间接—直接蒸发冷却复合冷水机组的理论分析与应用研究

郭志成 黄 翔 严锦程



间接—直接蒸发冷却复合冷水机组的理论分析与应用研究

郭志成 黄 翔 严锦程

（西安工程大学城市规划与市政工程学院 西安 710048）

完善了间接-直接蒸发冷却复合冷水机组制取温度等于环境空气亚湿球温度的冷水的原理及关键影响因素，并通过实验研究得出：高品位干空气能更容易制取温度逼近环境空气露点温度的冷水。提出了不同形式的机组进行分类的依据，对比分析了目前实际工程中应用较广、技术较成熟的几种典型类型的机组各自的特点和适用性。根据不同的条件，正确选用冷水机组的类型，能使系统运行的可靠性、稳定性及整体能效提高，从而使其节能效益最大化。

间接—直接蒸发冷却复合冷水机组；外冷式间接蒸发冷却器；内冷式间接蒸发冷却器；干空气能品位；亚湿球温度

0 引言

蒸发冷却技术是以可再生自然冷源“干空气能”为制冷驱动能源，以水作为制冷剂，利用大气环境中空气的不饱性，通过水分蒸发吸热进行制冷的技术，是一种绿色、健康、节能、经济且能够可持续发展的制冷方式。利用蒸发冷却技术可以制取冷风、冷水，而间接—直接蒸发冷却复合冷水机组的研发及实际应用，进一步增加了蒸发冷却技术的节能潜力和应用领域[1]。

将蒸发冷却技术运用到温湿度独立控制空调系统中，即蒸发冷却温湿度独立控制空调系统能够充分与“一带一路”大部分沿线国家并不富裕的经济水平和干燥炎热的气候条件相结合。用蒸发冷却冷水机组制取的高温冷水来处理显热负荷，把室外自然条件下天然的“干空气”直接引进室内或经过蒸发冷却空气处理机组处理后引进室内承担潜热负荷和部分显热负荷。在实际使用过程中，高温冷源设备——蒸发冷却冷水机组出水温度较高（一般最低为环境空气湿球温度）、供冷不稳定性较明显，造成“干空气能”能源利用率低、室内显热末端初投资大、在一些要求恒温恒湿工况的场所下应用受限等问题。而间接—直接蒸发冷却复合冷水机组能够制取出温度等于环境空气亚湿球温度的冷水，出水温度相对降低，并且由于间接蒸发冷却功能段的加入，在一些不利工况下出水温度有所保障，提高了供冷的稳定性，从而能够很好的解决上述问 题[2-8]。

本文结合工程的应用和测试情况，以间接—直接蒸发冷却复合冷水机组为核心，更全面的完善其制取温度等于环境空气亚湿球温度冷水的原理及关键影响因素、提出科学合理的分类依据、对比分析了目前实际工程中应用较广、技术较成熟的几种典型类型的机组各自的特点和适用性，从而进一步使间接—直接蒸发冷却复合冷水机组标准化，增加其节能潜力和应用领域。

1 原理及关键影响因素

1.1 原理

间接—直接蒸发冷却复合冷水机组制取冷水时，其空气、水在焓湿图中的处理过程如图1所示，原理：状态1的环境空气首先经过间接蒸发冷却功能段实现一级或多级等湿冷却空气处理过程（蒸发冷却制冷驱动势有限，一般最多为两级），由状态1处理到状态2；状态2的空气进入填料塔雨区与状态2的淋水逆流传热传质，由于实际工况下，热质交换并不完全100%充分进行，所以状态2的淋水在状态2的等焓线上侧，状态2的空气实现增焓降温加湿处理到状态3；状态3的空气再进入填料与状态1的淋水逆流传热传质（质交换为主导），由于状态1的淋水的温度和含湿量均大于状态3的空气的温度和含湿量，所以热交换和质交换的方向都是淋水到空气，同时空气流程需要填料塔上方的排风机提供动力，会受到风机温升和太阳辐射的影响，最终，状态3的空气增焓升温加湿处理到状态4排出机组[9,10]。

图1 空气、水处理过程焓湿图

综上所述，状态2的冷水为机组最终制取的冷水，其温度介于状态1的环境空气的湿球温度和露点温度之间，为亚湿球温度。至于出水温度具体比状态1的环境空气的湿球温度低多少，或者说比状态1的环境空气的露点温度高多少这个问题，之前通过一些工程测试也有所研究，但理论分析不够完善[11]。通过工程的应用和测试情况，本文将全面分析其关键影响因素。

1.2 关键影响因素

间接—直接蒸发冷却复合冷水机组的核心：引入间接蒸发冷却功能段使其降低进入填料塔空气的湿球温度，从而加大填料塔内质交换的不平衡势，使机组制取的亚湿球温度的冷水温度尽可能逼近环境空气露点温度。但这一冷水制取过程，还受干空气能品位高低、间接蒸发冷却功能段和填料塔相关参数的影响，因此，提出以下四个问题：

（1）干空气能品位高低如何直接影响出水温度？

（2）对进入填料塔的空气有何要求？

（3）对填料性能有何要求？

（4）如何选择间接蒸发冷却功能段中间接蒸发冷却器的类型？

1.2.1 干空气能品位越高越易制取亚湿球温度的冷水

以往，人们对间接—直接蒸发冷却复合冷水机组有两个不合理的理解：

（1）机组出水温度始终能够低于环境空气的湿球温度（即亚湿球温度）；

（2）只要环境空气干球温度与湿球温度差值越大，制冷驱动势就越大。

间接—直接蒸发冷却复合冷水机组的出水温度不一定始终能够低于环境空气的湿球温度（即亚湿球温度），能否达到亚湿球温度不只与环境空气的干湿球温差有关，而关键取决于环境空气干空气能的品位，品位越高越易制取出亚湿球温度的冷水，即出水温度越易逼近环境空气露点温度。笔者在新疆乌鲁木齐市对一写字楼用蒸发冷却温湿度独立控制空调系统中的高温冷源设备——间接—直接蒸发冷却复合冷水机组在环境干空气能位于高品位区间和低品位区间分别进行了测试。

图2 干空气能位于高品位区间时环境参数和机组出水温度

图3 干空气能位于低品位区间时环境参数和机组出水温度

由图2可知：该机组在高品位干空气能工况下测试时，环境空气干球温度在32.4～33.1 ℃之间，平均温度为32.8 ℃；湿球温度在15.8～16.1 ℃之间，平均温度为16 ℃；出水温度在13.5～13.9 ℃之间，平均温度为13.7 ℃。由图3可知：该机组在低品位干空气能工况下测试时，环境空气干球温度在28.9～30.1 ℃之间，平均温度为29.2 ℃；湿球温度在13.7～14.4 ℃之间，平均温度为14 ℃；出水温度在12.9～13.2 ℃之间，平均温度为13 ℃。

图4 干空气能位于高、低品位区间时各自环境空气湿球温度与出水温度差值

图5 干空气能位于高、低品位区间时各自环境空气干湿球温差

由图4和图5可知：干空气能位于高品位区间时，环境空气干湿球温差在16.6～17.1 ℃之间，平均温差为16.9 ℃；机组出水温度与环境湿球温度差值在2.1～2.6 ℃之间，平均温度差值为2.3 ℃。干空气能位于低品位区间时，环境空气干湿球温差在15.0～15.8 ℃之间，平均温差为15.2 ℃；机组出水温度与环境湿球温度差值在0.7～1.4 ℃之间，平均温度差值为1 ℃。

综上所述：两种工况下环境空气干湿球温差相差不大，但是机组出水温度与环境空气湿球温度的差值却不同，前者符合之前实验研究结论“冷幅深为2～3 ℃”[11]，但后者冷幅深平均为1 ℃，并且两种工况下机组出水温度都为13.5 ℃左右。这就说明，虽然当环境干空气能位于高品位区间时，更容易制取出温度逼近环境空气露点温度的冷水，但一般情况下干空气能低品位区间出现在过渡季节，这时环境空气湿球温度本来就低于干空气能位于高品位区间时环境空气的湿球温度，这时我们不需要使出水温度太过低于其湿球温度也是满足供冷要求的。

1.2.2 对进入填料塔空气“质”和“量”两方面的要求

从原理的分析中得出，进入填料塔填料内的空气要和填料上方淋水发生逆流传热传质（质交换为主导），从而制取出冷水，因此传热传质的不平衡势越大，热质交换效果越理想，这就需要温差和含湿量差要足够大，通常淋水的温度和流量一般为定值（具体实际工程中），而进入填料塔的空气的干球温度和湿球温度是可以通过间接蒸发冷却功能段来降低，风量和风速可以通过填料塔上方风机和填料进风断面面积来调节。

因此，“质”的要求是两方面：

（1）进入填料塔的空气的干球温度越低越好；

（2）进入填料塔的空气的湿球温度越低越好。

“量”的要求也是两方面：

（1）进入填料塔的空气的量要满足机组最佳气水比的要求，其定义式如下：

式中：为气水比；Q为进入填料塔的空气的体积流量，m3/h；Q为进入填料塔的淋水的体积流量，m3/h。

最佳气水比对机组出水温度的影响的相关研究，团队之前已经结合实际工程做过相应的实验研究，本文不再赘述[12]。需要强调的是，对进入填料塔的空气“质”和“量”两方面的要求是相辅相成，缺一不可的。

（2）对进入填料塔的空气流入填料过流断面时的风速的要求，其定义式如下：

式中：υ为填料塔过流断面风速，m/s；Q为进入填料塔的空气的体积流量，m3/h；S为填料塔进风最大截面积，m2。

过流断面风速过大或过小都不利于填料内热质交换的充分进行，风速过大时，工作空气与淋水的接触时间减少，使热质交换过程还没有充分进行，工作空气就已经被排走，甚至吹散填料表面的水膜，填料表面出现“干斑”，使蒸发冷却变为风冷的效果，还会增加阻力，使运行费用增加；风速过小时，工作空气与淋水的接触时间过多，使不平衡势已经达到饱和的工作空气来不及排走，从而也不利于热质交换的充分进行。因此要充分进行理论分析和大量的实验研究选择一个合适的过流断面风速。

1.2.3 对填料塔填料比表面积的要求

当进入填料塔的空气“质”和“量”两方面都满足要求时，这部分空气和淋水是在填料内发生热质交换，对填料塔的填料而言，其比表面积是影响其性能的关键因素。填料比表面积的定义是：单位体积（或单位质量）的填料所具有的表面积，其定义式如下：

式中：为填料比表面积，m-1；为填料表面积，m2；为填料体积，m³。

物理意义是：填料的比表面积越大，气液接触面积越大，气液分布越均匀，填料表面的润湿性能越好，有利于热质交换过程充分进行。

1.2.4 间接蒸发冷却器的选择应与机组应用形式相对应

目前，国外尚无间接—直接蒸发冷却复合冷水机组的实际工程，而国内的实际工程已有很多，主要是应用于西北干燥炎热地区的舒适性空调系统中，作为高温冷源设备，应用场所一般是写字楼、高铁站、机场航站楼等。而在工艺性空调系统中的应用相对较少，但在一些恒温恒湿的生产车间和数据中心中已有应用。

舒适性空调系统相比工艺性空调系统，对室内参数的稳定性要求较高，因此也要采用不同形式间接—直接蒸发冷却复合冷水机组来供冷，那么配置什么类型的间接蒸发冷却器是关键，它将影响进入填料塔的空气的湿球温度和风量。

2 分类依据

间接—直接蒸发冷却复合冷水机组由间接蒸发冷却功能段和直接蒸发冷却功能段组成，前者主要由不同类型的间接蒸发冷却器组成，处理进入直接蒸发冷却功能段的空气，而这些间接蒸发冷却器有的需要外冷源，属于外冷式，最常用的是表冷器，而有的是不需要外冷源，属于内冷式，常见的有：板翅式、卧管式、立管式、板管式、露点式间接蒸发冷却器；后者由填料塔组成，用于制取冷水，一般采用PVC材质的填料。以往的分类方式较为笼统，通常以间接蒸发冷却功能段有几个间接蒸发冷却器，就分为一级、二级或多级间接—直接蒸发冷却复合冷水机组。但是，间接蒸发冷却器有外冷式和内冷式之分，他们二者的制冷原理以及风系统、水系统的工作流程是不一样的，因此将他们混为一谈显然是不科学合理的。因此，本文提出分类的依据应体现以下两点：

（1）机组所采用的间接蒸发冷却器是外冷式还是内冷式以及各自所采用的级数；

（2）淋水温度与出水温度的差值是大温差型（10 ℃左右）还是小温差型（5 ℃左右）。

即可以用以下通用格式表达：

{（1）（2）间接—直接蒸发冷却复合冷水机组}

3 对比分析

图6所示的是目前实际工程中应用较广、技术较成熟的四种类型的间接—直蒸发冷却复合冷水机组的原理图。下面从间接蒸发冷却器和供冷流程两方面分析他们各自的特点和适用性。

（a）单级外冷式小温差型间接—直接蒸发冷却复合冷水机组原理图

（b）单级内冷式小温差型间接—直接蒸发冷却复合冷水机组原理图

（c）双级内冷式小温差型间接—直接蒸发冷却复合冷水机组原理图

（d）双级混合式大温差型间接—直接蒸发冷却复合冷水机组原理图

图6 间接—直接蒸发冷却复合冷水机组原理图

Fig.6 Schematic diagram of indirect—direct evaporative composite water chiller

1-空调末端；2-外冷式间接蒸发冷却器；3-内冷式间接蒸发冷却器；4-填料塔

（1）就间接蒸发冷却器的形式而言，内冷式间接蒸发冷却器依据蒸发冷却的原理处理进入填料塔的空气，不需要额外冷源，制冷效果比风冷原理处理空气时要好，但间接蒸发冷却功能段需要配置风机和水泵，增加了机组整体功率，初投资和运行能耗较高；而外冷式间接蒸发冷却器（表冷器）是依据风冷原理处理进入填料塔的空气，不需要配置风机和水泵，相比前者，降低了能耗，但也消耗了机组自身制取的冷水，用于处理进入填料塔的空气。例如图6所示的（c）双级内冷式小温差型间接—直接蒸发冷却复合冷水机组在一定的环境工况下出水温度最低，但机组功率值也高，用于工艺性空调系统中较为合适。

（2）就供冷流程而言，一般有以下三种：①冷水机组制取的冷水一部分供给空调末端，另一部分供给冷水机组外冷式间接蒸发冷却器（表冷器）用于冷却进入填料塔的空气，最终空调末端和表冷器两路回水混合后作为填料塔喷淋水[13,14]，例如图6所示的（a）单级外冷式小温差型间接—直接蒸发冷却复合冷水机组在一定工况下，机组整体功率较小，但机组管路相对复杂；②冷水机组制取的冷水仅供给空调末端，之后空调末端的回水流入填料塔喷淋，例如图6所示的（b）单级内冷式小温差型间接—直接蒸发冷却复合冷水机组，系统管路简单，这两种类型机组用于舒适性空调系统中较为合适；③冷水机组制取的冷水先供给空调末端，之后空调末端回水流入冷水机组外冷式间接蒸发冷却器（表冷器）用于冷却进入填料塔的空气，最后流入填料塔布水系统喷淋，例如图6所示的（d）双级混合式大温差型间接—直接蒸发冷却复合冷水机组，大温差串联型的供冷流程实现了能量的梯级利用，而第二级内冷式间接蒸发冷却器可以根据实际情况选择是否开启，若开启，可以再次降低进入填料塔空气的湿球温度，但能耗相对增加，相比其他三种，优越性在于能够根据室外气象条件和室内负荷的变化，来调节出水温度，既提高了系统运行灵活性，又增加了系统整体的节能潜力，也是目前应用前景最为广泛的一种机型。

4 结语

从上述完善的理论分析和对典型类型的机组应用情况的研究可知：在实际工程应用中，我们应该充分考虑室外气象条件的差异、建筑物使用功能的不同等因素，选择合理的机组类型，配置到蒸发冷却温湿度独立控制空调系统中，这样不仅可以大大提高系统运行灵活性、可靠性和稳定性，而且可以使其节能效益最大化。这种空调方式采用可再生自然冷源干空气能实现100%自然冷却，毋庸置疑是“一带一路”沿线国家在可持续发展道路中解决能源瓶颈的有效途径之一。

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Theoretical Analysis and Application Research of Indirect-Direct Evaporative Composite Water Chiller

Guo Zhicheng Huang Xiang Yan Jincheng

( College of urban planning and municipal engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048 )

The principle and key influencing factors of cold water produced by indirect-direct evaporative composite water chiller unit to produce temperature equal to environmental air sub-wet bulb temperature were perfected, and analyzed through the experimental study: high grade dry air energy can make cold water more easily to approach the dew-point temperature of ambient air. The basis for classification of different types of units was put forward, and the characteristics and applicability of several typical types of units which are widely used and mature in the actual engineering are compared and analyzed. According to the different conditions, the correct selection of chillers can improve the reliability, stability and overall energy efficiency of the system, thus maximizing the energy-saving benefits.

indirect-direct evaporative composite water chiller; external cooling indirect evaporative cooler; internal cooling indirect evaporative cooler; dry air energy grade; sub-wet bulb temperature

1671-6612（2018）04-359-06

TU83

A

“十三五”国家重点研发计划项目课题（编号：2016YFC0700404）

郭志成（1994.02-），男，在读硕士研究生，E-mail：zhi_chengguo0223@163.com

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

2017-11-13