直接蒸發冷卻空調填料的性能實驗與適用性分析

王 穎 黃 翔 杜 妍 武茁苗 代 聰

(西安工程大學城市規劃與市政工程學院 西安 710048)

面對國家“30·60”雙碳目標，傳統機械制冷的低能效比和高碳排放量對環境產生了不利影響。蒸發冷卻利用干空氣能為驅動勢，以水為制冷劑，通過水蒸發達到降溫的效果，是一項節能、低碳、經濟、健康的制冷技術。在干燥地區采用直接蒸發冷卻可以提高新風質量[1-2]，對新風進行加濕冷卻和濕式過濾；在中、高濕度地區可以對新風進行預冷和能量回收[3-5]。

填料作為直接蒸發冷卻空調設備的核心部件，對于提升冷卻裝置的性能具有決定性的作用，目前國內外學者針對填料的研究主要包含填料的材質[6-9]、傳熱傳質機理[10-13]以及填料中的熱質交換研究方法[14-16]，并取得了一系列研究成果。

泡沫陶瓷材料具有密度小、比表面積大、強度高、濕挺度高、滯液量低的特點，由于其穩定的熱物性和耐腐蝕性，被廣泛應用于冶金制造、醫學、化工、節能等領域[17]。本文利用拋光廢渣制備成的泡沫陶瓷材料作為直接蒸發冷卻的新型填料[18]，實驗研究了相同實驗條件下采用不同材質的填料及在不同進口空氣狀況下的熱質交換特性，測試分析了不同進口空氣質量流量對該裝置熱質交換性能的影響，結合實測數據計算并預測了直接蒸發冷卻空調系統在西安市通信機房全年適用小時數。

1 直接蒸發冷卻傳熱傳質模型

根據熱質交換基本理論[19]，建立淋水填料層內空氣與水的熱濕交換模型進行理論分析，假設空氣在填料內移動距離為dx時，其溫度變化為dt，含濕量變化為df。

空氣流量Ga(kg/h)：

Ga=ρuab

(1)

空氣與水之間的顯熱交換量Qx(kJ)：

dQx=Gacpdt=h(t-ts)δabdx

(2)

空氣與水之間的潛熱交換量Qq(kJ)：

dQq=rGadf=rkd(fb-f)δabdx

(3)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；u為空氣流速，m/s；a、b分別為填料迎風面的寬度和高度，m；cp為濕空氣比熱，J/kg；h為空氣與水膜傳熱系數，W/(m2·℃)；t為主體空氣溫度，℃；ts為邊界層空氣濕球溫度，℃；r為溫度為tb時的水的汽化潛熱，J/kg；kd為質傳遞系數，kg/(m2·s)；f為主體空氣含濕量，g/(kg干空氣)；fb為邊界層空氣含濕量，g/(kg干空氣)；δ為填料的比表面積,m2/m3。

理論上，在絕熱飽和條件下忽略空氣中所攜帶微量的水蒸氣，直接蒸發冷卻過程為等焓過程。

dQ=dQx+dQq=0

(4)

邊界條件：x=0，t=t1；x=L，t=t2；f=f2。

代入邊界條件對方程組進行求解，可以得到填料厚度為L時出口處空氣的狀態參數。

(5)

(6)

圖1 直接蒸發冷卻空氣處理焓濕圖Fig. 1 Enthalpy and humidity diagram of direct evaporative cooling air treatment

實際的蒸發冷卻并非絕熱飽和過程，空氣與水膜存在顯熱溫差，在空氣冷卻時，會導致焓值增加，直接蒸發冷卻空氣處理焓濕圖如圖1所示，存在以下兩種情況：1)當進水溫度高于環境空氣干球溫度時，A1狀態的空氣與水膜接觸進行熱濕交換，由于空氣溫度低于水溫，空氣從水中吸收顯熱，被加熱至B狀態點，在熱濕交換過程中，空氣處理的終狀態理論上并不處于C點，大多數空氣會被處理至D狀態點，與少部分未與水膜接觸的空氣混合為E狀態，經過風機管道溫升，由F狀態點送入室內。2)進水溫度介于空氣進口干、濕球溫度之間時，A2狀態的空氣被水膜冷卻至B狀態點，后續熱濕處理過程與情況1)類似。

2 實驗系統

2.1 實驗臺

直接蒸發冷卻實驗系統如圖2所示。實驗臺主要包括1臺壓入式風機，1個電加熱器，2個循環水泵，1個蓄水箱，1套噴霧式布水器，1套噴淋式布水器，2個蒸發冷卻填料艙，2個水流量計，以及相關聯的水管、閥門、過濾器等。實驗臺一側是可拆卸的，可以在實驗中更換不同材質的填料。

圖2 直接蒸發冷卻實驗系統Fig. 2 Direct evaporative cooling experimental system

風機配有變頻器，實驗中設置7個檔位，通過調節轉速控制填料艙內風速(0.8～2.0 m/s)的變化，進風口有效截面積為0.28 m2，風機運轉時對各檔位風速進行測量，計算對應風量，變頻風機各檔位與風量之間的對應關系如表1所示。

表1 變頻器檔位與風量對應表Tab. 1 Inverter gears and their corresponding air volume

2.2 實驗材料物性參數

實驗分別選取外形尺寸為200 mm×500 mm× 600 mm(長×寬×高)的植物纖維填料、金屬填料、PVC填料和泡沫陶瓷填料進行測試分析，接觸角與導熱系數的測試儀器如圖3所示，4種填料的接觸角如圖4所示，填料實物如圖5所示。實驗開始前對4種填料的接觸角、導熱系數、比表面積[20]、吸水量等物性參數進行實驗測試，具體參數如表2所示。

圖3 實驗測試儀器Fig. 3 Experimental test equipments

圖4 直接蒸發冷卻填料接觸角Fig. 4 Contact angles of direct evaporative cooling fillers

圖5 直接蒸發冷卻填料Fig. 5 Direct evaporative cooling fillers

表2 直接蒸發冷卻填料的主要性能參數Tab. 2 The main performance parameters of direct evaporative cooling filler

2.3 實驗步驟

1)將實驗艙打開，開啟風機使室外空氣進入艙體內。關閉實驗室門窗，待室內空氣穩定后進行下一步實驗。

2)在蒸發冷卻發生器內裝填實驗填料，關閉艙門，打開噴淋布水系統。

3)依次調節7種變頻器轉速，測量并記錄蒸發冷卻實驗系統各測點處空氣狀態參數。

4)分別在冷卻器的進、出風口設置測點，測量并記錄實驗系統各斷面處空氣狀態參數，數據采集結束后，開啟實驗室門窗使新風進入室內。

5)更換不同實驗材質的填料，重復步驟2)～4)。

6)實驗測試工作結束，關閉實驗系統。

2.4 性能評價指標

直接蒸發冷卻裝置對環境溫度的冷卻能力用直接蒸發冷卻效率來衡量，計算式為：

(7)

式中：tg1為進風干球溫度，℃；tg2為出風干球溫度，℃；ts1為進風濕球溫度，℃。

3 實驗結果與討論

3.1 直接蒸發冷卻效率

實驗開始時，控制進風平均干球溫度34.94 ℃、濕球溫度24.66 ℃的空氣風量保持在800 m3/h，淋水密度保持在15 kg/(m·h)以保證填料表面得到充分的濕潤，通過調節變頻器以每次200 m3/h的風量遞增至2 000 m3/h，完成對進口風速0.8～2.0 m/s范圍內的實驗測試。不同填料下直接蒸發冷卻效率η的變化如圖6所示。

圖6 直接蒸發冷卻效率隨進口風速的變化Fig. 6 Variation of direct evaporative cooling efficiency with inlet wind speed

由圖6可知，4種填料的直接蒸發冷卻效率隨進口風速的增加呈先升后降的趨勢，植物纖維填料在進口風速為1.6 m/s時，直接蒸發冷卻效率最高可達82.93%；泡沫陶瓷填料在進口風速1.2 m/s時，效率穩定在71.29%；PVC填料和金屬填料效率變化趨勢類似，在進口風速1.0 m/s時，直接蒸發冷卻效率分別為54.85%和55.34%。

3.2 進出口空氣溫降

圖7所示為在4種填料下蒸發冷卻器中空氣進出口溫降隨進口風速的變化。由圖7可知，進出口溫降隨著進口風速的增加先升高后降低，最佳進口風速下，植物纖維填料、泡沫陶瓷填料、PVC填料和金屬填料的溫降峰值分別為8.5、7.2、5.6、5.7 ℃。

圖7 進出口溫降隨進口風速的變化Fig. 7 Variation of inlet and outlet temperature drop with inlet wind speed

由圖6～圖7可知，由于植物纖維填料和泡沫陶瓷填料具有優良的吸水性，水膜附著在填料表面不易脫落，隨著進口空氣流量的增加，氣水界面的普朗克數(Pr)增加，氣流進一步擾動水膜表面的邊界層，有效增強了空氣與填料表面水膜的熱質交換系數(hd)，提高了傳熱效果，結合實驗測試結果，植物纖維填料和泡沫陶瓷填料適用于進口風速較高的工況。而PVC填料和金屬填料本身水膜附著性較差，高風速時水膜更加難以穩定的附著在填料表面，填料表面容易存在干點，同時隨著風速的持續增加，空氣與水膜的接觸時間降低，進一步減弱熱濕交換的效果，結合實驗測試結果，PVC填料和金屬填料適用于進口風速較低的工況。

3.3 進出口空氣壓降

填料的壓降反映了氣液介質通過填料層時氣相所克服的阻力，是填料重要的特性之一。圖8所示為4種填料的壓降隨進口風速的變化。由圖8可知，4種填料壓降隨進口風速的增大而增大；在進口風速相同時，植物纖維填料和泡沫陶瓷填料的壓降要顯著高于其余2種填料，這是因為植物纖維填料和泡沫陶瓷填料內部的有效通道面積大部分被液體所占據，液膜與流道內氣體的摩擦力急劇增大，從而使壓降增大。

圖8 不同填料的壓降分布Fig. 8 Pressure drop distribution of different fillers

由圖6～圖8可知，實驗中植物纖維填料的傳熱效果最好，泡沫陶瓷填料次之，PVC填料與金屬填料較差。結合不同填料的溫降幅度和壓降分布情況，填料在工程實際應用中，最適合的進風量不一定是填料傳熱效率最高的狀態點，需要考慮由于填料的壓降帶來的風機能耗問題。

綜合實驗測試結果可知，在進口風速低于1.2 m/s時，植物纖維填料與泡沫陶瓷填料的實驗結果的趨勢較為相似，在風速大于1.2 m/s時，兩者呈現顯著差異性，植物纖維填料的最佳進口風速為1.6 m/s，泡沫陶瓷填料最佳進口風速為1.2 m/s。考慮到泡沫陶瓷填料本身采用陶瓷拋光廢渣制備而成，廢物利用，成本較低、耐高溫、耐腐蝕、材料的剛性較好，在實際應用過程中不會因使用年限的增加而降低堅挺程度，從而影響蒸發冷卻的傳熱效果；隨著使用年限的增加，若泡沫陶瓷填料自身的多孔結構被水垢堵塞時，可以重新打碎研磨燒制，循環經濟且可二次利用。相比于成本較高、耐久性、耐腐蝕性和耐火性較差的植物纖維填料具有顯著的性能優勢。泡沫陶瓷填料綜合解決了目前蒸發冷卻行業使用填料吸水性、堅挺程度、防火性差的問題。

4 通信機房的適用性分析

4.1 通信機房設計規范

根據中華人民共和國通信行業標準YD/T 1821—2018《通信局(站)機房環境條件要求與檢測方法》[21]，通信機房內空氣的溫濕度要求如表3所示。

表3 通信機房內空氣的溫濕度要求Tab. 3 Temperature and humidity requirements of the air in the communication equipment room

通信機房內顯熱量高、濕負荷小、顯熱比高，直接蒸發冷卻大風量送風方式可以很好的緩解室內空氣相對濕度較低的問題，有效消除局部熱點和灰塵堆積的問題，此外填料也可以起到濕式過濾的作用，有效保證室內送風品質，滿足機房凈化要求。

4.2 適用小時數

以普適的二類通信機房為標準，取通信機房送風溫度為28 ℃，相對濕度為80%，此時室內送風濕球溫度ts為25.17 ℃；當室外干球溫度小于16 ℃時，采取新風自然冷卻模式，通過對4種填料的性能測試，取植物纖維填料η為75%，泡沫陶瓷填料η為65%，PVC填料和金屬填料η為55%，根據直接蒸發冷卻過程等焓降溫的特性(ts為tg1和tg2對應的濕球溫度)，當室外濕球溫度ts不高于25.17 ℃時，由式(7)計算得到4種填料運行蒸發冷卻模式時，室外干球溫度的切換點分別為36.49、33.25、31.46 ℃。

(8)

根據氣象數據[22]和西安市室外氣象參數的實測值[23]，對應用于中等濕度地區西安市的通信機房空調系統的全年運行小時數進行了逐時的氣象統計，結果如圖9所示。

圖9 西安市通信機房空調冷卻系統全年運行時間Fig. 9 Communications room air conditioning cooling system running time throughout the year in Xi′an

由圖9可知，以直接蒸發冷卻為冷源的通信機房空調系統，采用植物纖維填料時全年運行4 126 h，全年占比47.10%；采用泡沫陶瓷填料時運行全年3 115 h，全年占比35.56%；采用PVC和金屬填料時全年運行全年2 582 h，全年占比29.47%。機房內全年只需在極端天氣條件下開啟機械制冷，由此可知，對于通信機房等對送風相對濕度要求較為寬泛的應用場所，采用直接蒸發空調冷卻系統具有顯著的節能優勢。

5 結論

本文搭建了直接蒸發冷卻實驗臺，對蒸發冷卻空調填料的換熱性能進行實驗測試，對比分析了植物纖維填料、泡沫陶瓷填料、PVC填料及金屬填料的物性參數、進風量、壓降對其傳熱傳質性能的影響，得到如下結論：

1)通過對焓濕圖和傳熱機理的分析，實際的蒸發冷卻并非絕熱飽和過程，空氣與水膜存在的顯熱溫差和外界熱量的輸入會導致在空氣冷卻時焓值增加。

2)根據性能測試，最優工況下植物纖維填料、泡沫陶瓷填料、PVC填料和金屬填料的直接蒸發冷卻效率分別為82.93%、71.29%、54.85%和55.34%，植物纖維填料的壓降最高，金屬填料的壓降最低，最適合的進風量不一定是填料傳熱效率最高的狀態點，需要考慮由于填料的壓降帶來的風機能耗問題。

3)預測了直接蒸發冷卻的空調系統在西安市通信機房全年適用小時數，采用植物纖維填料時運行4 126 h，全年占比47.10%；采用泡沫陶瓷填料時運行3 115 h，全年占比35.56%；采用PVC和金屬填料時全年運行2 582 h，全年占比29.47%，具有良好的節能效果。

本文受深圳市科技研發可持續發展資金(KCXFZ20201221173409026)資助。(The project was supported by Shenzhen Sustainable Development Science and Technology Project(No. KCXFZ20201221173409026).)