蒸发冷却与机械制冷协同耦合空调机组探讨

杨立然 黄 翔 贾 曼 郭志成



蒸发冷却与机械制冷协同耦合空调机组探讨

杨立然 黄 翔 贾 曼 郭志成

（西安工程大学 西安 710048）

介绍了国内外研究现状，通过原理和结构对比，分析归纳了蒸发冷却与机械制冷相结合的空调机组技术形式；根据气象参数影响与使用特点，对不同技术形式的适用性进行了分析说明；对蒸发冷却与机械制冷两者之间的匹配、切换和协同运行模式与控制策略进行了探讨；列举了相关工程案例，对复合节能空调技术应用前景进行了展望。

蒸发冷却；机械制冷；协同耦合；复合节能；理论与应用

0 引言

随着空调技术发展，传统机械制冷方式面临转型升级；蒸发冷却通风空调技术具有节能、低碳、经济、健康的独特优势，而受气象条件影响较大，自身性能有待提高。将蒸发冷却与传统机械制冷相结合，可实现两种技术的协同耦合，弥补单纯采用其中一方所存在的不足，有利于优化蒸发冷却通风空调设备，拓宽其使用范围，同时，提高机械制冷能效，实现两者优势互补，促进节能减排。

1 研究现状

对于蒸发冷却与机械制冷相结合的空调技术，国内外许多专家学者进行了相关研究。

1.1 国外研究现状

韩国首尔汉阳大学Min-Hwi Kima等人采用湿盘管间接蒸发冷却器对进风预处理，结果表明，可使传统变制冷剂流量多联空调系统运行能耗年平均节省46%[1]。新加坡国立大学X Cui等人对间接预冷蒸发换热器在炎热潮湿气候下的性能评价进行了研究，结果表明，间接蒸发换热器可为室外潮湿空气移除大约35-47%的冷负荷，而风机和水泵附加能耗较小[2]。美国加利福尼亚大学戴维斯分校西部制冷效率中心应用直接蒸发冷却技术对原有的屋顶式空调机组进行了改造，使原有空调机组节能约10%[3,4]。美国SPEAKMAN公司推出的第3代机组AIRMAX，从潮湿气候区到干燥气候区，约节省运行能耗40%到80%[5]。此外，瑞典蒙特公司开发的类似机组在数据中心得到了良好应用，节能效果显著[6]。

1.2 国内研究现状

香港理工大学杨洪兴教授等人对间接蒸发冷却在空调系统中通过预冷及热量回收降低系统能耗进行了研究，在复合系统中，将室内较低温湿度的回风作为间接蒸发冷却的二次空气。结果表明，对于潮湿地区，一次空气流道内可能发生凝结，冷凝作用降低了间接蒸发冷却湿球效率，而除湿，提高了总传热速率[7,8]。

西安工程大学黄翔教授在《蒸发冷却空调理论与应用》等书中，阐述了将蒸发冷却与机械制冷相结合的原因，提出了两者相结合的基本理论[9-11]。西安工程大学徐方成等人对蒸发冷却与机械制冷复合空调机组进行了研究，结论表明，机组在满足舒适性空调要求前提下，能效比EER提高至16.3[12,13]。西安工程大学范坤等人对西安某通信机房改造工程蒸发冷却与机械制冷联合空调机组进行了研究，结果表明，改造后的系统每年节省电费可达18万元[14,15]。西安工程大学薛运等人对蒸发冷却与机械制冷联合的一体化空调机组进行了研究，进一步证明了其良好的节能性和应用前景[16-18]。

2 技术形式归纳

2.1 直接蒸发冷却+机械制冷空调机组技术形式

（1）直接蒸发冷却+低温表冷器（DEC+CC）技术

图1 直接蒸发冷却与低温表冷器相结合技术原理图

将直接蒸发冷却与低温表冷器进行联合，主要实现两者的切换运行，在过渡季节或室外气象条件允许时，关闭低温表冷器，通过直接蒸发冷却降温加湿，而在直接蒸发冷却无法满足室内环境要求时，关闭直接蒸发冷却，开启低温表冷器对被处理空气进行降温除湿。

（2）直接蒸发冷却+蒸发器-冷凝器（DEC+DX）技术

图2 直接蒸发冷却与蒸发器-冷凝器相结合技术原理图

直接蒸发冷却跟蒸发器的结合，与跟低温表冷器的结合类似，主要实现两者的切换运行；而跟冷凝器的结合，则为了实现冷凝器蒸发冷冷却方式，降低冷凝温度和压力，提高制冷系数。该形式应用较早，适用范围广泛，主要用来给机械制冷的冷凝器提供较低温度的冷却气流。一般而言，环境温度高于29.4℃，在其他条件一定时，冷凝温度每降低1℃，机械制冷COP提高3%左右，机械制冷能耗约降低3%[19]。目前，采用该技术形式的设备逐渐增多，除了空调机组方面，该技术对冷水机组的优化改进也起到了积极的促进作用。

（3）蒸发冷凝技术

图3 蒸发冷凝技术原理图

蒸发冷凝将直接蒸发冷却与风冷式冷凝器融合为一体，从广义上说，属于直接蒸发冷却与冷凝器的结合，实现了冷凝器蒸发冷冷却方式。近年来，该形式在地铁等领域得到了一定的应用，效果良好。采用类似技术的冷水机组也越来越多，并逐渐成为一种专业技术发展趋势。从2017中国制冷展就可以看到不少类似的实际产品，如双冷源空调冷水机组、一体式双冷源高效冷水机组、板管蒸发冷却式涡旋冷水机组以及磁悬浮蒸发自然冷机组等设备。

2.2 间接蒸发冷却+机械制冷空调机组技术形式

（1）间接蒸发冷却+低温表冷器（IEC+CC）技术

图4 间接蒸发冷却与低温表冷器相结合技术原理图

该技术将间接蒸发冷却与低温表冷器相结合，主要实现两者的协同运行，通过间接蒸发冷却的预冷作用，减少机械制冷所需承担的负荷，而该形式中间接蒸发冷却的二次排风的散失造成了一定的能量浪费。

（2）间接蒸发冷却+蒸发器-冷凝器（IEC+DX）技术

图5 间接蒸发冷却与蒸发器-冷凝器相结合技术原理图

该技术在（1）的基础上，除了实现两者的协同运行以外，对间接蒸发冷却的二次排风加以利用，提高了间接蒸发冷却能量使用效率和整机的能效比[20]。

2.3 间接-直接蒸发冷却+机械制冷空调机组技术形式

（1）间接-直接蒸发冷却+表冷器（IDEC+CC）技术

图6 间接-直接蒸发冷却与表冷器相结合技术原理图

在间接蒸发冷却与低温表冷器结合的基础上，增加直接蒸发冷却段，满足多种实际需要，实现DEC、IDEC以及IEC+CC三种工作模式，拓宽了蒸发冷却通风空调技术应用范围，通过蒸发冷却与机械制冷之间的协同、切换运行，提高系统全年节能性。在实际工程中，也可适当考虑对二次空气加以使用，实现能量梯级化。

（2）间接-直接蒸发冷却+蒸发器/冷凝器（IDEC+DX）技术

图7 间接-直接蒸发冷却与蒸发器-冷凝器相结合技术原理图

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

与技术（1）不同，该技术将双冷源内置，并与空气处理设备一体化，满足多种功能需要，通过蒸发冷却与机械制冷之间的协同耦合，实现节能效益。该技术通过间接蒸发冷却的预冷作用，为机械制冷节省能耗，同时利用间接蒸发冷却二次排风为机械制冷冷凝器降温，可有效提高间接蒸发冷却能量使用效率和整机能效比。

2.4 蒸发冷却与机械制冷协同耦合空调机组中蒸发冷却技术形式总结

在上述技术形式中，直接蒸发冷却主要采用填料式和喷雾式。由于喷雾式对水质和喷水压力要求较高，使用中易堵塞，因此，一般建议采用填料式，且能对被处理空气实现一定的过滤和净化作用。

间接蒸发冷却可采用卧管式、立管式、板管式以及露点式等形式，二次空气流道可采用淋水或喷雾方式，相比而言，通常采用淋水式。对于间接蒸发冷却，采用管式、板管式为特征的换热芯体时，在冬季可将间接蒸发冷却器作为热回收装置，实现热回收功能；采用露点间接蒸发冷却芯体时，可实现更好的预冷能力和节能潜力，而该类芯体空气流道较为狭窄，应用中防堵能力有待提高，当下间接蒸发冷却器应用较多的形式为管式，此外，具有板与管复合结构的板管式间接蒸发冷却器也正得到更多的使用。总之，对于该类间接蒸发冷却技术，在一定环境条件下，二、一次空气风量比和水气比是影响冷却效率的核心参数。此外，对流换热系数、水膜的均匀性等因素对换热效率也有很大影响。

3 应用探讨

3.1 工作模式的选择

图8 不同运行模式在蒸发冷却空调气象分区图上的划分

表1 不同运行模式的划分

以表2中数据为例，由焓值计算公式，得出不同模式对应湿球温度和含湿量，以便在实际操作控制时，确定相关的临界状态参数。

表2 相关设计与计算参数

续表3 不同模式对应湿球温度与含湿量范围

寒冷时段，h＜h，d＜d，采用一次回风最小新风比，确定h，进而确定空气处理过程，采取新、回风直接混合或者新风先预热后与回风混合，机组直接蒸发冷却段实现加湿功能，机械制冷循环由四通换向阀切换为热泵循环进行制热。

3.2 间接蒸发冷却二次空气的选择

间接蒸发冷却效率公式如下：

从上述公式可以看出，在其他条件一定时，二次空气的湿球温度决定了间接蒸发冷却效率，随着二次空气湿球温度的降低，间接蒸发冷却效率逐渐提高。

图9 不同室外空气状态与室内空气状态在焓湿图上的分布

如图9所示，当室外空气状态点位于W2，此时，室内空气的湿球温度低于室外空气的露点温度2，若采用室内回风作为二次空气，室外新风作为一次空气，则在一次空气流道内可能发生除湿现象，有关研究也证实了这样的事实。因此，针对该情况，建议优先采用室内回风作为间接蒸发冷却的二次空气。当室外空气状态点处于W1，一次空气依然为室外新风，室外空气的湿球温度t1低于室内空气湿球温度t，此时，相比室内空气而言，应采用室外新风作为间接蒸发冷却的二次空气。

3.3 运行时间分配与节能性探讨

（1）采用直接蒸发冷却为机械制冷冷凝器散热的节能性

如图10所示，为5个典型城市夏季采用直接蒸发冷却为风冷式冷凝器降温的节能性。

图10 夏季采用直接蒸发冷却为冷凝器散热的节能性

由图10可以看出，从干燥地区到潮湿地区，随着湿度的增加，采用直接蒸发冷却为冷凝器降温的节能率逐渐降低，而可使用的时间呈增加趋势，且在中等至高湿度地区显著增加。尽管在南京、长沙这样的潮湿地区，夏季采用直接蒸发冷却依然可将室外空气温度降低5℃左右，从而有效降低机械制冷冷凝温度和压力，提高机械制冷能效。综上，夏季采用直接蒸发冷却为冷凝器散热具有普遍的节能性，节能量受环境湿度和使用时长的共同影响。

（2）一定工况下，间接蒸发冷却可承担的冷量比例随效率的变化与节能性

在表4基本条件a前提下，结合5-9月份逐时气象参数，对不同效率间接蒸发冷却可承担的冷量和比例进行统计。

表4 基本条件a

从图11可以看出，在给定条件下，随着间接蒸发冷却效率的提高，机械制冷所需承担的冷量逐渐减少。当效率为50%时，间接蒸发冷却可承担约一半的冷量；当效率提高到80%时，机械制冷所需承担的冷量减少到20%。而现有的间接蒸发冷却器效率一般为65%左右，可承担约60%的负荷，节能可观，今后随着技术的发展，间接蒸发冷却将发挥更大的潜力。

图11 给定条件下，冷量比例随湿球效率的变化关系

（3）一定效率间接蒸发冷却可承担的冷量比例随工况的变化与节能性

表5 基本条件b

图12 给定条件下，冷量比例随工况的变化关系

在表5基本条件b前提下，结合5-9月份逐时气象参数，对一定效率间接蒸发冷却在不同地区可承担的冷量和比例进行统计。

从图12可以看出，在给定条件下，从干燥地区到潮湿地区，随着湿度的增加，机械制冷所需承担的冷量逐渐增加。在干燥地区，夏季采用间接蒸发冷却可承担约40%的冷量；在中等湿度地区，该比例约为25%，而在高湿度地区，该比例约为15%。故对于不同气候区，夏季仅采用蒸发冷却难以满足要求时，均可采用间接蒸发冷却与机械制冷相结合，尽管在高湿度地区的夏季，采用间接蒸发冷却也可为机械制冷减少约15%的冷量，在此基础上，若对间接蒸发冷却的二次排风加以利用，可进一步降低机械制冷能耗约10%[20]。

4 相关工程案例

所述工程未改变原有空调系统送排风管道，在原有机组前部增加了管式间接蒸发冷却段，并将原空气处理机组中的加湿器改成了更高效的直接蒸发冷却段。

测试表明：改造后机组在中等湿度地区数据中心夏季采用间接蒸发冷却对新风进行预冷，可有效降低机械制冷能耗；过渡季节采用蒸发冷却全新风方式；冬季采用直接蒸发冷却进行加湿过滤，能满足数据中心温湿度与洁净度要求。经节能改造，机组每年可为用户节省电费约18万元[14,15]，约减少二氧化碳排放量163吨/年。

图13 西安某数据机房用改造后的复合空调机组

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

5 结论

（1）蒸发冷却与机械制冷协同耦合空调技术，充分利用可再生能源“干空气能”，实现双冷源优势互补，可采用分散式或集成的一体化等形式，应用灵活，适用范围广泛。

（2）在干燥地区，采用蒸发冷却基本可满足全年要求，几乎不需要开启机械制冷辅助；随着湿度的增加，所需开启机械制冷时间会有所升高，而在中等湿度地区夏季，单级间接蒸发冷却即可承担30%的负荷，在高湿度地区夏季该比例依然可以达到20%左右，全年节能约达到40%-80%。

（3）蒸发冷却与机械制冷协同耦合空调技术已在国外数据中心等领域得到良好的应用，在我国的推广与发展也在逐步加快。我国幅员辽阔，全国气候差异大，复合空调技术可因地制宜、因时制宜，节能效果显著。随着国家节能减排政策的深入，在“一带一路”背景下，复合节能空调技术将迎来良好的发展机遇。

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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”国家重点研发计划项目课题（编号：2016YFC0700407）；西安工程大学研究生创新基金资助项目（编号：CX2017023）

杨立然（1992.10-），男，在读硕士研究生，E-mail：yangliran1101@126.com

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

2017-10-09