露点蒸发冷却空调系统的热力学性能分析

王玉刚,陈 奕

(集美大学 海洋装备与机械工程学院，福建 厦门 361021)

0 引 言

暖通空调系统不仅耗能多，而且碳排放量也较大，因此会加剧全球的温室效应[1]。蒸发冷却空调以水作为制冷剂，以干空气能作为制冷驱动力，是一种节能环保的空调技术[2]。由于蒸发冷却空调技术节能环保的特点，近年来在国内民用建筑中得到了广泛的应用[3-5]，同时在工业建筑中也有了一定的应用[6-7]。但蒸发冷却空调冷却效率较低导致其体积较大，尤其是多级蒸发冷却空调机组的体积更大，限制了该技术在我国的推广应用。

近年来，关于蒸发冷却空调的研究多集中在单级间接蒸发冷却器的结构尺寸和空气状态参数[8-10]、换热板材料[11-13]等对其冷却性能的影响，或者单级间接蒸发冷却器的火用效率和火用损失的计算分析[14-17]。有关传统多级蒸发冷却空调系统的研究主要集中于在干热气候条件下测试其性能[18-20]。基于此，本文作者在文献[21]中建立了传统三级蒸发冷却空调系统空气处理过程的火用分析模型，并在典型工况下对系统内各级蒸发冷却器进行了计算分析。结果显示：系统的不可逆损失主要源于间接蒸发冷却器内热质交换不充分和二次排风；提出了提高间接蒸发冷却器能源利用效率，是优化三级蒸发冷却空调系统性能的关键。本文针对此改进方向，提出具有较高能源利用效率的三级蒸发冷却空调系统，并计算了该系统热力学性能；然后，将计算得到的热力学性能参数与文献[21]中传统蒸发冷却空调系统的热力学性能参数比较分析，由此获得2种系统的热力学性能差异。

1 露点蒸发冷却空调系统的提出

间接蒸发冷却器二次空气在出口处已经基本接近饱和状态，而二次空气出口温度要低于入口温度。二次空气出入口温差是造成二次空气排风存在火用损失的主要原因，温差越大造成的排风火用损失越大。此外，二次空气出入口温差越大，说明一、二次空气之间的换热越不充分，由此而引起的内部火用损失也就越大。

在理想情况下，典型逆流露点间接蒸发冷却器的二次空气在干通道内受预冷后温度接近露点温度，几乎处于饱和状态；在进入湿通道后几乎处于饱和加湿过程，热质传递势差几乎为零[22]，所以其内部火用损失也几乎为零，具有良好的热力性能。目前，蒸发冷却空调技术领域的研究热点是露点间接蒸发冷却器。众多科研人员已从热力学分析[17]、数值模拟[23-24]、实验测试[25]等多角度对其展开了研究，但目前尚未发现有将其与传统间接蒸发冷却器或直接蒸发冷却器结合使用的报道。本文作者将露点间接蒸发冷却器用于传统三级蒸发冷却空调系统中，以减少系统的不可逆损失，提高系统的能源利用效率。

考虑到露点间接蒸发冷却器二次空气流动方向及排风问题，逆流露点间接蒸发冷却器不适合用于多级蒸发冷却系统中，因此考虑将叉流露点间接蒸发冷却器代替传统间接蒸发冷却器。文献[21]中建立的三级蒸发冷却空调系统是由两级传统间接蒸发冷却器加一级直接蒸发冷却器串联组成。第一级间接蒸发冷却器为预冷段，第二级间接蒸发冷却器为再冷段。一次空气在再冷段内的温降较小，所以本文利用叉流露点间接蒸发冷却器代替第二级传统间接蒸发冷却器，其工作原理图以及空气处理过程焓湿图如图1(a)、(b)所示。

将叉流露点间接蒸发冷却器与传统间接蒸发冷却器、直接蒸发冷却器相结合构成的露点蒸发冷却系统流程图和空气处理过程焓湿图分别如图2、3所示[26]。

(b) 空气处理过程焓湿图图 1 叉流露点间接蒸发冷却器Fig.1 Indirect evaporative cooler of cross flow dew point

AA—环境空气；CA—冷却空气；EA—排风空气；P—一次空气；S—二次空气；IEC—传统间接蒸发冷却器；RIEC—露点间接蒸发冷却器；DEC—直接蒸发冷却器图 2 露点蒸发冷却系统流程Fig.2 The flow of dew point evaporative cooling system

图 3 露点蒸发冷却系统空气处理过程 焓湿图Fig.3 Psychrometric chart of air treatment process of the system

2 热力学过程分析

以给定的环境为基准，理论上能够最大限度转换为有用功的那部分能量称之为火用[27]。系统入口空气为环境空气，由干空气和水蒸气组成。相对于1 kg干空气，温度、压力、含湿量分别为T、p、d的湿空气的比火用为

ea=eph+ech

(1)

式中：eph为比物理火用，kJ/kg；ech为比化学火用，kJ/kg；下角标a代表湿空气。

比物理火用的计算公式为

(2)

式中：cp为干空气的定压比热，kJ/(kg·K)；d为湿空气的含湿量，即每kg干空气含湿量，g/kg；T为湿空气温度，K；R为气体常数，kJ/(kg·K)；P为湿空气压强，Pa。下角标da代表干空气，v代表水蒸气；0代表火用分析的参考状态，本文选取环境状态下的饱和空气作为火用分析的参考状态[27]。

比化学火用的计算公式为

(3)

因此，湿空气比火用的计算公式为

(4)

水的比火用计算公式为

ew=iw(T)-iv(T0)-T0[sw(T)-sv(T0)]+

[P-Psat(T)]vw(T)-RvT0lnφ0

(5)

式中：φ为空气的相对湿度；下角标w代表水，sat代表饱和状态。

系统中各级蒸发冷却器火用平衡方程如下：

1) 传统间接蒸发冷却器(IEC)

(6)

式中：m为质量流量，kg/s；Sg为熵产，kW/K；下角标数字代表系统中各级冷却器的入口与出口，如图2所示。

2) 露点间接蒸发冷却器(RIEC)

(7)

3) 直接蒸发冷却器(DEC)

(8)

3 与传统系统热力学性能比较

热力学分析中，空气参考状态的干球温度为30 ℃，相对湿度100%；系统运行的环境空气工况为干球温度30 ℃，相对湿度35%。露点间接蒸发冷却器中二次空气与一次空气的流量比取1。由于露点间接蒸发冷却器的一、二次空气要经过传统间接蒸发冷却器预冷，因此传统间接蒸发冷却器在二次空气流量不变情况下与一次空气的流量比变为0.5。与流量比为1时相比，其湿球效率大约下降10%[28]，因此传统间接蒸发冷却器的湿球效率取0.6。叉流露点间接蒸发冷却器的湿球效率在1.1～1.22之间[29]，本文取中间值1.16。对于给定间接蒸发冷却器，效率不随进口空气干、湿球温度变化[30]。间接蒸发冷却器中一、二次空气干、湿球温度同时变大或变小不会影响其湿球效率，所以叉流露点间接蒸发冷却器作为第二级使用时湿球效率仍能保持在1.16左右。直接蒸发冷却器的湿球效率取为0.9。

利用本文的热力学模型，分析计算露点蒸发冷却系统的空气处理过程，得出各状态点(见图3)热力参数，并与文献[21]中传统蒸发冷却系统的计算结果对比，结果如表1所示。表1中状态点2、3、4分别代表2个系统中第一、二、三级的送风状态。

表1 露点与传统蒸发冷却系统的送风状态比较Tab.1 Comparison of supply air state betweentwo systems

从表1中可以看出，露点系统第一级的送风温度比传统系统高1.2 ℃，而第二级则低4 ℃，故第二级的空气温降比传统系统多5.2 ℃。由此可以看出，露点间接蒸发冷却器比传统间接蒸发冷却器具有更强的冷却能力。原因是露点间接蒸发冷却器的二次空气在干通道内经过预冷之后才进入湿通道，因此露点间接蒸发冷却器湿通道入口空气温度要低于传统间接蒸发冷却器。露点间接蒸发冷却器的干通道空气和湿通道空气具有更大的换热温差，所以其干通道出口空气温度更低。传统系统内直接蒸发冷却器的空气温降虽然比露点系统多2.3 ℃，但是含湿量增加了0.9 g/kg。由此可见，传统系统是以增加送风含湿量为代价而实现较高空气温降的。露点系统的送风温度比传统系统低1.7 ℃，送风含湿量低0.9 g/kg。露点系统送风的温度和含湿量均低于传统系统，因此可以承担更多的室内热湿负荷。

表2为露点蒸发冷却系统与传统蒸发冷却系统的火用分析结果比较。由表2可以看出：露点系统的火用效率比传统系统的高约2%，总输入火用约增加7.8%，但有效输出火用却增加约16.9%。

表2 露点与传统蒸发冷却系统的火用分析Tab.2 Comparison of exergy between two systems

图4显示了露点蒸发冷却系统内有效输出火用及火用损失的分布情况。与文献[21]中传统蒸发冷却系统内火用损失比较，发现露点系统内2个间接蒸发冷却器的排风火用损失都有所减小。原因是二次空气排风状态更接近文中选定的火用分析参考状态，二次空气的利用更高效。2个间接蒸发冷却器的内部火用损失都有所增加，主要原因是喷淋水的耗水量增加而引起的水火用损失增加；直接蒸发冷却器的火用损失有所减小，原因是其入口空气更接近饱和状态，与水进行蒸发冷却作用时耗水量较少，所以火用损失减小。

图 4 露点蒸发冷却系统有效输出火用 及火用损失分布Fig.4 The effective exergy output and exergy loss of dew point evaporative cooling system

综合表1、2和图4的计算结果可以看出，露点蒸发冷却系统比传统蒸发冷却系统具有更优的热力学性能，因此可以拓宽蒸发冷却空调技术的应用区域。此外，露点蒸发冷却系统具有更小的机组尺寸，可以提高蒸发冷却空调技术的竞争力。

4 结 论

本文提出了基于叉流露点间接蒸发冷却器的露点蒸发冷却系统，并建立了热力学分析模型。在典型工况下与传统蒸发冷却系统的热力学特性比较分析，得出如下结论：

1) 露点蒸发冷却系统的送风温度比传统蒸发冷却系统低1.7 ℃，含湿量低0.9 g/kg;

2) 露点蒸发冷却系统与传统蒸发冷却系统相比，火用效率大约提高2%，有效输出火用大约增加了16.9%。