直接蒸发冷却空调填料的性能实验与适用性分析

王 颖 黄 翔 杜 妍 武茁苗 代 聪

(西安工程大学城市规划与市政工程学院 西安 710048)

面对国家“30·60”双碳目标，传统机械制冷的低能效比和高碳排放量对环境产生了不利影响。蒸发冷却利用干空气能为驱动势，以水为制冷剂，通过水蒸发达到降温的效果，是一项节能、低碳、经济、健康的制冷技术。在干燥地区采用直接蒸发冷却可以提高新风质量[1-2]，对新风进行加湿冷却和湿式过滤；在中、高湿度地区可以对新风进行预冷和能量回收[3-5]。

填料作为直接蒸发冷却空调设备的核心部件，对于提升冷却装置的性能具有决定性的作用，目前国内外学者针对填料的研究主要包含填料的材质[6-9]、传热传质机理[10-13]以及填料中的热质交换研究方法[14-16]，并取得了一系列研究成果。

泡沫陶瓷材料具有密度小、比表面积大、强度高、湿挺度高、滞液量低的特点，由于其稳定的热物性和耐腐蚀性，被广泛应用于冶金制造、医学、化工、节能等领域[17]。本文利用抛光废渣制备成的泡沫陶瓷材料作为直接蒸发冷却的新型填料[18]，实验研究了相同实验条件下采用不同材质的填料及在不同进口空气状况下的热质交换特性，测试分析了不同进口空气质量流量对该装置热质交换性能的影响，结合实测数据计算并预测了直接蒸发冷却空调系统在西安市通信机房全年适用小时数。

1 直接蒸发冷却传热传质模型

根据热质交换基本理论[19]，建立淋水填料层内空气与水的热湿交换模型进行理论分析，假设空气在填料内移动距离为dx时，其温度变化为dt，含湿量变化为df。

空气流量Ga(kg/h)：

Ga=ρuab

(1)

空气与水之间的显热交换量Qx(kJ)：

dQx=Gacpdt=h(t-ts)δabdx

(2)

空气与水之间的潜热交换量Qq(kJ)：

dQq=rGadf=rkd(fb-f)δabdx

(3)

式中：ρ为空气密度，kg/m3；u为空气流速，m/s；a、b分别为填料迎风面的宽度和高度，m；cp为湿空气比热，J/kg；h为空气与水膜传热系数，W/(m2·℃)；t为主体空气温度，℃；ts为边界层空气湿球温度，℃；r为温度为tb时的水的汽化潜热，J/kg；kd为质传递系数，kg/(m2·s)；f为主体空气含湿量，g/(kg干空气)；fb为边界层空气含湿量，g/(kg干空气)；δ为填料的比表面积,m2/m3。

理论上，在绝热饱和条件下忽略空气中所携带微量的水蒸气，直接蒸发冷却过程为等焓过程。

dQ=dQx+dQq=0

(4)

边界条件：x=0，t=t1；x=L，t=t2；f=f2。

代入边界条件对方程组进行求解，可以得到填料厚度为L时出口处空气的状态参数。

(5)

(6)

图1 直接蒸发冷却空气处理焓湿图Fig. 1 Enthalpy and humidity diagram of direct evaporative cooling air treatment

实际的蒸发冷却并非绝热饱和过程，空气与水膜存在显热温差，在空气冷却时，会导致焓值增加，直接蒸发冷却空气处理焓湿图如图1所示，存在以下两种情况：1)当进水温度高于环境空气干球温度时，A1状态的空气与水膜接触进行热湿交换，由于空气温度低于水温，空气从水中吸收显热，被加热至B状态点，在热湿交换过程中，空气处理的终状态理论上并不处于C点，大多数空气会被处理至D状态点，与少部分未与水膜接触的空气混合为E状态，经过风机管道温升，由F状态点送入室内。2)进水温度介于空气进口干、湿球温度之间时，A2状态的空气被水膜冷却至B状态点，后续热湿处理过程与情况1)类似。

2 实验系统

2.1 实验台

直接蒸发冷却实验系统如图2所示。实验台主要包括1台压入式风机，1个电加热器，2个循环水泵，1个蓄水箱，1套喷雾式布水器，1套喷淋式布水器，2个蒸发冷却填料舱，2个水流量计，以及相关联的水管、阀门、过滤器等。实验台一侧是可拆卸的，可以在实验中更换不同材质的填料。

图2 直接蒸发冷却实验系统Fig. 2 Direct evaporative cooling experimental system

风机配有变频器，实验中设置7个档位，通过调节转速控制填料舱内风速(0.8～2.0 m/s)的变化，进风口有效截面积为0.28 m2，风机运转时对各档位风速进行测量，计算对应风量，变频风机各档位与风量之间的对应关系如表1所示。

表1 变频器档位与风量对应表Tab. 1 Inverter gears and their corresponding air volume

2.2 实验材料物性参数

实验分别选取外形尺寸为200 mm×500 mm× 600 mm(长×宽×高)的植物纤维填料、金属填料、PVC填料和泡沫陶瓷填料进行测试分析，接触角与导热系数的测试仪器如图3所示，4种填料的接触角如图4所示，填料实物如图5所示。实验开始前对4种填料的接触角、导热系数、比表面积[20]、吸水量等物性参数进行实验测试，具体参数如表2所示。

图3 实验测试仪器Fig. 3 Experimental test equipments

图4 直接蒸发冷却填料接触角Fig. 4 Contact angles of direct evaporative cooling fillers

图5 直接蒸发冷却填料Fig. 5 Direct evaporative cooling fillers

表2 直接蒸发冷却填料的主要性能参数Tab. 2 The main performance parameters of direct evaporative cooling filler

2.3 实验步骤

1)将实验舱打开，开启风机使室外空气进入舱体内。关闭实验室门窗，待室内空气稳定后进行下一步实验。

2)在蒸发冷却发生器内装填实验填料，关闭舱门，打开喷淋布水系统。

3)依次调节7种变频器转速，测量并记录蒸发冷却实验系统各测点处空气状态参数。

4)分别在冷却器的进、出风口设置测点，测量并记录实验系统各断面处空气状态参数，数据采集结束后，开启实验室门窗使新风进入室内。

5)更换不同实验材质的填料，重复步骤2)～4)。

6)实验测试工作结束，关闭实验系统。

2.4 性能评价指标

直接蒸发冷却装置对环境温度的冷却能力用直接蒸发冷却效率来衡量，计算式为：

(7)

式中：tg1为进风干球温度，℃；tg2为出风干球温度，℃；ts1为进风湿球温度，℃。

3 实验结果与讨论

3.1 直接蒸发冷却效率

实验开始时，控制进风平均干球温度34.94 ℃、湿球温度24.66 ℃的空气风量保持在800 m3/h，淋水密度保持在15 kg/(m·h)以保证填料表面得到充分的湿润，通过调节变频器以每次200 m3/h的风量递增至2 000 m3/h，完成对进口风速0.8～2.0 m/s范围内的实验测试。不同填料下直接蒸发冷却效率η的变化如图6所示。

图6 直接蒸发冷却效率随进口风速的变化Fig. 6 Variation of direct evaporative cooling efficiency with inlet wind speed

由图6可知，4种填料的直接蒸发冷却效率随进口风速的增加呈先升后降的趋势，植物纤维填料在进口风速为1.6 m/s时，直接蒸发冷却效率最高可达82.93%；泡沫陶瓷填料在进口风速1.2 m/s时，效率稳定在71.29%；PVC填料和金属填料效率变化趋势类似，在进口风速1.0 m/s时，直接蒸发冷却效率分别为54.85%和55.34%。

3.2 进出口空气温降

图7所示为在4种填料下蒸发冷却器中空气进出口温降随进口风速的变化。由图7可知，进出口温降随着进口风速的增加先升高后降低，最佳进口风速下，植物纤维填料、泡沫陶瓷填料、PVC填料和金属填料的温降峰值分别为8.5、7.2、5.6、5.7 ℃。

图7 进出口温降随进口风速的变化Fig. 7 Variation of inlet and outlet temperature drop with inlet wind speed

由图6～图7可知，由于植物纤维填料和泡沫陶瓷填料具有优良的吸水性，水膜附着在填料表面不易脱落，随着进口空气流量的增加，气水界面的普朗克数(Pr)增加，气流进一步扰动水膜表面的边界层，有效增强了空气与填料表面水膜的热质交换系数(hd)，提高了传热效果，结合实验测试结果，植物纤维填料和泡沫陶瓷填料适用于进口风速较高的工况。而PVC填料和金属填料本身水膜附着性较差，高风速时水膜更加难以稳定的附着在填料表面，填料表面容易存在干点，同时随着风速的持续增加，空气与水膜的接触时间降低，进一步减弱热湿交换的效果，结合实验测试结果，PVC填料和金属填料适用于进口风速较低的工况。

3.3 进出口空气压降

填料的压降反映了气液介质通过填料层时气相所克服的阻力，是填料重要的特性之一。图8所示为4种填料的压降随进口风速的变化。由图8可知，4种填料压降随进口风速的增大而增大；在进口风速相同时，植物纤维填料和泡沫陶瓷填料的压降要显著高于其余2种填料，这是因为植物纤维填料和泡沫陶瓷填料内部的有效通道面积大部分被液体所占据，液膜与流道内气体的摩擦力急剧增大，从而使压降增大。

图8 不同填料的压降分布Fig. 8 Pressure drop distribution of different fillers

由图6～图8可知，实验中植物纤维填料的传热效果最好，泡沫陶瓷填料次之，PVC填料与金属填料较差。结合不同填料的温降幅度和压降分布情况，填料在工程实际应用中，最适合的进风量不一定是填料传热效率最高的状态点，需要考虑由于填料的压降带来的风机能耗问题。

综合实验测试结果可知，在进口风速低于1.2 m/s时，植物纤维填料与泡沫陶瓷填料的实验结果的趋势较为相似，在风速大于1.2 m/s时，两者呈现显著差异性，植物纤维填料的最佳进口风速为1.6 m/s，泡沫陶瓷填料最佳进口风速为1.2 m/s。考虑到泡沫陶瓷填料本身采用陶瓷抛光废渣制备而成，废物利用，成本较低、耐高温、耐腐蚀、材料的刚性较好，在实际应用过程中不会因使用年限的增加而降低坚挺程度，从而影响蒸发冷却的传热效果；随着使用年限的增加，若泡沫陶瓷填料自身的多孔结构被水垢堵塞时，可以重新打碎研磨烧制，循环经济且可二次利用。相比于成本较高、耐久性、耐腐蚀性和耐火性较差的植物纤维填料具有显著的性能优势。泡沫陶瓷填料综合解决了目前蒸发冷却行业使用填料吸水性、坚挺程度、防火性差的问题。

4 通信机房的适用性分析

4.1 通信机房设计规范

根据中华人民共和国通信行业标准YD/T 1821—2018《通信局(站)机房环境条件要求与检测方法》[21]，通信机房内空气的温湿度要求如表3所示。

表3 通信机房内空气的温湿度要求Tab. 3 Temperature and humidity requirements of the air in the communication equipment room

通信机房内显热量高、湿负荷小、显热比高，直接蒸发冷却大风量送风方式可以很好的缓解室内空气相对湿度较低的问题，有效消除局部热点和灰尘堆积的问题，此外填料也可以起到湿式过滤的作用，有效保证室内送风品质，满足机房净化要求。

4.2 适用小时数

以普适的二类通信机房为标准，取通信机房送风温度为28 ℃，相对湿度为80%，此时室内送风湿球温度ts为25.17 ℃；当室外干球温度小于16 ℃时，采取新风自然冷却模式，通过对4种填料的性能测试，取植物纤维填料η为75%，泡沫陶瓷填料η为65%，PVC填料和金属填料η为55%，根据直接蒸发冷却过程等焓降温的特性(ts为tg1和tg2对应的湿球温度)，当室外湿球温度ts不高于25.17 ℃时，由式(7)计算得到4种填料运行蒸发冷却模式时，室外干球温度的切换点分别为36.49、33.25、31.46 ℃。

(8)

根据气象数据[22]和西安市室外气象参数的实测值[23]，对应用于中等湿度地区西安市的通信机房空调系统的全年运行小时数进行了逐时的气象统计，结果如图9所示。

图9 西安市通信机房空调冷却系统全年运行时间Fig. 9 Communications room air conditioning cooling system running time throughout the year in Xi′an

由图9可知，以直接蒸发冷却为冷源的通信机房空调系统，采用植物纤维填料时全年运行4 126 h，全年占比47.10%；采用泡沫陶瓷填料时运行全年3 115 h，全年占比35.56%；采用PVC和金属填料时全年运行全年2 582 h，全年占比29.47%。机房内全年只需在极端天气条件下开启机械制冷，由此可知，对于通信机房等对送风相对湿度要求较为宽泛的应用场所，采用直接蒸发空调冷却系统具有显著的节能优势。

5 结论

本文搭建了直接蒸发冷却实验台，对蒸发冷却空调填料的换热性能进行实验测试，对比分析了植物纤维填料、泡沫陶瓷填料、PVC填料及金属填料的物性参数、进风量、压降对其传热传质性能的影响，得到如下结论：

1)通过对焓湿图和传热机理的分析，实际的蒸发冷却并非绝热饱和过程，空气与水膜存在的显热温差和外界热量的输入会导致在空气冷却时焓值增加。

2)根据性能测试，最优工况下植物纤维填料、泡沫陶瓷填料、PVC填料和金属填料的直接蒸发冷却效率分别为82.93%、71.29%、54.85%和55.34%，植物纤维填料的压降最高，金属填料的压降最低，最适合的进风量不一定是填料传热效率最高的状态点，需要考虑由于填料的压降带来的风机能耗问题。

3)预测了直接蒸发冷却的空调系统在西安市通信机房全年适用小时数，采用植物纤维填料时运行4 126 h，全年占比47.10%；采用泡沫陶瓷填料时运行3 115 h，全年占比35.56%；采用PVC和金属填料时全年运行2 582 h，全年占比29.47%，具有良好的节能效果。

本文受深圳市科技研发可持续发展资金(KCXFZ20201221173409026)资助。(The project was supported by Shenzhen Sustainable Development Science and Technology Project(No. KCXFZ20201221173409026).)