天津地区间接蒸发冷却能量回收系统能效的试验研究

马千里，郭春梅，郭式伟，李胜英，陈 通，卞晨航

（1.天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384；2.天津中怡建筑规划设计有限公司，天津 300193；3.天津住宅科学研究院，天津 300450）

关键字：间接蒸发冷却；能量回收；新风预冷；能效

0 引言

直接蒸发冷却（DEC）空调技术以干空气能和水为冷源，清洁节能，却受到使用地区气候条件的限制，在高温干燥地区应用广泛。间接蒸发冷却能量回收（ERIEC）系统将一次风（新风）与经过喷淋的二次风（空调排风或回风）通过换热器进行间接换热，传热传质的驱动力是二次风的干湿球温度差，当壁面温度低于新风的露点温度时，发生凝结换热，可以实现新风降温除湿的处理过程。

文献［1］系统阐述了蒸发冷却在不同气候区乃至我国不同省份的应用情况，并提出了DEC、IEC两者结合成多级蒸发冷却以及与机械压缩制冷组合成复合空调系统。DUAN等［2］的研究表明，新型露点冷却系统在欧洲和中国的大部分地区适用，但湿度太高的地区不适合。

MAHESHWARI等［3］采用一种分析模型并根据科威特沿岸和内陆的气象数据对IEC的节能效果进行评估，结果表明其冷却能力分别为8.4 kW和10.9 kW（仅需消耗1.11 kW的电量）。

HEIDARINEJAD 等［4］设计了一种 DEC、IEC与复合系统，测试了在伊朗地区不同气候条件下的运行效果。结果发现仅使用IEC系统，系统湿球效率在55%～61%之间，复合系统的湿球效率则能够达到108%～111%、耗电量较传统蒸汽压缩式制冷系统降低了60%。DELFANI等［5］研究了伊朗4个典型城市的IEC对传统机械蒸汽压缩制冷的预冷效果，可承担约75%的总冷负荷，节约电约55%。

JIANG等［6］研究了新开发的IEC在世界不同地区的设计气象数据下的适用性，结果表明这一技术适用于干燥地区。

采用相同规格的传统机械压缩制冷空调系统作为参照，NAVON等［7］采用全生命周期年等价成本法，研究表明在以色列地区居住建筑使用DEC、IEC复合制冷系统具有较好的经济效益和热舒适性。

CHEN等［8］提出一种考虑冷凝的简化模型，模拟了香港某生鲜超市IEC复合机械制冷空调系统的运行特性和节能效果，全年节能量的动态模拟结果同现场数据记录有很好的一致性，节能潜力较大并能降低峰值冷负荷。

李晗等针对ERIEC新风温湿度、风量以及风量比对二次侧空气参数和性能指标产生的影响进行了较为充分的研究［9-11］。文献［9］研究了不同冷凝状态下，新风温湿度和风量对二次侧空气参数的影响，结果显示冷凝条件下提高新风温度和相对湿度均可抑制二次空气温降、增加含湿量差，而新风风量对二次空气温湿度影响较小。文献［10］研究了新风风量在冷凝状态下对湿球效率、换热量等性能指标的影响，结果表明新风风量的增加会使冷凝区域减少；而新风风量的减少可以减少换热量，降低出口温度和耗水量，提高湿球效率。文献［11］研究发现，当二次侧与一次侧风量比的范围为0.44～0.8时，相同风量比的情况下，通过调节二次侧风量减小风量比，可以得到更低的一次侧出口温度、更高的湿球效率和更少的耗水量。

郑斌等［12］构建了一种二维传热传质分析解模型，并对不同新风状态下ERIEC系统的换热性能进行了试验测试。发现新风通道在高温潮湿环境下会出现凝结，凝结液膜会增加导热热阻，降低显热传热量，但系统总换热量将随凝结换热过程的增强而显著提高。

综上研究表明了IEC在高温干燥地区研究与应用的节能效果显著，在高温潮湿地区亦有很好的节能效果，然而在中等湿度地区研究与应用均极少。因此，本文以天津地区为例，对ERIEC应用在中等湿度地区的能效进行了试验研究。

1 气象特征分析

天津地区夏季空调使用时间主要集中在6～8月，而5月下旬和9月上旬也需要使用空调，因此选取5月16日～9月15日作为夏季空调应用范围。以上气象数据的分析是全天候的，而像办公建筑等使用时间主要是白天，故对5月16日～9月15日时间范围内8：00～18：00的气象数据作相应的对比分析。本文所用的气象数据，依据《建筑用标准气象数据手册》［13］。

8：00～18：00 的气象数据是全天的一部分，夜间没有太阳辐射温度较低，白天温度较高，由图1可以看出气象数据点分布较为紧凑。

图1 空调季气象参数分布散点Fig.1 Scatter diagram of meteorological parameters distribution in air conditioning season

从表1的空调季气象数据可看出，26 ℃以上的小时数占70%，而≤26 ℃的小时数中相对湿度＞60%的气象数据点又占了72.36%。对于温度＞26 ℃小时数，随着温度的升高，相应的小时数在减小，而相对湿度＞60%的小时数占比同样在减小。温度的变化受太阳辐射的影响，而相对湿度的变化，主要受温度波动的影响，一天中含湿量虽有变化，但是相对于温度的波动幅度不大，因此，随着温度的升高，含湿量在一定变化范围内，高相对湿度的气象参数点在减少。以上所述，刚好反映了空调季气象参数变化的特点。

表1 空调季气象数据分布范围Tab.1 Distribution range of meteorological data in air conditioning season

2 ERIEC系统适应性分区

将空调季的典型年逐时气象参数（温度和含湿量）绘制在焓湿图上，根据蒸发冷却室外气象五区分区模型，可得天津典型年夏季空调室外气象参数分区散点，如图2所示。Ⅰ区和Ⅱ区可以通过蒸发冷却空调满足建筑空调要求的气象数据点相对较少，落在Ⅳ区在满足特定的条件下可以单独应用蒸发冷却空调的气象数据点也只占很少比例；相当大一部分气象数据点落在不能单独使用蒸发冷却空调的Ⅲ区和Ⅴ区。

图2 天津典型年夏季空调室外气象参数分区散点Fig.2 Zoned scatter diagram of outdoor meteorological parameters of air conditioning in summers of typical years in Tianjin

除了上述提到的以焓值和含湿量两个参数作为分区指标的五区划分模型外，黄翔等［14］认为由于影响蒸发冷却的主要因素是室外湿球温度，提出以湿球温度作为单一指标进行划分。考虑到近年来全球变暖导致的气温升高，同时考虑到我国南北气候条件的差异及气象数据特点，因此对分区指标值做了2 ℃左右的修正，修正后的临界值为 20，23，28 ℃，4 区划分范围见表 2。

表2 设计分区划分Tab.2 Design zoning

天津夏季空调室外气象设计湿球温度twb=26.9 ℃，根据表2分区结果，可以得出天津落在设计三区，适应区。

基于上述分析可知，天津地区夏季湿度较高，空调系统应具有除湿功能。而对于蒸发冷却形式的选用，IEC回收夏季排风中的能量预冷新风比较适合。IEC又可以在夏初夏末空调负荷不大时独立负担空调负荷，以及在过渡季充当通风换气系统。

3 试验测试系统

该试验台由新风系统、排风系统、布水系统和循环水路4个部分组成，设置在密闭的空调房间中。IEC换热器一、二次侧入口空气均来自室内空气，经过换热之后也都直接排放至室内，利用恒温恒湿空调处理机组来维持试验房间的温湿度处于相对稳定的状态。ERIEC空调新风系统结构如图3所示。试验采用的是叉流板式间接蒸发换热器，其设计参数详见表3。

图3 ERIEC空调新风系统结构示意Fig.3 Schematic structural diagram of ERIEC air conditioning fresh air system

表3 间接蒸发冷却器设计参数Tab.3 Design parameters of indirect evaporative cooler

在换热器上方即二次侧通道出口处，均匀布置4个喷嘴，以便使喷淋水能够均匀喷洒到每个二次侧换热通道内并在换热壁面上形成喷淋水液膜，使得二次空气掠过时蒸发吸热降低二次壁面温度，强化与一次通道的换热。喷淋水嘴布置示意如图4所示。

图4 喷淋水嘴布置示意Fig 4 Schematic layout diagram of spray nozzle

相应的数据采集仪器仪表的安装位置、量程、精度如表4所示，采集的数据都汇总到安捷伦数据采集仪Keysight 34980A进行信号的转换。

表4 测量仪器及测量参数Tab.4 Measuring instrument and measuring parameters

4 试验误差分析

本试验过程中，直接测量参数如温度、相对湿度、流量等，其不确定性由仪器的误差决定。通过计算间接得到的参数误差则需要进行误差传递计算，本文根据文献［15］试验测试系统误差传递函数计算方法，通过得出各性能参数的相对误差如表5所示，其中潜热换热量的相对误差值最低，为±3.9%，总换热量和COP的相对误差值最高，为±6.7%；显然各相关性能参数的相对误差均处于±6.7%以内，试验测试精度满足要求。

表5 性能参数的相对误差Tab.5 Relative error of performance parameters

5 试验结果及分析

5.1 试验工况

在不同的室外气象参数条件下，系统运行效果也会不同。为了更好地分析干、湿工况下ERIEC系统的运行效果差异，以6月22日（工况1）和8月22日（工况2）作为典型天进行工况分析。

工况1最低温度25.6 ℃出现在8：00，最高温度35.4 ℃出现在16：00，相对湿度处于30%～60%之间；工况2最低温度23.3 ℃出现在8：00，最高温度32.3 ℃出现在16：00，相对湿度都在65%以上。2种工况下的试验的初始状态参数见表6。

表6 试验初始状态参数Tab.6 Experimental initial state parameters

5.2 试验结果及分析

图5示出了ERIEC系统在工况1全天运行的效果。空气温度在20～36 ℃之间，相对湿度在30%～80%之间，空气温度变化的趋势正好同相对湿度变化的趋势相反。ERIEC系统在1～7 h由于空气温度都低于26 ℃处于关闭状态，而8～24 h处于工作状态。在工作时间内，显热节能量的变化趋势与空气温度的变化趋势完全一致，16 h显热节能量最大为2.18 kW，24 h最小为1.01 kW，潜热节能量一直为0。ERIEC系统的总节能量与新风冷负荷的比值可以表明其可以承担新风冷负荷的比例。图6示出了ERIEC系统在工况1工作时新风预冷量占新风冷负荷之比与COP逐时情况。9：00新风预冷量负担的新风冷负荷最少，为63.28%，而当22：00～24：00新风冷负荷完全可以由 ERIEC 系统负担。24：00新风预冷量占冷负荷之比最大，为144.54%。当新风可以完全负担冷负荷时可以考虑加大新风量送风，甚至全新风送风，此时虽然风机功耗增大，但可以减少制冷设备所承担的室内冷负荷。另外，可以看出ERIEC系统的COP波动比较大，是因为不同室外空气参数下的新风预冷量不同，COP 在 24：00最小，为 6.47，16：00最大，为14.07，平均COP为10.79。

图5 ERIEC全天运行效果（工况1）Fig.5 ERIEC whole day operation effect（working condition 1）

图6 新风预冷量占新风冷负荷之比与COP（工况1）Fig 6 The ratio of fresh air pre-cooling capacity to fresh air cooling load and COP（working condition 1）

图7示出了ERIEC系统在工况2的运行效果。

图7 ERIEC全天运行效果（工况2）Fig.7 ERIEC whole day operation effect（working condition 2）

由图可知，一天中的空气温度在22～33 ℃之间，而相对湿度都在65%以上。ERIEC系统在1：00～10：00 由于空气温度都低于 26 ℃处于关闭状态，而 11：00～24：00处于工作状态。在工作时间内，显热节能量随着温度的升高而增加，16：00空气温度最高为32.3 ℃，此时显热节能量最大，为1.46 kW，而潜热节能量处于一天中的最小值，为1.30 kW；16：00之后显热节能量随着温度的降低而降低，空气温度24：00空气温度为26.5 ℃，显热节能量最小为0.79 kW，而此时潜热节能量为1.38 kW。此外，从图中可以看出，ERIEC系统运行区间内一直有潜热节能量，只在15：00～17：00时的潜热节能量值小于显热节能量；21：00的潜热节能量达到一天的最大值，为1.81 kW，是同时刻显热节能量0.96 kW的1.88倍。

图8示出了ERIEC系统的（工况2）新风预冷量占新风冷负荷之比与COP逐时情况。新风预冷量占新风冷负荷之比变化不大，16：00新风预冷量负担的新风冷负荷最少，为45.44%；24：00新风预冷量负担的新风冷负荷最大，为49.42%。虽然ERIEC系统不能完全负担新风冷负荷，但是能够降低将近一半的新风冷负荷。

图8 新风预冷量占新风冷负荷之比与COP（工况2）Fig.8 The ratio of fresh air pre-cooling capacity to fresh air cooling load and COP（working condition 2）

不同室外空气参数下的新风预冷量不同，但是ERIEC系统的耗功一定，所以COP有一定的波动。COP在20：00最大为18.11；COP在24：00最小为13.99。平均COP为16.74。由于潜热节能量的存在使间接蒸发冷却能量回收系统运行时都具有较高的能效，虽然20：00处于夜间，空气温度不是一天中最高的时刻，但是总节能量为显热节能量和潜热节能量之和，在一天中的能效最高。

6 结论

（1）天津地区夏季设计工况下，以焓值和含湿量两个指标对蒸发冷却适用范围进行分区，天津夏季室外设计状态点落在象限Ⅲ区，不适合单独应用蒸发冷却空调，可以采用ERIEC系统预冷新风；若以修正的湿球温度作为单一指标进行划分，天津地区属于设计三区（适应区）。

（2）ERIEC系统处于干工况运行模式时，新风预冷量占冷负荷之比最小为63.28%；最大可达144.54%。系统可以显著降低制冷设备的容量。系统COP波动比较大，处于6.47～14.07之间，平均COP为10.79。

（3）ERIEC系统处于湿工况运行模式时，总换热量增加，潜热节能量极大地提高了总节能量。新风预冷量占新风冷负荷之比处于45.44%～49.42%之间。COP处于13.99～18.11区间内，平均COP高达16.74，远高于干工况时的对应值。ERIEC系统能效高。