CFD技术在新型复合式露点间接蒸发冷却空调机组的应用

刘佳莉， 黄 翔， 孙 哲

（西安工程大学，陕西西安 7100 48）

0 引言

与传统空调相比较，蒸发冷却空调采用水作为制冷剂、无四大运动部件、机组CO P较高，在节约能源和环境保护方面具有一定的优势。由于受到室外环境影响，使用范围受限。为了提高蒸发冷却空调的降温幅度和实现一定范围的湿度控制，基于MAISOTSENKO循环（简称M-cycle）[1]理论，开发出一种新型复合式露点间接蒸发冷却空气处理机组。机组入口空气可以采用新风，利用不断降温的空气，一部分作为蒸发冷却的“工作空气”（即二次空气），来冷却另一部分的“产出空气”（即一次空气）。由于“工作空气”的温度不断降低，增加了空气与水热湿交换的能力，从而制取温度更低的空气，甚至接近露点温度。

随着电子计算机的发展，其能够自主、高速地进行大量的数值计算和各种信息处理，运算速度已达到每秒亿万次。在此之下衍生的商业软件CFD（Computational Fluid Dynamics），也进入了暖通空调应用领域。与传统的实验测试相比较，其具有速度快、成本低、可模拟不同工况等优点。为了更好地发挥蒸发冷却节能、环保的优势，将这种模拟技术应用于新型复合式露点间接蒸发冷却空调机组的模拟研究，对于机组性能优化等方面具有重要意义。

1 露点间接蒸发冷却的模拟研究

露点间接蒸发冷却的模拟研究大多集中在换热器结构参数和运行条件等方面。

X·Zhao等人[2]对一种新型的逆流露点式蒸发冷却器进行了数值模拟研究，通过数值计算不断优化换热器结构参数和运行条件，结果得出了几种影响其冷却效率的主要因素：气流通道尺寸、气流速度及工作空气与进气量风量比。并给出相关建议值：一次空气的流速应该保持在0.3～0.5 m/s，空气通道高度保持在6 mm以下，进风中作为二次空气的比例为0.4。

Zhan等人[3]利用有限元法建立了一个用于求解一次空气和二次空气间热质传递的耦合控制方程。试验和模拟结果的对比显示，出口温度的最大偏差为3.4%，湿球效率的最大偏差为9.4%，实验结果和模拟基本吻合。模拟给出了相关推荐值：二次空气流量小于1.77 m/s，一次空气流量小于0.7 m/s，最佳二/一次空气流量比为0.5，通道之间的高度保持在4 mm。模拟结果说明露点式间接蒸发冷却器比传统的间接蒸发冷却器效率高出16.7%。

Riangvilaikul和Kumar[4]建立了模拟露点式间接蒸发冷却器内部热质传递过程的有限差分数学模型。保持入口空气温度在35℃不变，含湿量在6.9～26.4 g/kg之间变化时，系统的露点效率的变化范围为65%～86%，湿球效率的变化范围为106%～109%。基于模型分析，文章提出系统理想运行参数为：入口空气流速小于2.5 m/s，通道间距小于5 mm，通道长度大于1 m，二次空气和一次空气的流量比为35%～60%。

丁杰等人[5]对一种回热式间接蒸发冷却（简称RIEC）器进行CFD模拟。这种回热式间接蒸发冷却降温后的一次空气，一部分被循环作为二次空气使用，RIEC具有正反馈式工作原理，其降温潜力突破湿球温度，在焓湿图上，它的空气处理过程与露点间接蒸发冷却相同，对于露点间接模拟研究具有一定参考。在进行RIEC模拟研究中，采用同位网格划分，有限容积法对控制方程进行离散，模拟技术分析传热传质过程。从流道间距、空气流速、相对湿度等方面分析其对冷却效率和火用比的影响，结果给出建议取值：一二次通道间距4～5 mm，一次空气通道4 mm左右，一次空气流速2.5～3 m/s，二次空气流速1～1.5 m/s。并指出为了得到高的火用比，一方面降低入口空气相对湿度，提高入口干球温度；另一方面，通道间距、长度个一次空气流速要保持合适范围。

针对已有的具有潜力的露点间接蒸发冷却空调机组的相关使用效果、节能潜力以及是否满足温湿度要求等方面，也有相关参考的模拟研究。

Eastment等人[6]对一种具有节能潜力的OASys两级间接-直接蒸发冷却器应用于住宅建筑带来的节能潜力和室内温湿度进行模拟。其中，OASys的间接蒸发冷却段是一个逆流露点式间接蒸发冷却。文中分别对两栋住宅进行了年逐时建筑能耗模拟：模拟室和标注室。为了说明OASys的节能潜力，分别与不同的冷却方式进行对比：手动控制的OASys、具有最佳控制的OASys、独立的直接蒸发冷却器和传统的空调等。假定两级O S A y s设备中间接段的换热效率为45%（基于国家可再生能源实验室对O S A y s的测定），直接段的湿球效率为85%，能制取湿球温度以下的空气。传统的空调的能效比选择13、15。对博雷格温泉气候区的模拟结果进行分析，得出：1）OASys和直接蒸发冷却器与传统的空调器相比较，能够节省大量电能；2）与直接蒸发冷却相比较，OASys送风温度较低；3）OASys最佳控制与手动控制相比，能够节约约23%的能量消耗；④独立的OASys，特别是直接蒸发冷却器导致博雷戈温泉住宅室内相对湿度高于70%的运行时间多于400 h。另外，直接蒸发冷却器使得运行时室内干球温度超过80℉的小时数超过400 h。

2 复合式露点间接蒸发冷却空气处理机组简介

2.1 工作原理

露点间接蒸发冷却空调技术是原有的间接蒸发冷却空调技术基础上的一个新的发展，由于特殊的芯体构造，其可实现更大的温降，可以对空气的湿度实现一定范围的控制。新型复合式露点间接蒸发冷却空调机组与传统的间接蒸发冷却空调机组不同的是，机组的芯体构造不同于传统的板式间接和管式间接，它的芯体壁面被均匀打上了一定规则和大小的孔口。如图1所示，芯体有不同的材料构成两个不同的空气流动通道，空气自入口进入机组的干通道，通过壁面的小气孔而钻入到另一侧的通道，另一侧顶部设有布水装置，通过喷淋装置，喷淋水在壁面形成均匀的水膜，这一侧被称为湿通道。在排风机的作用下，进入湿通道的空气被称为二次空气（工作气流），它与喷淋水进行湿热交换，来预冷干通道的一次空气（产出气流）。芯体末端设置挡板，最后所有干通道的一次空气都经过壁面的孔口，进入到另一侧的湿通道，与喷淋水热湿交换，温度降低的一次空气最后作为机组的送风[7]。

图1 空气运动途径示意图

新型复合式露点间接蒸发冷却空气处理机组的工作原理就是能量的梯级利用，利用多个通道的不同状态点的空气，不断降低一次空气的湿球温度，从而增加两侧通道之间空气间的温度差，从而增强之间的传热能力。

2.2 空气处理过程

图2 经过芯体的产出空气处理焓湿图

新型复合式露点间接蒸发冷却空调机组的空气处理过程如图2所示，状态点为1的空气在干通道被逐级降温到状态点2，这是一个等湿冷却过程（间接蒸发冷却），空气的温度降低的同时含湿量保持不变；被等湿降温的空气继而经过孔口进入湿通道，与喷淋水热湿交换，被等焓降温到状态点3（直接蒸发冷却）。理想状态，一次空气（产出气流）经过了间接-直接蒸发冷却空气处理后，最终落在了状态点3，其中t1L＜t3＜t1s，也就是说一次空气的温度处于亚湿球温度[8]，甚至逼近露点温度。

由于经过了间接-直接蒸发冷却空气处理过程，其降温幅度增加。评价其冷却效果指标为湿球效率ηIDEC。

式中 ηIDEC—复合式露点间接蒸发冷却的湿球效率，%；

tg1—进风口空气的干球温度，℃；

ts1—进风口空气的湿球温度，℃；

tg3—送风口空气的干球温度，℃。

3 CFD技术应用

3.1 CFD技术发展

CFD技术发现源于英国，科学家T h o m通过手摇计算机完成了一个外掠圆柱流动的数值计算，由此衍生出利用计算机编程等手段解决工程中复杂的问题。伴随着计算机技术的飞跃发展，从20世纪60年代至今，CFD技术经历了三个主要的时期：起始阶段，用于解决流体力学基本理论和数值计算；第二阶段进入工业应用领域，面向实际工程计算问题；第三阶段，CFD技术日渐成熟，数据模拟以及分析功能强大，适用范围广，已经被人们所关注[9]。国外该项技术的研究较早，英国、美国、日本等国家率先开始研究，20世纪80年代CFD进入我国暖通空调领域，清华大学、东华大学等对气流组织和送风形式进行了模拟。香港大学借助大涡模拟工具研究自然通风问题等[10]。该技术应用于H V A C领域，主要用于流体计算、数值模拟、气流组织分析、空调负荷计算、室内污染物浓度分析等方面。

3.2 可以解决的问题

3.2.1 设备性能改进

（1）风机和水泵

新型复合式露点间接蒸发冷却空调机组，其设备主要的耗能部件有送风机、排风机和循环水泵。它们都是通过流体工质的流动而工作的，流动情况对设备性能有着重要的影响。利用CFD软件模拟设备内部流动情况，来研究设备性能，从而改进设备相关参数，使风机和水泵在最佳工况下运行，以达到降低其能耗，提高机组COP。

（2）芯体构造

该机组特殊的芯体构造，构成了两种不同工作性质的通道：干通道和湿通道。通道高度的增加，湿球效率和制冷量都随着下降，COP升高。而干通道长度越长，干通道与湿通道空气接触时间越长，换热更充分，制冷量和湿球效率增加，COP下降。

（3）空气流速

当进入机组的空气增加时，一次空气和二次空气按照比例增加，流速也相应比例增加。机组制冷量随着空气流量的增加而增加。然而流速过大会造成换热不充分的问题，制冷量反而受大流速影响而降低。

（4）空气流量比

一次空气和二次空气流量比对机组冷却效果的影响与通道高度有关。另外，从能量守恒的角度分析，需要处理得到一定降温幅度的一次空气，干燥地区需要的二次空气较少，高湿度地区需要二次空气较大[11]。

另外，空气湍流扰动强度、喷淋水是否均匀润湿壁面等，这些因素都对换热效率有着重要影响，直接影响到机组的冷却效果。CFD技术可实现快速模拟换热器结构参数、空气流速、一次空气与二次空气流量比等，预测不同条件下对应的不同效果，通过对比分析，可以寻找出一个最有利的条件，为机组换热器结构的优化提供参考。

3.2.2 室外环境分析设计

众所周知，蒸发冷却空调技术受到外界环境的影响，其运行具有不稳定性。采用CFD可以方便地对室外环境进行模拟。

通过模拟室外干球温度和湿球温度，可以设置不同工况，从而研究蒸发冷却对应的不同冷却效率，分析不同室外环境参数的影响下蒸发冷却的性能，对其应用有着指导意义。而且，具有投资少、经济、不受客观条件限制、时间短等特点。

3.2.3 室内环境分析设计

室内环境包括室内热环境和室内空气品质两方面。ASHRAE Standard 55-1992中将热舒适定义为人体对热环境满意的意识状态。对于舒适性空调，室内温度、相对湿度和风速取值范围见表1。

表1 通用热舒适区的最佳取值范围

同样，舒适的室内环境要求室内具有良好的空气品质，室内需要及时输送一定量的新风，来保证人们生活和工作所需要的足够氧气。现代建筑室内由于装修等过程，墙壁等物体会向室内散发一定的有害物质，如甲醛等。室内充足的新风和良好的气流组织形式，对于消除室内污染物浓度，保持良好空气品质非常重要。

新型复合式露点间接蒸发冷却空调机组能够向室内输送降温和过滤的新风，通过吸收室内余热和置换室内污染空气来保持室内一定舒适环境。所以，室内温度场和湿度场分布情况、气流组织是否合理，以及室内污染物浓度分布等对该机组的研究和应用具有指导意义。CFD技术在评价室内气流组织是否合理，分析室内污染物浓度的分布等发挥优势。

3.3 技术路线

模拟技术应用于新型复合式露点间接蒸发冷却空调机组的研究，其基本的技术路线如图所示，首先，对该机组建立质量方程、动量方程和能量方程，指定初始时刻已知函数值，并确定机组换热器结构尺寸、干湿通道几何尺寸、气流流速、二次/一次空气流量比等参数。然后，将原来连续的物理场用一系列有限个离散点的集合代替，建立离散方程，最后求解变量近似值。CFD技术常用的数值方法包括有限差分法、有限容积法、有限元法和有限分析法。

针对新型复合式露点间接蒸发冷却空调机组进行实际效果测试，测试结果与模拟结果可以比较分析（如图3所示）。

图3 CFD技术应用于新型复合式露点间接蒸发冷却空调机组模拟研究的技术路线

3.4 存在不足

（1）新型复合式露点间接蒸发冷却空调机组的核心部件为机组的芯体，影响机组的效率主要因素之一就是芯体的结构尺寸，但区别于传统的间接蒸发冷却器，选择合理的网格划分很重要。

（2）受到客观因素的影响，模拟研究多对三维的模型简化为一维或者二维，不能真实地反应实际情况，应对加强三维模型的建立进行研究。

（3）新型复合式露点间接蒸发冷却机组的空气处理过程较为复杂，一次空气经过等湿降温和等焓降温两个处理过程，湿通道中关于水膜的过多假设对其内部的热质交换的模拟结果产生很大的影响，应加强更符合实际情况的控制方程的推导和动态模型的建立。

4 结语

新型复合式露点间接蒸发冷却空调机组在降温幅度和湿度控制方面发挥优势，节能和环保潜力突出，结合CFD技术成本低、有效、便捷等特点，先对机组的结构尺寸和运行条件，以及应用该机组的建筑室内温度场、湿度场、气流组织等进行模拟，再对机组进行实际性能和运行效果测试，模拟与实际测试相结合，是一条科学和合理的研究该新型机组并推广其应用的技术路线。

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