蒸发冷却 干工况风机盘管半集中式空调系统的研究（可编辑）

蒸发冷却 干工况风机盘管半集中式空调系统的研究（可编辑） 蒸发冷却+干工况风机盘管半集中式空调系统的研究 西安工程大学 硕士学位论文 蒸发冷却+干工况风机盘管半集中式空调系统的研究 姓名:兰治科 申请学位级别:硕士 专业:供热、供燃气、通风及空调工程 指导教师:黄翔;狄育慧 20070208摘 要 《国家十一五规划》为能源节约提出了明确任务,更有专家提出了将“控制人 口,节约资源,保护环境”共同作为新时期中国的基本国策。节约能源已经被提升 到关系国家能否可持续性发展的战略高度。在这个背景下,蒸发冷却技术引起人们 广泛重视。它充分发挥了西北地区独有的干燥空气资源,完全符合国家“开源、节 流”的能源政策。然而,目前蒸发冷却空调在实际应用中存在着产品单一、风管大、 分室分时难以控制等缺点。本文针对以上问,深入分析了蒸发冷却干工况 风机 盘管的半集中式空调系统的理论基础、系统组成、系统设计以及工程应用情况。 第一,本文结合蒸发冷却干工况风机盘管空调系统,研究了温湿度独立控制 原理与独立新风系统理论的实质。指出了温湿度独立控制原理是一种对 温湿度进行解耦的思想,是对独立新风系统处理空气方式的说明。从两种空调思想 所涵盖空调范围来看,它与独立新风系统理论是包含与被包含的关系。本文指出了 半集中式蒸发冷却空调系统是温湿度独立控制的独立新风空调系统。 第二,以温湿度独立控制、独立新风系统为理论依据,分析作为新风机组的蒸 发冷却空调和作为空调末端的干工况风机盘管应该具有的特征以及发展方向。针对 现有的风机盘管干工况运行时冷量难以确定的问题,指出了传统冷量折算公式不 适合用于于工况,在此基础上提出了新的冷量计算公式??热量折算法。并在实验 基础上,证明上述结论正确性。 第三,提出蒸发冷却干工况风机盘管的半集中式空调系统的设计方法,并对 某一工程实例进行设计。通过对设计结果分析,比较半集中式蒸发冷却空调系统与 全新风直流式蒸发冷却空调系统的能耗,为蒸发冷却空调系统选型提供依 据。最后, 文章提出了适用于实际工程设计的工程简约计算方法和新风比较系数。 第四,对某一现有实际工程进行测试,通过对测试结果分析,评价蒸发冷却 干工况风机盘管空调效果。并证明这种空调系统达到了温湿度解耦的目的,符合温 湿度独立控制原理和独立新风系统的要求。 以上工作将为半集中式蒸发冷却空调系统的进一步研究奠定理论基础,对空调 设备生产企业的产品开发具有指导意义,并为半集中式蒸发冷却空调系统的设计提 供可参考的方法。本课题的研究将推动蒸发冷却空调产品的多元化、规范化和 化,对蒸发冷却空调在我国的进一步应用与发展将会起到积极的促进作用。 关键词:半集中式蒸发冷却空调系统、温湿度独立控制、独立新风系统、于工况 风机盘、热量折算法、空调系统设计 ? ‘?”, ‘‘ ’’ . . , . .,.. ? ,. . ,, . ? . , ? . ? , . . ., ? .? ,. , . . . :? , ,, , 主要符号表 ,一定压比热,/.? ?含湿量,/ 一换热面积, 一体积流量,/ 厅?焓,/ 以一管内侧换热系数 。一管外侧换热系数 一传热系数,/?? ,?长度, 吖?质量流量,/ 只?普朗特准则数 一努谢尔特准则数 一热量, 一热流密度,/? 一雷诺准则数 一温度,? “一风速,/ ‖一房间湿负荷,/ 户一密度,/ ?一变化值 舻一相对湿度,% 址,一对数温差,? 五一导热系数,/?? ‖一动力粘度,?/ 一管壁厚度,唧 ?运动粘度,/ 下标 口一空气 一标准工况 一风机盘管供冷工况 勿,一风机盘管表冷干工况 厅一风机盘管供热工况 加一进口 一出口 一湿球 ?’一水西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定,即:研究生在校攻读学位 期 间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后,使用 学位论 文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大 学。学校 有权保留送交的学位论文的复印件,允许学位论文被查阅或借阅;学校可以公布学 位论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者签名:兰治科 指导老师签名; 孑翔’ 御.工? 日 期:西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德,本人声明所呈交的学位论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标 注和致谢的地方外,学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果,不包 括本人已申请学位或他人己申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所作的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处,本人承担相关责任。 学位论文作者签名:兰岛斟 日 期: 劲可.工.绪论 绪论 .研究背景 ?.开源节流的能源政策与蒸发冷却技术 年第十六届五中全会制定了我国《国家十一五规划》,其指导思想就是“要 加快建设资源节约型、环境友好型社会”,“在全社会形成资源节约的增长方式和健 康文明的消费模式”。因此,规划将“在优化结构、提高效益和降低消耗的基础上, 实现年人均国内生产总值比年翻一番;资源利用效率显著提高,单位国 内生产总值能源消耗比‘十五’期末降低%左右【】。”列为发展的主要目标。 会议认为,节能和提高能效有着巨大的潜力和可能,中国能否以较少的能源投 入实现经济增长的目标,在很大程度上取决于节能的潜力能否被有效挖掘,因此, 应将节能放在能源战略的首要地位,也就是说,要以最小成本向终端用户提供优质 能源服务。为了确立节能的重要战略地位,可将节约资源提升到基本国策的高度, 将“控制人口,节约资源,保护环境”共同作为新时期中国的基本国策。 然而,长期以来受“先生产、后生活”的经济思想影响,我国政府一直偏 重于工业节能,而忽略了建筑节能。据统计,到年底,能够达到建筑节能设计 标准的建筑累计仅占全部城乡建筑总面积的.%,占城市既有供暖居住建筑面 积的 %,绝大部分新建建筑仍是高能耗建筑【。 空调能耗在建筑能耗中所占的比例最高,其耗水量和耗电量较大。通常对于旅 馆建筑,空调能耗约占建筑总能耗的%;住宅建筑用于采暖、热水、冰箱和空调 的能耗占总能耗的%;商业建筑用于照明、采暖与空调的能耗占总能耗的%。 有人统计自年以来,空调消耗的能量以每年平均%~%的速度增长着。 年以来,在我国经济高速发展的拉动下,能源和电力的需求快速增长,大 部分地区出现电力供应紧张,个省区存在不同程度的拉闸限电。尽管从年 开始,我国仅用年时间,发电装机容量便从亿增加到.亿,但能耗电 耗增长的速度更快。从年到年,我国增长.%,而电力消费却 增长了.%【】。 蒸发冷却空调正是在这种情况下,重新吸引人们目光,引起了大家的重视。在 我国广大西北地区,室外空气普遍比较干燥,空气中水蒸汽分压力比较小,我们知 道水在这种干燥空气中会自然蒸发。空气越干燥,水分蒸发的越快,这个过程吸收 的潜热就越多,从而对空气降温就越明显垆。干燥空气中相对湿度由低变到高的自绪论 发过程,我们可以理解为是因为空气中存在着湿度的势差。这就是大自然给我们的 一种用之不竭的宝贵资源,然而很少有人把这种干燥空气理解为一种“可再生资源” 来加以利用【鲫】。充分利用干燥空气优势资源,开发适合西北地区气候特点的环保、 节能空调完全符合国家“开源节流”的能源战略思想。蒸发冷却空调正是利用这种 气候特点、符合能源发展趋势的一种绿色环保、节能空调?。 蒸发冷却技术是以冷媒水作为制冷剂的,由于不使用,因而对大气环境无 污染,同通常的机械制冷的原理一样,由制冷剂的蒸发而提供冷量。但是对蒸发冷 却来说,是利用水的蒸发取得能量,它不须将蒸发后的水蒸汽再进行压缩、冷凝回 到液态水后再进行蒸发,一般可以直接补充水分来维持蒸发冷却过程的进行。因此 与机械制冷相比,蒸发冷却制冷不需要消耗压缩功,这使得它的值有时比机械 制冷要大得多约为机械制冷的.~.倍,从而取得节能的效果【”。前面已经 提到,蒸发冷却技术是利用干燥空气中水蒸汽分压力较小来使水制冷剂蒸发吸热达 到降温效果的,直接利用的是室外干燥空气中潜藏的这种湿度势差资源,多数情况 下经过直接蒸发冷却段后,室内回风相对湿度已经很高,失去了进一步蒸发 冷却 降温的能力。于是室内空气大多数直接排出室外,不再加以利用。因此,使用蒸发 冷却空调,大多数情况下都是直接采用全新风系统,这样极大地改善了室内空气品 质 】。 在蒸发冷却空调设备中除了所需风机和水泵动力外,无需输入能量。同其它空 调形式相比,蒸发冷却技术的节能效果很明显。蒸发冷却空调性能系数值很高, 可大大节省运行能耗。通常机械制冷系统的装机功率为/左右,而蒸发冷却系 统为/左右,能耗约为机械制冷的/,节电%左右【】。据文献对我国 乌鲁木齐、西安、哈尔滨、北京四个城市的实际计算可知,蒸发冷却系统的需求功 率仅为常规的定风量系统的%~%。其总耗电量则为%~%,其中制冷部分的 耗电量更低,约为定风量系统的四分之一。蒸发冷却系统的初投资费用远小于机械 制冷式空调,约为机械制冷的/。通常机械制冷系统的造价为元/左右,而 蒸发冷却系统仅为元/左右,一般年即可收回主投资。因此,采用蒸发冷却 技术可大大降低建筑空调能耗,缓解和削减夏季电力高峰负荷,改善我国电力负荷 的特性。使用蒸发冷却技术,充分利用了自然界可再生干燥空气,节约了大量 空调 用电能,完全符合我国目前倡导的“开源节流”的能源政策。 ..蒸发冷却技术应用情况及应用中存在的问题 现在所应用的蒸发冷却空调设备主要有三种形式,即单元式直接蒸发冷却空调 机、湿膜蒸发式加湿降温器及间接蒸发冷却和直接蒸发冷却相结合的复合式蒸发 冷却空调机组。其中单元式直接蒸发冷却空调机和湿膜蒸发式加湿降温器都属于 绪论 小型家用空调器,都是空气经过填料实现等焓加湿降温过程。这两种空调器的核心 部件都是填料,它同其它部件一起被做成一个完整的单元。现在对这两种空调器的 研究主要集中在填料部分,其空调结构形式比较固定,因此本文对此不再做详细讨 论。复合式蒸发冷却空调机属于大型空调机组,根据其不同的结构组成,形式变化 比较灵活。因此对蒸发冷却空调系统的研究和开发主要集中在复合式蒸发冷却空调 方向【。 目前,在我国西北地区,特别是新疆地区已有二百多项工程应用蒸发冷却空 调。 其中包括宾馆、办公楼、餐厅、体育馆、影剧院、公共民用建筑以及一些工业建筑。 在这些工程中,一般采用的都是集中式全新风空调系统。集中式空调系统是典 型的全空气、定风量、低速、单风管系统。它广泛地应用于舒适性或工艺性的各类 空调工程中。按照被处理空气的来源不同,主要有混合式和直流式系统。由于直流 式系统使用的空气全部来自室外,吸收余热、余湿后又全部排掉,因而室内空气得 到%的置换。 避 律风 图.集中式蒸发冷却空调系统 在实际应用中,几乎所有的蒸发冷却系统均为直流式全空气系统。如图.所 示集中式空调已经比较广泛地应用于生活实际中【旧。《公共建筑节能》 ..节规定:房间面积或空间较大,人员较多或有必要集中进 行温、湿度控制的空气调节区,其空气调节风系统宜采用全空气调节系统。规范中 明确说明了集中式全空气系统较适宜于在影剧院、体育馆等人员较多大空间 建筑中 使用。在应用于其它建筑时,集中式空调系统存在如下缺点:绪论 .风管尺寸较大,占用建筑空间 在常温下,干空气的比定压热容。。./培?,只有水的比定压热容 .的%。根据换热公式可知,流体温度由变为,得到的热量: /‘ 一, 将质量流量换算成体积流量,即一‘ 若要获取相同热量,假如水和空气温度都升高?时,根据上面的公式可知, 所需空气体积是水的体积的多倍。 《采暖通风与空气调节设计规范》 ..规定:在满足舒适 和工艺要求的条件下,宜加大送风温差。舒适性空气调节的送风温差,当送风口高 度小于或等于时,不宜大于?。现有条件下,利用蒸发冷却技术处理新风, 一般的送风温差都小于?,因此在使用蒸发冷却空调时,风管尺寸过大的缺点是 不可避免的。在一些蒸发冷却空调设计图纸中,频频出现×、× 的矩形风管,甚至×型号的风管也成了“常用品”。 这种“巨型”风管的出现,不仅恶化了管内气流形式,增大了风机能耗,而且 占用了大量建筑空间。随着我国城市化步骤加快,建筑空间越来越紧张,堪比黄金, 在一些城市中,出现了寸土寸金的抢购局面。房地产开发商为了充分利用现 有土地 资源,获得最大利润,尽量降低建筑层高。例如,一栋高层建筑,每层建筑层高为 .,室内可用高度为.,其中空调系统为集中式,采用高的矩形风管; 若采用带有末端的空调系统,假设空调末端承担一半的冷负荷,另一半冷负荷由新 风承担,则新风量减为原来的一半,风管高度降为。此时建筑设计保持室内 高度.不变的情况下,建筑层高可以减少,降为.。同样是.高 的建筑,在室内空间高度.不变的情况下,采用集中式时只有层,而半集中 式为层。勿庸置疑,开发商肯定会选用后一种空调方式,用最小的投资,获得了 最大收益。因此,能否节省建筑空间已经成为一种空调能否被选用的重大参考因素 之一。 要想进一步推广蒸发冷却空调的应用,风管尺寸较大的缺点必须得到克服。 .分室、分时难以控制 普通集中式空调系统属于定风量系统 在空调系统中,定风量系统 一般维持全年的风量固定不变,并且是按房间最大热、湿负荷确定的送风量。但在 实际运行时,大多数情况下,空调房间的负荷低于最大负荷‘。 通常情况下,由于人员流动比较频繁,一个人在某一个固定场合的时间并不是绪论 很多。如图.所示,即使每个房间都按相对比较固定的工作人数来确定送风量, 但在同一时间,所有房间人都到齐的情况并不多见。相反,经常会出现某一个房间 长期无人的情形。但我们不可能因为一两个房间没有人,而将整个送风系统关掉; 也不可能因为一两个房间人数减少,而将整个空调系统的送风量减小,以至于影响 其它满负荷运行房间的送风量。也就是说,并不能“因室送风”,实现空调系统“分 室控制”。 如上所述,普通集中式空调系统并不能根据人数的变化随时调节送风量。实际 生活中,每个人都存在着个体差异。例如,在新加坡的欧洲人所认为的舒适温度要 比在悉尼的欧洲人高出约。;在马来西亚的中国人也喜欢稍高一点的温度,而北 美人认为的舒适温度要比南美人低;英国人在悉尼的设计温度下会感觉到不舒服 。这些都说明不同的人对同一个热湿环境是有着不同感受的。另外,标 准还对不同衣服热阻进行了分析,指出了随着人们着装的变化,舒适性温度没有以 前想象的那样低了。因此,同一个人穿不同的衣服,处在同一个温湿度环境中,感 受也是不相同的。可以看出,舒适性空调要真正地达到“舒适”效果,就必须做到 随时根据人们的感受进行温湿度调节。然而,普通集中式空调送风量一直保持不变, 不可调节,即难以做到“分时控制”。 目前已经应用的蒸发冷却空调工程基本上都属于这种分室、分时难以控制的普 通集中式空调。蒸发冷却技术适用于西北干旱地区,室外空气一天时间内温差较大, 因此这种以定风量送风的集中式空调方式不仅对能源造成浪费,而且在早晚时候会 给人较强冷感。如何避免这种“出力不讨好”的情况发生,成为了蒸发冷却技术有 待解决的一个重要问题。 .变风量空调系统存在弊端 为了达到分室、分时控制的目的,有人提出了将变风量系统应用于蒸发冷却技 术。这种方法是否可行,可以通过对变风量系统的原理分析,结合蒸发冷却空调的 特点来说明。 变风量系统亦称系统 ???,它是通过变 风量箱调节送入房间的风量和新回风混合比,并相应调节空调机组的风量或 新回风混合比来控制某一空调区域温度的一种空调系统。变风量空调系统可以根据 空调载荷的变化及室内要求参数的改变,自动调节空调送风量,以满足室内人员的 舒适要求或者其它的工艺要求【捌。与定风量空调系统相比,变风量空调系统具有良 好的区域温度可控,部分负荷时风机可调速故而节能等优点田】。 由于变风量空调系统构造复杂、自控要求高、一次投资费用大、主要部件国产 化率低等因素,目前国内仅用于高等级办公及商业建筑。就上海来说,自年代 中期开始,在对一些高层建筑的设计中作为系统的一部分,采用了变风量中央绪论 空调系统。从采用这种空调的建筑规模来看,面积多在,以上,投资主体 以政府、银行或证券公司、国有大公司及外商等为主。在上海年代起诞生的数 百幢办公大楼中,系统约占%?。 对于一个变风量空调系统,主要构造的变化是在空调的用户端增设了末端装置 ,这对整个系统的运行效果起着举足轻重的作用。常见的 ??变风量箱? 单风管变风量系统有节流型、诱导型、旁通型以及风机动力型。以下分别针对不同 变风量箱说明变风量系统不适用于蒸发冷却空调。 节流型变风量系统是通过室温传感器让变风量箱调整出风口的风量,当送风口 因变风量箱的节流而减少送风量时,风管内的静压升高,设在风管上的静压控制器 能调低变频送风机的转速,从而使空调机组的送风量减少,达到节能的目的。若将 其应用于蒸发冷却空调,需要调频送风机的转速能在很大范围内变化,这样对变频 风机的性能和质量要求会很高,增加了系统初投资和维护风险。因此不建议将节流 型变风量系统应用于蒸发冷却空调领域。 诱导型变风量箱一次风量小,常与低温送风方式相结合,这不符合蒸发冷却空 调送风特点。 旁通型变风量箱是利用改变返回新风机组的回风量来达到变风量的目的。蒸发 冷却空调处理对象为室外干燥空气,若将携带余湿的回风再返回新风机组,会增加 处理空气的相对湿度,恶化降温效果。 风机动力型变风量箱空调在末端的变风量箱内增加了风机,用来给回风提供动 力,这无疑又额外增加了投资。在不需要回风关掉该风机时,一次风有可能从回风 口的入口漏出,带走回风口过滤段上的细菌等微生物,造成不必要的污染。若将风 机动力型变风量空调应用于蒸发冷却技术,违背了蒸发冷却空调绿色环保、节能及 初投资低等优势特征。 蒸发冷却技术的空调原理与传统机械制冷空调差别很大,要求处理空气较干燥。 这种特点决定了蒸发冷却空调设备简单、运行维护方便、初投资少、新风量大及环 保节能的独特优势。若将现有的变风量技术应用其中,不仅需要较复杂控制设备, 增大了投资,而且由于使用了大量回风,降低了蒸发冷却效率。使用变风量系统, 很大程度上依靠改变新回风比,而总风量变化不是很大,并没有改变蒸发冷却风管 尺寸较大的缺点。在变风量空调系统运行时,实际调试非常困难,很难做到真正意 义上变风量控制。因此,即使变风量技术是一个很有前景的新技术,越来越得到人 们的青睐,但以目前技术,它并不适合用于蒸发冷却空调。 绪论 .半集中式空调系统简介 半集中式空调是相对集中式而言的。顾名思义,在半集中式空调中,并不是所 有的空气处理设备都集中放在空调设备间里面。而是在每个空调区域增加了末端装 置。大多末端装置都属于水系统,循环水经过末端时,与室内环境发生了热交换, 将室内的余热带走。空调末端装在室内,仅仅对室内的回风进行处理,于是通常情 况下空调末端还需要额外的空气系统与它配合,为空调房间提供新风。所以,像集 中式空调中的空气系统在半集中式中也是必不可少的。综合来说,半集中式空调系 统属于空气一水系统,它不同于集中式空调的全空气系统。 根据与新风结合的末端装置不同,半集中式空调系统可以分为诱导器空调系统、 风机盘管空调系统以及冷辐射吊顶空调系统。这三种系统都属于空气一水系统,他 们的组成、结构以及空调原理都有相似之处。相对集中式空调系统,半集中 式空调 系统有以下优点: .解决了集中式空调系统中风管较大的问题 水的比定压热容是空气的倍多,因此与空气相比,相对较少的水量可以带走 更多的热量。半集中式空调系统的末端装置属于水系统,它承担了集中式系统中本 应该由风管中空气承担的冷负荷,减轻了空气系统的负担,大大减少了对风管中风 量的要求,从而减小了风管的尺寸。升高相同温度,带走同样的热量,分别需要的 空气与水的体积比为:。 .增加了分室、分时控制的灵活性 在半集中式空调系统中,尽管处理空气的设备还是集中设置,但是空气系统只 承担空调区域的部分负荷,其余负荷由每个空调房间的末端装置来承担,而末端装 置可以由每个房间的人员自行独立控制。室内人员根据自己的感受,通过调节末端 装置,可以较为灵活地实现分室、分时控制。在所有房间工作人员较少或者室内负 荷较小的时间段内比如早晨或者夜晚,可以关掉集中设置的空气处理机组,仅仅 依靠室内的末端装置就可以承担起空调重任。 正是由于以上原因,半集中式空调系统得到了人们的普遍认可,获得了快速的 发展。特别是风机盘管新风的半集中式空调系统方式几乎统治了世纪的空调市 场,成为了空调的代名词。这种空调系统解决了建筑中风管布置空间狭小、众多房 问需要分室分时控制的问题,因此在高层建筑中得到人们的青睐。例如在我国的上 海地区,高层建筑中就有%空调采用了该系统。 然而,在长期使用过程中,由于传统风机盘管新风的半集中式空调系统中风 机盘管一直工作在湿工况下,因此在实际运行中存在以下问题: .风机盘管内进水温度低,使冷水机组一直在较低效率下运行,能耗较大; 绪论 .风机盘管对室内空气冷凝去湿,在盘管表面会积存湿垢,容易产生霉菌,影 响室内空气品质; .盘管表面有一层湿膜,增加了空气阻力,使风机盘管机组运行时往往达不到 名义风量要求; .需要设置凝结水系统,增加了系统初投资; .凝结水滴漏对建筑及装饰物品造成破坏。 通过以上分析可以看出,半集中式空调系统很好地解决了集中式系统存在的一 些不足,但是传统风机盘管新风的半集中式空调系统又存在很多湿工况运行产生 的问题。因此,为了解决直流式全新风的蒸发冷却空调在实际应用中存在的问题, 使这种绿色环保、节能的空调方式更好地得以推广,将半集中式空调系统应用于蒸 发冷却空调的同时,避免湿工况运行带来的缺点成为了蒸发冷却研究的必由之路。 .半集中式蒸发冷却空调系统的研究现状 ..传统半集中式空调系统研究 近年来,节能环保的空调方式在国际上引起大家的普遍关注。半集中式空调系 统方面,国外学者对冷辐射吊顶和风机盘管进行了大量相关研究。美国宾夕法尼亚 州立大学等人对冷辐射吊顶与置换通风相结合空调系统的设计和运 行情况进行了研究冽;美国俄克拉荷马州立大学..等人对冷辐射吊顶结合置 换通风空调方式的瞬时流场做了数值模拟研究?。德国埃森大学应用热力学和空调 研究所 教授在人体向环境传热机理和湿度与人体舒适关系研究基础上, 讨论了冷辐射吊顶的冷却性能计算问题驯。 而对风机盘管的研究则侧重于盘管换热器换热研究,国外盘管的换热性质进行 了大量研究。美国 等人对盘管的动力特性模型进行了研究【 】; 等人在盘管翅片全湿工况研究基础上,分析了部分湿工况下翅片传热性质【;国外 学者.等人分别对冷却盘管进口、出口空气参数进行实验分析,建立了去 等人使用 湿工况下冷却盘管的数学模型【】:日本东京大学 , 等干球温度法对半湿和全湿制冷条件下盘管的性能参数进行了分析川;。 在国内,由于冷辐射吊顶还未得到实际工程推广,因此对它的研究一直处于理 论研究阶段。香港理工大学..等人通过与传统全空气系统,全热回收的全空 气系统,带新风机组的辐射供冷系统比较,介绍了在热湿地区溶液除湿结合冷辐射 吊顶系统的节能潜力】;同济大学李强民教授等人对置换通风与冷却吊顶做了理论 和实验研究【】,南京师范大学王子介教授对置换通风地板辐射做了深入研究【。绪论 ..干工况风机盘管技术研究 后,干式风机盘管相关研究越来越多地出现在人们的视野当中。主要的研 究集中在同济大学、天津大学和广州大学等高校。同济大学龙惟定、沈列丞等人对 干盘管技术进行了多方面的研究。主要探讨了干盘管系统的可实施性、新风机组选 型等问题。天津大学孙琳、朱能等人对干工况风机盘管加新风空调系统进行了 研究【。广州大学万建武等人长期对干工况风机盘管空调系统进行了研究,主要 包括两个方面,一方面对干工况水系统进行了探讨【州川】,另一方面对干工况风机盘 管空调系统的设计过程进行了分析【”。另外,浙江大学周俊凯等人对干工况风机盘 管加冰蓄冷新风系统空调过程进行了研究。 ..半集中式蒸发冷却空调系统研究 目前,国内外对传统半集中式空调系统进行了比较全面地研究。国内学者也对 干工况风机盘管技术有了较全面的认识。然而,将半集中式空调系统应用于蒸发冷 却技术的相关文献却并不是很多。从事这方面研究的主要有西安工程大学黄翔教授 等人和清华大学江亿院士等人。其中,西安工程大学黄翔教授于年提出了半集 中式蒸发冷却空调系统控制?】,以最低初投资和实用为目标,为有效解决蒸发冷 却空调系统分室控制提供了新思路。这也是半集中式蒸发冷却空调系统的概念首次 被正式提及。随后又对西北地区半集中式蒸发冷却空调系统的设计进行了分析研究 【,针对西北地区目前使用的蒸发冷却系统模式单一及其它问题,提出半集中式蒸发 冷却空调系统设计方案。并以乌鲁木齐地区为例,比较新系统和传统系统,分析半 集中式蒸发冷却系统在西北地区应用的可能性。其次,西安工程大学对蒸发冷却与 辐射吊顶相结合的空调系统进行了较深入的研究,包括蒸发冷却与冷却吊顶相结合 的半集中式空调系统的探讨五,西北地区蒸发冷却辐射吊顶系统的顶棚送风方式 ,蒸发冷却辐射吊顶供冷房间的能耗分析【引,新型辐射板的实验研究及在西北地 区的应用【等相关内容。这些新型蒸发冷却技术及空调系统正在逐渐推广到实际应 用之中。清华大学江亿院士等人提出了温湿度独立控制的思想。实现温湿度独立控 制,就必须有单独的降温设备和除湿设备,一个集中式全空气系统是无法达到温湿 度独立控制目的的。将这种思想用于我国西部干燥地区,最终会促进半集中式蒸发 冷却空调系统的研究和发展。江亿院士等人在温湿度独立控制思想的基础上,研制 出能制备低于湿球温度。的冷水设备【】。如果将这种冷水直接通入室内空调末端, 无疑会加大半集中式蒸发冷却空调系统中末端装置承担冷负荷量,为半集中式蒸发 冷却空调系统的发展提供了便利条件。 绪论 .课题的提出 半集中式蒸发冷却空调系统很好地解决了目前集中式蒸发冷却空调实际应用中 存在的问题。然而,就现阶段半集中式蒸发冷却空调系统研究情况而言,投入的研 究力量相对薄弱,研究人员并不是很多。蒸发冷却冷辐射吊顶的研究,与实际应 用之间还存在一段距离,这是由冷辐射吊顶的局限性决定的: 篇造工艺复杂,费时费工,导致制造成本增加。目前美国市场上,辐射板的 价格大约为美元/冷量为/,进口辐射板在国内价格为元/巾左 右。 .需要采用昂贵的粘结剂,一次投资高。辐射吊顶用辐射板基本上都是采用相 同的结构形式,将铜管附着在铝板或钢板上面。为了减小热阻,需要采用特殊的粘 结剂,再次增加了一次性投资。 .尚无法很好解决冬季采暖问题。由于地板采暖目前已经得到市场上普遍的接 受及认可。若使用辐射吊顶系统即供冷又采暖,人在冬季空调房间会有头热脚冷的 感觉,这与人们认可的脚热头冷的习惯刚好相反。因此,若采用辐射吊顶,冬季采 暖采用何种方式尚待讨论。 .接触热阻大,单位面积冷量小。目前,辐射板的制造工艺还不是很成熟,普 遍存在接触热阻大的问题。能否开发低价高效的辐射板成为了辐射吊顶发展的技术 瓶颈。 图西安工程大学蒸发冷却空调工程技术研究中心 由于以上原因,为了使半集中式蒸发冷却空调系统更好、更快地应用于实际, 本文以西安工程大学蒸发冷却空调工程技术研究中心为平台,提出了蒸发冷却干 工况风机盘管的空调系统的概念。 首先,由于我国风机盘管经过这几年的发展,生产厂家较多,产品规格齐全, 产量较大,技术已经比较成熟,因此,从技术上来看是可行的;另外,清华大学江 绪论 亿院士提出的温湿度独立控制原理为这种空调的发展奠定了坚实的理论基 础,因此, 从理论上来看是可行的:其次,西北地区独特的气候条件,为风机盘管提供了免费 的冷水,因此,从经济性上来看是可行的;最后,以后人们对室内空气品质 的重视以及由于风机盘管并不是一个新鲜事物,在实际应用中,人们更能比较容易 地接受,因此,从人们的心理接受程度来看是可行的。本文将着重从这种半集中式 空调系统的理论基础、可行性、实际应用等角度进行分析。 .本文的主要工作 .提出蒸发冷却干工况风机盘管的半集中式空调系统方式,以温湿度独立控 制原理、独立新风空调系统作为理论基础来分析蒸发冷却干工况风机 盘管空调系统,并对两种理论原理的关系进行了深入探讨。 .通过对蒸发冷却、干工况风机盘管技术的研究,提出了作为半集中式空调系 统,蒸发冷却技术与干工况风机盘管特点,对实际干工况应用中存在的问题进行了 研究,为半集中式蒸发冷却空调设各生产企业提供理论指导。 .为方便系统推广,提出一套方便实用的蒸发冷却干工况风机盘管空调系统 工程设计方法。 .结合工程应用实例的测试,对半集中式蒸发冷却干工况风机盘管的空调系 统实际运行情况进行分析。蒸发冷却干工况风机盘管理论基础 蒸发冷却干工况风机盘管理论基础 .温湿度独立控制原理 ..热湿度联合处理空气存在的弊端 从热舒适与健康出发,要求对室内温湿度进行全面控制。现有的空调系统,普 遍采用温湿度耦合的控制方法。夏季,采用冷凝除湿方式采用?的冷冻水实 现对空气的降温与除湿处理,同时去除建筑的显热负荷和潜热负荷。这种方式被定 义为热湿联合处理。夏季人体舒适区为?,相对湿度%,此时露点温度为. ?。空调排热排湿的任务可以看成是从?环境中向外界抽取热量,在.的露 点温度的环境下向外界抽取水分。如果送风要满足室内排热的要求,则冷源的温度 必须低于室内空气干球温度?,要满足室内排湿要求,则需要冷源的温度低于 室内露点温度.。因此,热湿联合处理达到排热排湿的目的,必须同时满足 以上两个条件,这是现有空调系统采用~的冷冻水、房间空调器中直接蒸发 器的冷媒蒸发温度也多在?的原因。 现有空调采用热湿联合处理空气的方式,主要有以下弊端: .难以适应空调房间热湿比较大范围内变化。传统风机盘管通过冷凝方式对空 气进行冷却去湿,其承担的显热与潜热负荷的比值变化范围较小,而空调房间实际 产生的余热余湿比却往往在较大的范围内变化。热湿联合处理中,温湿度控 制耦合 在一起,要实现对其中一个参数的控制,势必会影响到另外一个参数。单独处理温 度或者湿度,而使湿度或者温度保持不变是不可能的。 文献】中有这样的定义:为了说明湿空气状态变化前后的方向和特征,常用 湿空气的比焓变化与含湿量变化的比值来表示,称为热湿比占/。可见,热湿 比是一个与空气状态变化过程有关的参数。如图.所示,空气状态由点沿着热 湿比线占变化到点,在这个过程中,任何两点热量变化和湿量变化的比值都为定 值占。 在空调设计确定送风状态点时,过室内设计状态点作热湿比线占,只需尽可 能地保证送风状态点落在热湿比线上,就可以达到同时去除室内余热余湿的目的。 如图中.,空调送风会沿着热湿比线占,从点到达点,在这个过程中带走房 间的余热、余湿。 现在若有一空调系统,送风状态点为,热湿比为占,运行稳定后,室内空气 达到室内设计状态点。假定改变送风方式,送风口并不是持续送风,每间隔一小蒸发冷却干工况风机盘管理论基础 时送风一次,但是保证单位时间内送风量是相同的即一小时后将系统正常运行时 一小时所需总送风量一次性送入。一小时后总的送风量不变,因此,此时室内空气 状态达到设计状态点。整个过程表示在?图上如图.所示。 可以看出,送风从点沿占线变化到点,是因为沿线变化的过程本身就是 一个送风与室内空气混合的过程。只不过是由于余热量、余湿量的产生与时间 成正比,即热湿比为一定值,吸收室内余热与余湿后,室内空气状态点会在’上 移动,若不送风,小时内,室内空气状态会由点慢慢逼近’点。若是空调正 常运行,持续不断送风时,室内空气稍微沿’偏离点时,就会由于与空调送风 的混合,将室内状态点拉回点。 因此,可以看出,所谓热湿比线占就是空调送风与室内空气混合时,送风状态变 化过程线??喇。其中 丙丙小时空调送风量 换气次数 . 面至葡甄疆瓦虿 % 图?空调送风沿热湿比线 变化?图 在以上分析基础上,我们来探讨热湿比发生变化时,空调送风量以及室内空气 状态点的变化。 当室内湿负荷不变,冷负荷增加减小时,如图?所示,若保持 时不送风,会导致室内温度?增加么。’减小么。’,室内状态点由’变到’. ’,连接’。根据上面热湿比理论分析,连接所得’为 房间冷负荷增加减小时新的热湿比线。通过调整送风量,使得房间冷负荷发 生变化不要影响到空调室内干球温度发生变化,即过点作线,与 ’ 蒸发冷却干工况风机盘管理论基础 线交于点,这点就是新的室内状态点。根据式一,此时些些值明显 大于负荷变化前的垒,即为了承担多增加的冷负荷,换气次数增加,使得房间 含 湿量减小。值/、于负荷变化前的竺,即室内冷负荷减小,换气次数减小, 使得房间含湿量增加 通过以上分析可以得出,热湿比线发生变化时,通过改变送风量要实现对室 内 干球温度的控制,会导致室内空气含湿量发生变化,为了控制室内空气干球 温度, 放弃了对含湿量的控制。根据图.,室内冷负荷增加和减小的量相同时,若要 保证房间干球温度不变,室内空气含湿量会减小.和增加:,其中冷负荷减小 使室内状态点含湿量增加幅度较大。:。 图?热湿联合处理中冷负荷变化对室内湿度影响 当室内冷负荷不变,湿负荷减小增加时,如图.所示,若保持 一小时不送风,会导致室内空气含湿量,减小。’增加/:’,室内状态点由’ 变到’’,连接’’。根据上面热湿比理论分析,连接所得’’ 为房间湿负荷减小增加时新的热湿比线。通过调整送风量,使得房间湿负荷 发生变化不要影响到空调室内空气含湿量发生变化,即过点作线,与’蒸发冷 却干工况风机盘管理论基础 。’线交于点,这点就是新的室内状态点。根据式?,此时等等 值明显小于负荷变化前的些,即由于湿负荷的减小,换气次数降低很多,使得房 ??:?一??一 间干球温度升高』.。竺值大于负荷变化前的坚垒,即为了承担多增加的湿负 荷,换气次数增加,使得房间干球温度降低么:。 。, 。, 。 % 图:热湿联合处理中湿负荷变化对室内温度影响 通过以上分析可以得出,热湿比线发生变化时,通过改变送风量要实现对室内 含湿量的控制,会导致室内空气干球温度发生变化,为了控制室内空气含湿量,就 必须放弃对干球温度的控制。根据图.,室内湿负荷减小、增加量相同时,若 要保证房间空气含湿量不变,室内空气干球温度会升高/。或者降低么:,其中湿 负荷减小使室内状态点干球温度升高幅度较大』./。 可以看出,空调房间内热湿比线发生变化时,要控制干球温度,就无法控制含 湿量的变化,其中热湿比减小时,含湿量增加幅度较大。而要控制含湿量,就无法 控制干球温度,其中热湿比增加时,干球温度升高幅度较大。在热湿联合处理空调 中,要控制其中一个参数保持不变,在热湿比发生变化时,就必须以牺牲另一个参 数为代价。蒸发冷却干工况风机盘管理论基础 .热湿联合处理的能源浪费。如图所示,热湿联合处理为了达到除湿的目 的,需将处理空气温度降到露点温度以下,凝结去湿。这样空气处理后的状态点位 于线左侧的%相对湿度线上实际情况中,凝结除湿时空气达到机器露点低 于%相对湿度。 对于舒适性空调,它对送风温差的规定不像工艺性空调那样严格,宜尽可能地 加大送风温差,以节省送风量。但是送风温度必须高于室内空气的露点温度,否 则会在送风口处出现结露现象,那是不允许的。因此送风点一般尽量保持在图中 线以上线的最下端。 冷凝除湿后的空气状态点所处位置图中%线中黑体部分与需要送风状 态点之间有一定的温差,这个温差往往需要再加热来完成,如图中。所示。 在空调系统中,占总负荷一半以上的显热负荷部分,本可以采用高温冷源只 需要将送风温度降到?以下就可以排走的热量却与除湿一起共用~的低温 冷源进行处理,造成能量利用品位上的浪费。而且,经过冷凝除湿后的空气虽 然湿 度含湿量满足要求,但温度过低,有时还需要再热,造成了能源的进一步浪费 与损失。 % 图.空气再热处理?图 ..温湿度独立控制理论简介 针对上面现有空调系统存在的问题,清华大学江亿院士提出温湿度独立控制空 调系统可能是一个有效的解决途径,”。温湿度独立控制空调系统中,采用温度与湿 度两套独立的空调控制系统,分别控制、调节室内的温度与湿度,从而避免了常规 空调系统中热湿联合处理所带来的损失。由于温度、湿度采用独立的控制系统,可 以满足不同房间热湿比不断变化的要求,克服了常规空调系统中难以同时满足温、 湿度参数的要求,避免了室内湿度过高或过低的现象。 所谓温湿度独立控制,并非控制湿度的系统不能承担显热负荷,控制温度的系蒸发冷却干工况风机盘管理论基础 统不能影响室内湿度变化。而是指整个空调系统可以在保证温度不变的情况下,控 制湿度;湿度不变的情况下,达到完全控制温度的目的。即改变了热湿联合处 理中 温湿度耦合的过程。因此,温湿度独立控制过程完全是对热湿联合处理的解耦过程。 温湿度独立控制空调系统的基本组成为:处理显热的系统与处理潜热的系统, 两个系统独立调节分别控制室内的温度与湿度,参见图.。处理显热的系统包括: 高温冷源、余热消除末端装置,采用水作为输送媒介。由于除湿的任务由处理潜热 的系统承担,因而显热系统的冷水供水温度不再是常规冷凝除湿空调系统中的, 而是提高到。左右,从而为天然冷源的使用提供了条件,即使采用机械制冷方式, 制冷机的性能系数也有大幅度的提高。余热消除末端装置可以采用辐射板、干工况 风机盘管等多种形式,由于供水的温度高于室内空气的露点温度,因而不存在结露 的危险。处理潜热的系统,同时承担去除室内、异味,以保证室内空气质量的 任务。此系统由新风处理机组、送风末端装置组成,采用新风作为能量输送的媒介。 在处理潜热的系统中,放弃了对处理温度的严格要求,因而湿度的处理可能采取新 的节能高效的方法。 温湿度独立控制空调系统有以下优点: 适应室内热湿比的变化。温湿度独立控制系统分别控制房间的温度和湿 度,能够满足建筑热湿比随时间与使用情况的变化,全面控制室内环境。并根 据室内人员数量调节新风量,因此可获得更好的室内环境控制效果和空气质 量。 不再出现冷热源相互抵消的情形。制取低温空气,然后再耗能进行加热, 对能源是一种极大地浪费。温湿度独立控制系统解开了热湿联合处理时温湿度 耦合在一起的现象,有可能使空调系统告别了传统空调中需要低温冷源的情 况,从而彻底告别再热现象的发生。 ?不同末端方式均在干工况下运行。可采用辐射式末端或者干工况风机盘 管吸收或提供显热,采用置换通风等方式送出干燥的新风去除显热,冬夏共用 同样的末端装置。风机盘管在干工况下运行,解决了长期困扰人们的冷凝除湿 表面滋生细菌的问题。提高了室内空气品质。 使用高温冷源。整个系统只需要?的冷水,这可通过多种低成本的和 节能的方式提供,降低了运行能耗。在一些地方,为天然冷源的利用提供了途 径。将作为耗能大户的空调带上了绿色环保节能的轨道。 需要强调的是,在温湿度独立控制系统中,“独立”并非是绝对的,它只是相对 于热湿联合处理的传统空调方式中温湿度耦合在一起而言的。因此,温湿度独立控 制并不是完全的独立,只是一个温湿度的解耦过程。这点在温湿度独立控制理论的 应用过程中格外注意。蒸发冷却干工况风机盘管理论基础 空碉设备 置换通风口一 湿度控 个性化送风口 制系统 辐射板墙, 干式风机盘管 图温湿度独立控制空调系统原理图【 ..蒸发冷却干工况风机盘管空调系统与温湿度独立控制系统 温湿度独立控制系统的核心是分别控制调节室内温度、湿度的两个系统。如图 中阴影部分所示,温度控制调节系统的关键是如何解决高温冷源的问题,高温 冷源给末端装置提供左右的高温冷水,让末端装置得以在干工况下运行,只承 担室内的显热负荷:湿度控制调节系统的关键是如何解决干燥空气的问题,将干燥 空气送入室内控制调节室内潜热负荷。如果这两个问题得到解决,不但具有可操作 性,而且能在实际工程中较容易实现,那么将温湿度独立控制系统应用于实践就是 完全可行的。 广一一一一一一一一一一一一一一 直接送 ,\室内? 各 园 圉寺圆 经过室 内末端? ? 圈辛圜 圈图温湿度独立控制过程分析 干燥空气、高温冷水是温湿度独立控制中的关键因素。在湿热地区,只能靠转 轮除湿、溶液除湿等方法得到干燥空气,靠冷水机组制取高温冷水。其中,无论是 转轮除湿还是溶液除湿,吸湿后的吸湿剂再生时仍然面临很多问题,而转轮的材质、 蒸发冷却干工况风机盘管理论基础 溶液的腐蚀等因素更是困扰人们很多年都难以得到很好的解决。冷水机组提供高温 冷水,虽然提高了制冷机的性能系数,但仍然摆脱不了制冷机组。因此,在湿热地 区实现温湿度独立控制并不容易。 然而,在我国广大西北地区,独有的气候环境为温湿度独立控制提供了充足的 干燥空气。运用蒸发冷却技术,再借助干燥空气这种潜在资源,完全可以获得承担 显热负荷的高温冷水。 表?我国西北部分城市室外气象参数与室内设计参数比较 ??以上数据摘自《空调工程》,黄翔主编,机械工业出版社出版 以上数据分析可以看出,在我国西北大部分地区,室外空气含湿量低于室内设 计参数下的含湿量值,甚至在有的地区,室外空气计算参数中的含湿量仅仅只有室 内设计参数下含湿量的.%格尔木。因此,在这些地区完全可以直接利用室外 干燥空气来承担温湿度独立控制系统中对室内湿度的控制调节。这些地区的湿球温 度平均只有.?,有些地区甚至只有.?格尔木、拉萨,使用蒸发冷却技术, 完全可以获得?左右,甚至更低温度的冷水。这种高温冷水的获得又解决了温湿 度独立控制系统中另一个关键因素,为末端设备在干工况下调节室内显热提供冷源。 这样,在西北地区使用温湿度独立控制系统的两大基本条件都已经具备。 蒸发冷却新风干工况风机盘管的半集中式空调系统就是满足以上温湿度独立 控制系统基本要素的一种空调方式。用蒸发冷却新风机组对室外干燥空气进行处理, 获得温度较低且相对室内空气比较干燥的新鲜空气,送入室内承担室内全部的潜热 负荷,在此过程中,新风也承担了部分显热负荷。用蒸发冷却技术如冷却塔制 取较高温度冷水,冷水送入室内风机盘管来承担剩余的显热负荷。蒸发冷却干工况风机盘管理论基础 新风 图蒸发冷却干工况风机盘管半集中式空调系统原理图 如图.所示为蒸发冷却干工况风机盘管半集中式空调系统的原理图。其中 新风经过三级蒸发冷却新风机组后分别送入室内,送风含湿量低于室内空气含湿量, 新风量足够去除室内全部潜热负荷,这是该空调系统的调湿系统。另外一个系统就 是调温系统,将冷却塔中制得冷水分别送入室内的空调末端风机盘管中,控制冷水 温度,保证风机盘管在干工况下运行。从图中可以看出这两个系统分别调节 室内空 气的湿度和温度,互相并无任何牵连。图中新风系统调节室内湿度,同时又承担了 部分显热负荷,但这并不意味着它也是调温系统。调湿系统影响室内温度变化,但 对室温在一定范围内的变化时,为了达到人体满意的舒适温度值,调节只通过调温 系统来完成。新风系统的目的是控制调节房间内的湿度,新风量多少,根据房间湿 度大小来定。影响温度只是调湿系统的副产品,但它在一定程度上为调温系统减轻 了负担。 从?图的角度分析,如图.、所示,在室内冷负荷、湿负荷发生变化 时空调系统停机小时,室内状态点由。变到州或者?:,调节风机盘管、新 风机组风量,使其送风的混合点落在.或者点上这时热湿比线占分别为?或 者’,经过热湿比线最终达到设计室内空气状态点。因为通过改变风机盘管 风量,最终可以调整室内温度,将调整湿度时对温度产生的影响消除,使温湿度均 达到设计要求。通过这种方式,解决了图.、.所示热湿联