)中的能量預(yù)冷新風(fēng)比較適合。IEC又可以在夏初夏末空調(diào)負荷不大時獨立負擔(dān)空調(diào)負荷，以及在過渡季充當(dāng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)。

3 試驗測試系統(tǒng)

該試驗臺由新風(fēng)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、布水系統(tǒng)和循環(huán)水路4個部分組成，設(shè)置在密閉的空調(diào)房間中。IEC換熱器一、二次側(cè)入口空氣均來自室內(nèi)空氣，經(jīng)過換熱之后也都直接排放至室內(nèi)，利用恒溫恒濕空調(diào)處理機組來維持試驗房間的溫濕度處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。ERIEC空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。試驗采用的是叉流板式間接蒸發(fā)換熱器，其設(shè)計參數(shù)詳見表3。

圖3 ERIEC空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic structural diagram of ERIEC air conditioning fresh air system

表3 間接蒸發(fā)冷卻器設(shè)計參數(shù)Tab.3 Design parameters of indirect evaporative cooler

在換熱器上方即二次側(cè)通道出口處，均勻布置4個噴嘴，以便使噴淋水能夠均勻噴灑到每個二次側(cè)換熱通道內(nèi)并在換熱壁面上形成噴淋水液膜，使得二次空氣掠過時蒸發(fā)吸熱降低二次壁面溫度，強化與一次通道的換熱。噴淋水嘴布置示意如圖4所示。

圖4 噴淋水嘴布置示意Fig 4 Schematic layout diagram of spray nozzle

相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集儀器儀表的安裝位置、量程、精度如表4所示，采集的數(shù)據(jù)都匯總到安捷倫數(shù)據(jù)采集儀Keysight 34980A進行信號的轉(zhuǎn)換。

表4 測量儀器及測量參數(shù)Tab.4 Measuring instrument and measuring parameters

4 試驗誤差分析

本試驗過程中，直接測量參數(shù)如溫度、相對濕度、流量等，其不確定性由儀器的誤差決定。通過計算間接得到的參數(shù)誤差則需要進行誤差傳遞計算，本文根據(jù)文獻［15］試驗測試系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)計算方法，通過得出各性能參數(shù)的相對誤差如表5所示，其中潛熱換熱量的相對誤差值最低，為±3.9%，總換熱量和COP的相對誤差值最高，為±6.7%；顯然各相關(guān)性能參數(shù)的相對誤差均處于±6.7%以內(nèi)，試驗測試精度滿足要求。

表5 性能參數(shù)的相對誤差Tab.5 Relative error of performance parameters

5 試驗結(jié)果及分析

5.1 試驗工況

在不同的室外氣象參數(shù)條件下，系統(tǒng)運行效果也會不同。為了更好地分析干、濕工況下ERIEC系統(tǒng)的運行效果差異，以6月22日（工況1）和8月22日（工況2）作為典型天進行工況分析。

工況1最低溫度25.6 ℃出現(xiàn)在8：00，最高溫度35.4 ℃出現(xiàn)在16：00，相對濕度處于30%～60%之間；工況2最低溫度23.3 ℃出現(xiàn)在8：00，最高溫度32.3 ℃出現(xiàn)在16：00，相對濕度都在65%以上。2種工況下的試驗的初始狀態(tài)參數(shù)見表6。

表6 試驗初始狀態(tài)參數(shù)Tab.6 Experimental initial state parameters

5.2 試驗結(jié)果及分析

圖5示出了ERIEC系統(tǒng)在工況1全天運行的效果。空氣溫度在20～36 ℃之間，相對濕度在30%～80%之間，空氣溫度變化的趨勢正好同相對濕度變化的趨勢相反。ERIEC系統(tǒng)在1～7 h由于空氣溫度都低于26 ℃處于關(guān)閉狀態(tài)，而8～24 h處于工作狀態(tài)。在工作時間內(nèi)，顯熱節(jié)能量的變化趨勢與空氣溫度的變化趨勢完全一致，16 h顯熱節(jié)能量最大為2.18 kW，24 h最小為1.01 kW，潛熱節(jié)能量一直為0。ERIEC系統(tǒng)的總節(jié)能量與新風(fēng)冷負荷的比值可以表明其可以承擔(dān)新風(fēng)冷負荷的比例。圖6示出了ERIEC系統(tǒng)在工況1工作時新風(fēng)預(yù)冷量占新風(fēng)冷負荷之比與COP逐時情況。9：00新風(fēng)預(yù)冷量負擔(dān)的新風(fēng)冷負荷最少，為63.28%，而當(dāng)22：00～24：00新風(fēng)冷負荷完全可以由 ERIEC 系統(tǒng)負擔(dān)。24：00新風(fēng)預(yù)冷量占冷負荷之比最大，為144.54%。當(dāng)新風(fēng)可以完全負擔(dān)冷負荷時可以考慮加大新風(fēng)量送風(fēng)，甚至全新風(fēng)送風(fēng)，此時雖然風(fēng)機功耗增大，但可以減少制冷設(shè)備所承擔(dān)的室內(nèi)冷負荷。另外，可以看出ERIEC系統(tǒng)的COP波動比較大，是因為不同室外空氣參數(shù)下的新風(fēng)預(yù)冷量不同，COP 在 24：00最小，為 6.47，16：00最大，為14.07，平均COP為10.79。

圖5 ERIEC全天運行效果（工況1）Fig.5 ERIEC whole day operation effect（working condition 1）

圖6 新風(fēng)預(yù)冷量占新風(fēng)冷負荷之比與COP（工況1）Fig 6 The ratio of fresh air pre-cooling capacity to fresh air cooling load and COP（working condition 1）

圖7示出了ERIEC系統(tǒng)在工況2的運行效果。

圖7 ERIEC全天運行效果（工況2）Fig.7 ERIEC whole day operation effect（working condition 2）

由圖可知，一天中的空氣溫度在22～33 ℃之間，而相對濕度都在65%以上。ERIEC系統(tǒng)在1：00～10：00 由于空氣溫度都低于 26 ℃處于關(guān)閉狀態(tài)，而 11：00～24：00處于工作狀態(tài)。在工作時間內(nèi)，顯熱節(jié)能量隨著溫度的升高而增加，16：00空氣溫度最高為32.3 ℃，此時顯熱節(jié)能量最大，為1.46 kW，而潛熱節(jié)能量處于一天中的最小值，為1.30 kW；16：00之后顯熱節(jié)能量隨著溫度的降低而降低，空氣溫度24：00空氣溫度為26.5 ℃，顯熱節(jié)能量最小為0.79 kW，而此時潛熱節(jié)能量為1.38 kW。此外，從圖中可以看出，ERIEC系統(tǒng)運行區(qū)間內(nèi)一直有潛熱節(jié)能量，只在15：00～17：00時的潛熱節(jié)能量值小于顯熱節(jié)能量；21：00的潛熱節(jié)能量達到一天的最大值，為1.81 kW，是同時刻顯熱節(jié)能量0.96 kW的1.88倍。

圖8示出了ERIEC系統(tǒng)的（工況2）新風(fēng)預(yù)冷量占新風(fēng)冷負荷之比與COP逐時情況。新風(fēng)預(yù)冷量占新風(fēng)冷負荷之比變化不大，16：00新風(fēng)預(yù)冷量負擔(dān)的新風(fēng)冷負荷最少，為45.44%；24：00新風(fēng)預(yù)冷量負擔(dān)的新風(fēng)冷負荷最大，為49.42%。雖然ERIEC系統(tǒng)不能完全負擔(dān)新風(fēng)冷負荷，但是能夠降低將近一半的新風(fēng)冷負荷。

圖8 新風(fēng)預(yù)冷量占新風(fēng)冷負荷之比與COP（工況2）Fig.8 The ratio of fresh air pre-cooling capacity to fresh air cooling load and COP（working condition 2）

不同室外空氣參數(shù)下的新風(fēng)預(yù)冷量不同，但是ERIEC系統(tǒng)的耗功一定，所以COP有一定的波動。COP在20：00最大為18.11；COP在24：00最小為13.99。平均COP為16.74。由于潛熱節(jié)能量的存在使間接蒸發(fā)冷卻能量回收系統(tǒng)運行時都具有較高的能效，雖然20：00處于夜間，空氣溫度不是一天中最高的時刻，但是總節(jié)能量為顯熱節(jié)能量和潛熱節(jié)能量之和，在一天中的能效最高。

6 結(jié)論

（1）天津地區(qū)夏季設(shè)計工況下，以焓值和含濕量兩個指標對蒸發(fā)冷卻適用范圍進行分區(qū)，天津夏季室外設(shè)計狀態(tài)點落在象限Ⅲ區(qū)，不適合單獨應(yīng)用蒸發(fā)冷卻空調(diào)，可以采用ERIEC系統(tǒng)預(yù)冷新風(fēng)；若以修正的濕球溫度作為單一指標進行劃分，天津地區(qū)屬于設(shè)計三區(qū)（適應(yīng)區(qū)）。

（2）ERIEC系統(tǒng)處于干工況運行模式時，新風(fēng)預(yù)冷量占冷負荷之比最小為63.28%；最大可達144.54%。系統(tǒng)可以顯著降低制冷設(shè)備的容量。系統(tǒng)COP波動比較大，處于6.47～14.07之間，平均COP為10.79。

（3）ERIEC系統(tǒng)處于濕工況運行模式時，總換熱量增加，潛熱節(jié)能量極大地提高了總節(jié)能量。新風(fēng)預(yù)冷量占新風(fēng)冷負荷之比處于45.44%～49.42%之間。COP處于13.99～18.11區(qū)間內(nèi)，平均COP高達16.74，遠高于干工況時的對應(yīng)值。ERIEC系統(tǒng)能效高。