蒸发冷却预冷式复合空调系统在热带潮湿环境下的性能

崔 鑫,张思聪,闫伟超,金立文,孟祥兆

(西安交通大学 人居环境与建筑工程学院,陕西 西安 710049)

0 引 言

间接蒸发冷却器通常可采用板式湿表面换热器形式[1],产出空气在交替的通道中流动并利用冷却的湿侧(工作空气)作为其冷源[2]。间接蒸发式换热器(IEHX)最适用于炎热干旱地区[3],因为它通过水的蒸发来降低空气温度[4]。利用干燥气候条件下的干空气，能使蒸发冷却技术在“一带一路”沿线国家具有良好的适用性[5]。另外,蒸发冷却技术在数据中心[6]、医院、工厂等场所有着广泛的应用前景[7]。然而,在炎热潮湿的气候条件下,单个间接蒸发冷却装置通常不足以提供舒适的建筑室内热湿环境[8]。

本文提出的复合式蒸发预冷空调系统,在传统的机械蒸汽压缩机组之前,采用间接蒸发换热器作为预冷装置。与热带地区的外界潮湿空气相比,建筑物的排气温度通常较低[9]。如果在间接蒸发式换热器中利用排气作为工作空气预冷外界的潮湿空气,当板温低于露点温度时,室外空气可能会在产出空气通道中冷凝[10]。由于空气在干侧产品通道中可能发生冷凝[11],所以在间接蒸发式换热器中会发生更为复杂的空气处理过程[12]。此外,通过预冷过程,这种复合式空调系统将具有很大的节能潜力。当前的工作旨在进一步扩大蒸发冷却技术在热带潮湿地区的应用范围，通过建立间接蒸发式换热器以及冷却盘管的数值模型来研究其空气处理性能。

1 研究方法

图 1 复合式蒸发预冷空调系统的原理图Fig.1 Schematic diagram of the hybrid evaporative cooling air-conditioning system

在间接蒸发换热器中,假设湿空气是稳态且不可压缩的,则气流的控制方程为

(1)

(2)

(3)

(4)

空气入口边界条件：

ua=ua,in,va=0,Ta=Ta,in,ca=ca,in

(5)

空气出口边界条件：

(6)

式中：ua为空气在x轴方向流速，m/s；va为空气在y轴方向流速，m/s;ρa为空气密度，kg/m3；p为压强，kPa;Ta为空气温度，℃;ca为空气中水蒸气浓度，mol/m3。

在水膜表面的交界面条件下

(7)

式中:kw为水的导热系数，W/(m·℃)；MH2O为水分子的摩尔质量，kg/mol；Da为扩散系数，m2/s；Hfg为水蒸发潜热，kJ/kg。

本文通过利用COMSOL Multiphysics软件构建间接蒸发冷却换热过程的控制方程和边界条件。

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在预冷的间接蒸发换热器处理之后，再通过传统空气处理机组中的冷却盘管进一步调节空气的送风状态点。冷却盘管的计算域以及网格划分采用“row-by-row”方法[11]。

冷冻水和空气的总传热量为

ΔQ(i,j)=mwcpw(Tw(i,j+1)-Tw(i,j))

(8)

式中：Q为换热量，kW；mw为冷冻水流速，kg/s；cpw为水的比热容，kJ/(kg·℃)。

ΔQ(i,j)=ma(ia(i,j)-ia(i+1,j))

(9)

式中:ma为空气流速，kg/s；ia为空气的焓，kJ/kg。

考虑对流传热,可以得到

ΔQ(i,j)=hiΔAi(Ts,m(i,j+1)-Tw,m(i,j))

(10)

式中：hi为管内侧对流换热系数，kW/( m2·℃)；Ai为内侧面积，m2。

ΔQ(i,j)=hoΔAoηs(Ta,m(i,j)-Ts,m(i,j))+

hfghmΔAoηs(ωa,m(i,j)-ωa,m(i,j))

(11)

式中:ho为管外侧对流换热系数，kW/( m2·℃)；Ao为外侧面积，m2；ω为含湿量，kg/kg。

下一个网格的水/空气温度的计算如下:

(12)

(13)

基于以上数学模型，本文利用MATLAB开展了针对冷却盘管的模拟计算。

2 结果与分析

利用计算模型,在热湿气候条件下,研究针对间接蒸发换热器和冷却盘管的性能。

2.1 数学模型验证

首先,利用文献[13]获得的间接蒸发换热器的实验数据验证该数学模型。在模拟中重现了文献[13]的实验条件。图2将模拟计算的出口空气温度与实验数据进行比较。从图2可以看出,该数值模型能够准确预测,最大误差约为5%。

其次,利用从文献[14]中获得的实验结果来验证冷却盘管的数学模型。数学模型计算得到的出口空气温度与实验数据[14]进行比较验证,结果如表1所示。从表1可以看出,该模型可以很好地预测冷却盘管的性能,最大误差在±9.2%之内。

(b) 进气流速为6 L/s图 2 模拟结果与逆流回复型间接蒸发换热器的实验数据比较Fig.2 Comparison between the simulationresults and the experimental data ofa counter-flow regenerative IEHX

测试序号盘管排数进气温度/℃进气相对湿度/%质量流量/(kg·s-1)出口空气温度/℃实验模拟1四排28.6855.601.1617.4417.58 2四排25.9970.221.2017.1716.91 3四排25.9954.131.2015.2715.38 5八排23.9470.801.1313.2414.46 4八排24.5955.021.2715.8316.43 5八排27.2951.191.0413.4714.23

2.2 预冷却的空气处理状态分布

针对预冷却的间接蒸发式换热器,研究流动通道方向的空气处理状态。计算参数假定入口空气是室外潮湿空气(干球温度为35 ℃,相对湿度为80%);工作空气采用室内排风,其干球温度为25 ℃,相对湿度为50%。

产出空气通道中的空气温度和含湿量分布可通过模拟计算得出，如图3所示。可以看出,产出空气和板的温度沿空气流动方向降低。当换热板温度高于露点温度时,仅发生显热冷却；当板交界面温度低于露点温度时,界面含湿量随着板温度的降低而降低。因此，产出空气沿产品通道可达到除湿的效果。

2.3 预冷却过程对冷冻水供水温度的影响

图4显示了计算得出的产出空气通过间接蒸发换热器后温度和含湿量的变化。在某一恒定相对湿度条件下,随着入口空气温度的升高,产出空气的温度改变量和含湿量改变量都有所增加。产出空气含湿量的改变量可以表明其潜热制冷能力。从图4还可以推断出,间接蒸发冷却预冷装置可以降低空气温度并且使空气中的水分冷凝。

图 3 预冷间接蒸发换热器中的空气温度和含湿量分布Fig.3 Temperature and humidity ratio profilesin the pre-cooling IEHX

(a) 空气温度变化量

(b) 空气含湿量变化量图图 4 间接蒸发换热器的预冷性能Fig.4 Pre-cooling performance of the IEHX

图5展示了复合式蒸发预冷空调系统的空气处理过程示例。在焓湿图上,点O表示所选择的室外空气状态(T=33 ℃,RH=80%),点R表示假定的室内空气状态(T=24 ℃,RH=60%)。

由图5可以看出,室外新风(O)和室内排风 (R) 首先由间接蒸发换热器处理, 产品空气被冷却和除湿,即其状态由点O到点P;室内排风在湿通道中吸收热量和水蒸气,从而导致其最终状态为点W。 之后, 产品空气和室内回风混合至点N。 此外, 由于复合系统的送风状态为点S, 与传统的空气处理机组相比, 该系统能够将冷冻水供应温度增加到10 ℃。

图 5 混合式蒸发预冷空调系统的空气处理过程

Fig.5 Description of the air treatment conditions for the hybrid air-conditioning system

图6显示了冷冻水供应温度与冷水机组COP之间的相关性[9]。从图6可以看出,提高冷冻水供应温度能够提高冷水机组的效率[15]。通过将供水温度从7 ℃增加到13 ℃,平均能效比COP将从3.6增加到4.42。因此,由于冷水机组性能的提高,从而可以进一步降低能耗。

图 6 冷冻水供应温度对冷水机组COP的影响

3 结 语

本文提出了一种复合式间接蒸发冷却预冷空调系统。通过建立数值模型,研究该间接蒸发换热器在利用室内排风作为工作空气工况下的传热传质性能。计算得出了预冷却间接蒸发换热器中的空气温度和含湿量的分布特性。在热带潮湿地区，预冷却间接蒸发冷却器中的工作空气(室内排风)有可能低于室外新风(产出空气)的露点温度，因此产出空气存在冷凝过程。当换热板界面温度低于环境空气露点温度时，产出空气的温度、湿度均呈现下降趋势。此外,该复合系统能够通过降低蒸汽压缩机组的冷负荷，从而实现节能效果。