靳俊杰, 刘海燕, 宋艳苹, 梁昊明, 林斯会, 周 远
(河南城建学院 能源与建筑环境工程学院,河南 平顶山 467036)
随着空调技术的进步,空调更加节能环保。家用分体式空调器占据着整个空调市场的很大比例,大力发展家用空调器的节能技术至关重要。蒸发冷却技术的应用历史悠久,但直到20世纪70年代,美国等国家出现石油危机以后,才将蒸发冷却技术应用于空调,逐渐受到人们的重视[1]。蒸发冷却技术是一种节能、高效、经济的冷却方式,且绿色环保,已经得到了广泛的应用[2]。
蒸发冷却技术应用在家用空调器上,是家用空调器的发展趋势之一,对减少碳的排放量及建筑节能起着积极的促进作用。寇凡等人详细介绍了蒸发冷却技术的发展趋势[3-4],为未来该技术的发展方向提供了重要参考。由玉文等对高温高湿地区间接蒸发冷却空调做了相关研究,提出了复合间接蒸发冷却空调系统的运行分区[5]。金洋帆等研究了干燥地区蒸发冷却空调系统运行效果,给出了蒸发冷却空调系统的优化建议[6]。王思琴等对蒸发冷却空调技术在节能减排中的作用进行了相关分析,说明了其对节能减排的重要性[7]。
该系统由太阳能集热器系统、布水器系统、家用空调室外机系统、风机鼓泡管系统等组成,如图1所示。通过循环水泵,在夏季把地下浅水井中的冷水输送到储水箱中,在风机提供动力下,空气从鼓泡管中出来与储水箱中冷水换热,降低空气的温度;同理,在冬季太阳能集热器中的热水送入到储水箱,一部分空气通过鼓泡管,进行显热交换,提高空气的温度。
图1 直接蒸发冷却空调系统示意图
太阳能集热器系统由太阳能集热器、循环水泵、储热水箱、管路、阀门等组成。在冬季空调制热时,通过太阳能集热器提供热水,加热冷空气,有利于室外换热器的换热,同时也避免结霜的出现。
由布水网、喷嘴、循环水泵、管路等组成。夏季制冷时,循环水泵从地下浅水井中抽取冷水,通过喷嘴喷洒到布水网上,空气经过布水网进行直接蒸发冷却,降温后被送入到蒸发器处进行换热。
该系统主要由离心风机、鼓泡管、储水箱、液位计、管路、阀门等组成。夏季时,通过离心风机,室外空气进入鼓泡管,进而空气以水泡形式出来,与储水箱中的冷水进行显热交换,换热后与另一部分室外空气混合,再通过布水网进行进一步的蒸发冷却换热,最后送入到室外机冷凝器进行换热。冬季时,运行方式类同夏季,只不过储水箱中的水不再是地下浅水井中的水,而是来自于太阳能集热器中的热水,空气通过鼓泡管在储水箱中显热换热后,与室外另一部分空气混合,直接进入室外机换热器进行换热。
夏季制冷时,通过循环水泵把地下浅水井中的冷水输送到喷嘴处,喷洒到布水网上,一部分留在了布水网上,其余部分随着重力滴落到储水箱中。在离心风机提供动力下,空气通过过滤网进入到鼓泡管中,以气泡形式从鼓泡管的小孔中出来与储水箱中的冷水进行热量交换,然后与另外一部分空气混合,通过布水器进行直接蒸发冷却,进一步降低混合空气的温度,最后进入到空气箱,与室外机的冷凝器进行换热,从而降低冷凝器的冷凝温度。在这期间,室内机产生的冷凝水也直接排入到储水箱,通过液位计测量储水箱中的水位,当达到一定刻度时,打开阀门把一部分水流入到地下浅水井,使水循环利用。
冬季制热时,通过太阳能集热器产生热水,储存在储热水箱中,把热水通过管路送入到储水箱中,同夏季制冷一样,通过离心风机,把过滤后的空气,送入到鼓泡管,出来的水泡与储水箱中的热水进行显热交换,加热空气,然后与另一部分室外空气混合,直接送入到空气箱,与室外换热器进行换热。当储水箱中的水位达到设定值时,阀门打开,由循环水泵提供动力,一部分水输送到储热水箱中。
空调室外机所需的风量来自于两部分,一部分是通过离心风机送入鼓泡管的那部分空气量,剩余部分是直接通过空气口进入的空气量。
夏季制冷时,从鼓泡管出来的空气,进入到储水箱中,遇到冷水进行换热。当水温高于空气露点温度低于湿球温度时,空气与水进行显热交换,少量的水吸热发生汽化潜热,产生水蒸气进入空气中,是一个加湿冷却焓降过程;当水温低于空气露点温度时,空气中的水蒸气将会凝结,空气在发生显热降温的同时还会发生潜热交换,是一个去湿冷却焓降过程。而冬季制热时,从鼓泡管出来的空气与储水箱中的热水换热,空气吸热温度升高,部分水吸热蒸发,产生的水蒸气又进入到空气中,最终使空气温度和含湿量均增加,是一个升温加湿焓增过程。
在制冷时,水箱中换热后的空气与另外一部分空气混合,在经过布水网时,空气中的显热被布水网上的水吸收,造成空气自身温度降低,而水在不断吸收了空气中的热量后,会发生汽化潜热,产生的水蒸气又会回到空气中,造成空气的比焓基本不变,这一过程可视为等焓加湿过程。
直接蒸发冷却主要利用空气的干湿球温度差来获得冷却的效果,干湿球温度差越大,冷却效果越明显。但空气的绝热加湿冷却过程有限,空气最终很难达到100%的饱和状态,冷却效率也即饱和率,计算公式如下:
(1)
式中:tgw为空气干球温度,℃;tgo为空气冷却后干球温度,℃;tsw为空气湿球温度,℃;ηDEC为直接蒸发冷却饱和效率,%。
以郑州为例,夏季空调室外计算干球温度35.0 ℃,夏季空调室外计算湿球温度27.5 ℃[8],冷却器的冷却效率(或饱和效率)一般在70%~95%[9]。本文取83%的冷却效率来计算,可计算出直接蒸发冷却后的空气温度为28.8 ℃,前后空气温差可达6.2 ℃。同样,可以计算出北京、西安、南京等城市相关数据,具体见表1。
表1 不同地区经过直接蒸发冷却后空气温度变化
据相关研究,冷凝温度每降低1 ℃,压缩机的功耗率可降低3%左右[10]。从表1中可看出,越是干旱地区,干湿球温差越大,空气经过直接蒸发冷却后,温降比较明显,对于降低冷凝器的冷凝温度越有利,节能效果也越明显。
地下浅水井水温一般较低,例如河南地下水温保持在18 ℃左右[11]。从鼓泡管出来的空气,经过降温除湿过程后,与所需的另一部分空气进行混合,通过布水器直接蒸发冷却后,这样的空气温降效果要比室外空气直接通过布水器的温降效果要好,会比表1中列举的空气温差值要大,有利于进一步降低压缩机的功耗。
(1)利用地下浅水井中水的冷量,通过风机提供动力,使空气在水箱中进行换热,有效降低空气温度,再与剩余所需空气混合,使得整个空调室外机所需空气的温度得到明显降低。
(2)混合后的空气,经过布水网时,直接蒸发冷却进一步降低空气温度,然后与室外冷凝器换热,降低冷凝温度,减少压缩机的耗功。此外,空调冷凝水的回收,既解决了排放问题,又充分利用其冷量。
(3)冬季空调制热时,利用太阳能集热器产生的热水,与室外冷空气换热,提高室外空气温度,使室外机换热器进行高效换热,不仅避免了结霜现象,还提高了空调能效。