蒸發(fā)冷卻的原理
水在空氣中具有蒸發(fā)能力。在沒有別的熱源條件下，水與空氣間的熱濕交換過(guò)程是空氣傳遞顯熱給水，使空氣的溫度下降。而由于水的蒸發(fā)，不但空氣的含濕量要增加，且進(jìn)入空氣的水蒸氣帶回一些汽化潛熱。這兩種熱量相等，故水溫會(huì)穩(wěn)定于某一平衡溫度，這一溫度就是空氣的濕球溫度。只要空氣不是飽和的，濕球溫度總是低于干球溫度，也即水溫總是低于空氣干球溫度。所以，利用循環(huán)水直接（或通過(guò)填料層）噴淋空氣可以取得空氣的降溫效果。在允許條件下可以利用這空氣作為送風(fēng)以降低室溫，這就是蒸發(fā)冷卻。
蒸發(fā)冷卻的種類
蒸發(fā)冷卻有直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻之分。利用循環(huán)水直接冷卻送風(fēng)空氣的叫直接蒸發(fā)冷卻（direct evaporative cooling, DEC）。 對(duì)于DEC，雖然空氣的溫度會(huì)有所下降，但其濕球溫度在冷卻前后卻是相同的，換言之，相對(duì)濕度有所增加。以t db和t wb表示處理前空氣的干球和濕球溫度，以t db’’ 表示處理后空氣的干球溫度，則DEC的熱交換效率ED可用下式計(jì)算： ED = （ t db - t db’’ ）/（t db - t wb ） 圖1是一種淋水填料式 DEC。 圖1 直接蒸發(fā)冷卻 由于空氣經(jīng)過(guò)DEC的狀態(tài)變化是降溫加濕過(guò)程，故它適用于低濕地區(qū)，如中國(guó)海拉爾-錫林浩特-呼和浩特-西寧-蘭州-甘仔一線的以西地區(qū)。 為了克服DEC使空氣濕度增加的問題，人們又開發(fā)出間接蒸發(fā)冷卻（indirect evaporative cooling,IEC）技術(shù)。這是利用經(jīng)直接蒸發(fā)冷卻后的空氣（稱為二次空氣，secondary air）或水，通過(guò)一換熱器冷卻另外一股空氣（稱為一次空氣primary air）。一次空氣溫度會(huì)下降，然而由于它不與水接觸，其含濕量不變。因此除了在低濕地區(qū)，在中等濕度地區(qū)，如中國(guó)的哈爾濱-太原-寶雞-西昌-昆明一線以西地區(qū)，IEC也有應(yīng)用的可能性。為了工程應(yīng)用方便，有人將直接蒸發(fā)冷卻和換熱兩個(gè)過(guò)程綜合在一個(gè)設(shè)備內(nèi)完成，該設(shè)備稱為間接蒸發(fā)冷卻器。它有板式和管式兩種。 IEC的熱交換效率EI可用下式計(jì)算： EI = （ t dbp1 - t dbp2 ）/（ t dbp1 - t wbs1 ） 式中：t dbp1 , t dbp2 ---- 一次空氣在進(jìn)口處和出口處的干球溫度； t wbs1 -- 二次空氣在進(jìn)口處的濕球溫度。也有將兩種蒸發(fā)冷卻結(jié)合起來(lái)的做法（圖4）。先使一次空氣經(jīng)過(guò)間接蒸發(fā)冷卻器，被等濕冷卻。然后再令它經(jīng)過(guò)直接蒸發(fā)冷卻器受到進(jìn)一步冷卻，同時(shí)受到加濕。這一方式稱為雙級(jí)式蒸發(fā)冷卻（two-stage evaporative cooling）。它可以提供比間接蒸發(fā)冷卻更大的降溫效果。
蒸發(fā)冷卻的應(yīng)用
蒸發(fā)冷卻過(guò)程是以水作為制冷劑的。同通常的機(jī)械制冷的原理一樣，由于制冷劑的蒸發(fā)而提供冷量。但是對(duì)蒸發(fā)冷卻來(lái)說(shuō)，是利用水的蒸發(fā)取得冷量。但是它不必將蒸發(fā)后的水蒸氣再行壓縮、冷凝回到液態(tài)水后再進(jìn)行蒸發(fā)。一般可以直接補(bǔ)充水分來(lái)維持蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行。因此與機(jī)械制冷相比，蒸發(fā)冷卻法制冷不需要消耗壓縮功，這使得它的COP值有時(shí)比機(jī)械制冷要大得多，從而取得節(jié)能的結(jié)果。一般，蒸發(fā)冷卻技術(shù)可有以下的應(yīng)用方式： （1） 在干燥地區(qū)替代常規(guī)的機(jī)械制冷方式。 （2） 用間接蒸發(fā)冷卻來(lái)預(yù)冷新風(fēng)，以減少機(jī)械制冷的容量。這樣做有時(shí)會(huì)帶來(lái)節(jié)能效果。 （3） 對(duì)風(fēng)冷的傳熱設(shè)備（如風(fēng)冷冷凝器）可用直接蒸發(fā)冷卻來(lái)降低空氣溫度，以擴(kuò)大傳熱溫差，提高傳熱量，而空氣濕度的提高對(duì)傳熱設(shè)備的工作則無(wú)甚影響。 （4） 除濕冷卻 （desiccant cooling） 在非干燥地區(qū)不能用蒸發(fā)冷卻來(lái)替代機(jī)械制冷的主要原因有： （a） 室外空氣的濕球溫度太高，由蒸發(fā)冷卻獲得的空氣溫度不足以滿足送風(fēng)要求； （b） 蒸發(fā)冷卻自身沒有除濕能力，無(wú)法降低室外空氣的含濕量以滿足送風(fēng)要求；如果將室外空氣（或室外空氣與室內(nèi)空氣的混合空氣）用除濕劑經(jīng)吸收或吸附處理成含濕量低的空氣，接下來(lái)就同干燥地區(qū)一樣，也可以用蒸發(fā)冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)舒適性空調(diào)。這樣的技術(shù)就是除濕冷卻。 2. 夏季運(yùn)行期雙級(jí)式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的效果分析 作者曾研究了蒸發(fā)冷卻技術(shù)在我國(guó)的適用性[1], 劃分了在夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)條件下和zui熱月平均條件下有可能應(yīng)用蒸發(fā)冷卻技術(shù)的地區(qū)。為了了解雙級(jí)式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)（IEC+DEC系統(tǒng)）在供冷運(yùn)行期中的使用效果，作者又做了進(jìn)一步的研究分析。研究工作是以一幢兩層樓的辦公樓建筑作為計(jì)算對(duì)象。該建筑的每層面積為930 m2 ，層高 3.05 m。墻上有窗，窗墻比為0.27。室溫設(shè)定值是24℃（對(duì)常規(guī)空調(diào)），控制方式為開關(guān)式?？照{(diào)冷負(fù)荷來(lái)自：人體、燈光、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)設(shè)備。常規(guī)系統(tǒng)的新風(fēng)量按人數(shù)和每人新風(fēng)量確定。根據(jù)給定的條件用DOE 2 .1E程序計(jì)算各區(qū)（內(nèi)區(qū)及外區(qū)）的設(shè)計(jì)負(fù)荷和送風(fēng)量,并且逐時(shí)計(jì)算每一小時(shí)的各種數(shù)據(jù)：各區(qū)的得熱量、冷負(fù)荷、排熱量、各區(qū)的送風(fēng)量、各區(qū)的實(shí)際室溫和各項(xiàng)能耗。雙級(jí)式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的送風(fēng)量（都是新風(fēng)）可任選,為了便于比較，本文使之與常規(guī)系統(tǒng)基本相同。計(jì)算的時(shí)段：6月 到9月。計(jì)算的系統(tǒng)：常規(guī)的機(jī)械制冷空調(diào)機(jī)組（分定風(fēng)量系統(tǒng)和變風(fēng)量系統(tǒng)）和IEC+DEC系統(tǒng)。IEC的效率=0.65 ，DEC的效率 = 0.8?？照{(diào)系統(tǒng)的工作制度是：工作日-上午8時(shí)開機(jī)，晚上 18時(shí)停機(jī)；非工作日-上午8時(shí)開機(jī)，中午 12時(shí)停機(jī)。計(jì)算地點(diǎn)：烏魯木齊、西安、哈爾濱和北京。由于計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)非常龐大，現(xiàn)只將匯總數(shù)據(jù)列于表1中。 從表1可以看出： （1）在基本相同的風(fēng)量下，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的需求功率僅為常規(guī)的定風(fēng)量系統(tǒng)的14 %- 19 %，其總耗電量則為 60 % - 70 %。其中制冷部分的耗電量更低，約為定風(fēng)量系統(tǒng)的四分之一。但是蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)能耗要高，比定風(fēng)量系統(tǒng)多用電 15 % - 75 %。主要原因是蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間要長(zhǎng)得多； （2）從空調(diào)效果（室溫值）來(lái)看，常規(guī)系統(tǒng)是不成問題的。不論是各月的平均室溫，還是全夏季的平均室溫都能滿足設(shè)計(jì)要求，并且任何時(shí)刻都沒有超過(guò)26.7 ℃。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的效果隨地區(qū)而異,總體上要比常規(guī)系統(tǒng)差些。烏魯木齊的效果，平均室溫與常規(guī)系統(tǒng)基本相同，超過(guò)26.7 ℃的時(shí)數(shù)僅占空調(diào)總時(shí)數(shù)的 0.9 %。其他三地就要差一些。它們的夏季平均室溫分別是27.1 ℃、23.9 ℃ 和 26.4 ℃。當(dāng)要求不太高時(shí)，作為舒適性空調(diào)還能接受，不過(guò)有較多時(shí)刻室溫會(huì)超出26.7 ℃。對(duì)西安、哈爾濱和北京三地，這些時(shí)刻占總時(shí)數(shù)的百分比分別是：52.7 %、23.2 % 和50.6 %。這里大體可看出，對(duì)辦公樓建筑，在我國(guó)西北地區(qū)西部和東北地區(qū)北部采用雙級(jí)式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，不論在效果上還是在節(jié)能上都是（或基本上是）可行的。對(duì)西北地區(qū)東部和華北地區(qū)，則在節(jié)能的前提下用雙級(jí)式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)能適當(dāng)改善室溫條件；（3） 從室內(nèi)空氣品質(zhì)角度來(lái)看，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)要優(yōu)于常規(guī)系統(tǒng)，因它是按100 %新風(fēng)運(yùn)行的。 （4） 如果將本例中的雙級(jí)式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量增加五分之一，則平均室溫可 以下降 0.5 ℃左右，但是能耗也會(huì)有所增加。以定風(fēng)量系統(tǒng)為基數(shù)的相對(duì)能耗增為 68 % ~ 81 %，相對(duì)需求功率增為 19 % ~ 25 %。 （5）對(duì)常規(guī)系統(tǒng)，變風(fēng)量系統(tǒng)的夏季總耗電量為定風(fēng)量系統(tǒng)的 75 % ~ 83 %， 但是前者的平均室溫要比后者高 0.7 ℃ ~ 1.6 ℃。
說(shuō)明：系統(tǒng)1是風(fēng)量系統(tǒng)、系統(tǒng)2是指變風(fēng)量系統(tǒng)、系統(tǒng)3是指雙級(jí)式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng) 3. 用間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)預(yù)冷新風(fēng)的節(jié)能效果 在常規(guī)空調(diào)中可以加設(shè)間接蒸發(fā)冷卻裝置用來(lái)預(yù)冷新風(fēng)，以減少新風(fēng)負(fù)荷，從而降低機(jī)械制冷設(shè)備的容量。這是有利方面。不利方面是：間接蒸發(fā)冷卻裝置自身也要耗能；當(dāng)室外空氣干濕球溫差不夠大，或新風(fēng)量占總風(fēng)量的百分比沒有到達(dá)一定值時(shí)，新風(fēng)預(yù)冷量可能小于耗能量。這時(shí)間接蒸發(fā)冷卻非但不能減少、反而要增加機(jī)械制冷設(shè)備的容量，即得不償失。根據(jù)研究每一地區(qū)都存在著一個(gè)臨界新風(fēng)百分比，當(dāng)實(shí)際新風(fēng)比大于此臨界值時(shí)，用間接蒸發(fā)冷卻預(yù)冷新風(fēng)是節(jié)能的；小于臨界值，則是不節(jié)能的。 現(xiàn)以西安為例，仍以第2節(jié)中提到的辦公樓作為研究對(duì)象，計(jì)算了單純的定風(fēng)量系統(tǒng)和具有三種新風(fēng)預(yù)冷方式的定風(fēng)量系統(tǒng)的夏季總能耗（制冷耗電和風(fēng)機(jī)耗電之和）。這三種新風(fēng)預(yù)冷方式用的都是間接蒸發(fā)冷卻（冷卻效率為 0.65），不同之處是： 新風(fēng)預(yù)冷方式 1 2 3 一次風(fēng)量 全部送風(fēng)量新風(fēng)量 新風(fēng)量 二次風(fēng) 室外空氣 室外空氣 室內(nèi)排風(fēng) 分別采用了以下五種新風(fēng)百分比：5.9 %、11.4 %、21.2 %、34.5 % 和49.5 %。 計(jì)算結(jié)果匯總表達(dá)于圖5中。圖的橫坐標(biāo)是新風(fēng)百分比，縱坐標(biāo)是相對(duì)能耗（以無(wú)預(yù)冷的定風(fēng)量系統(tǒng)的能耗為基數(shù)）。圖中曲線1、2和3即為這三種有預(yù)冷的定風(fēng)量系統(tǒng)的能耗。水平直線4為單純定風(fēng)量系統(tǒng)的能耗。顯而易見的是，只有相對(duì)能耗小于1時(shí)采用新風(fēng)預(yù)冷是節(jié)能的。等于1的點(diǎn)，其橫坐標(biāo)即為臨界值。從圖上可以看出，三種新風(fēng)預(yù)冷方式的臨界新風(fēng)百分比是： 新風(fēng)預(yù)冷方式 1 2 3 臨界新風(fēng)百分比 34.4 % 36.3 % 26.3 % 要注意的是，這一臨界值隨建筑物的負(fù)荷特性而變。氣候條件有非常重要的影響。如果將該辦公樓放在烏魯木齊，對(duì)新風(fēng)預(yù)冷方式2，臨界新風(fēng)百分比只有5.9 %。 4. 非空調(diào)設(shè)備中蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用 蒸發(fā)冷卻技術(shù)在非空調(diào)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。有些工藝設(shè)備需要通風(fēng)冷卻，以維持正常的運(yùn)行（如大型電機(jī)）。另有些設(shè)備，其工作過(guò)程需要補(bǔ)充空氣，而空氣溫度的高低對(duì)運(yùn)行效果很有影響（如燃?xì)廨啓C(jī)）。對(duì)這些設(shè)備就有可能采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)以提高設(shè)備的性能?，F(xiàn)以燃?xì)廨啓C(jī)為例。其特性是補(bǔ)給空氣的溫度對(duì)其輸出功率與耗熱率（單位輸出功率的燃料耗量）有明顯影響。圖6所示是一典型的燃?xì)廨啓C(jī)的特性曲線[2]。橫坐標(biāo)是進(jìn)入（燃燒所需）空氣的溫度，縱坐標(biāo)是輸出功率或耗熱率的相對(duì)值（以ISO額定進(jìn)入空氣溫度 = 15 ℃的值為基數(shù)）。從該圖可以看出，隨著進(jìn)入空氣溫度的下降，輸出功率有明顯上升，耗熱率則有所下降。舉例來(lái)看，空氣的干球溫度為 t db = 35 ℃，濕球溫度為t wb = 25 ℃。以此空氣作為補(bǔ)給空氣，則輸出功率為0.85，耗熱率為1.06?，F(xiàn)用蒸發(fā)冷卻裝置降低其干球溫度，設(shè)冷卻效率為0.8,則冷卻后干球溫度為 t db，= 35 - 0.8（35 - 25） = 27 ℃。以此空氣作為補(bǔ)充空氣，則輸出功率提高至0.91，耗熱率降低至1.03。這樣，輸出功率增長(zhǎng)7 %，燃料耗量減少2.8 %。 圖6 燃?xì)廨啓C(jī)的特性曲線 用蒸發(fā)冷卻設(shè)備預(yù)冷補(bǔ)給空氣的做法，其好處還在于：設(shè)備在較低溫度下運(yùn)行，可延長(zhǎng)工作壽命和減少維護(hù)工作量；如果用的是直接蒸發(fā)冷卻，空氣能獲得一定的凈化效果；對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)而言，由于燃料耗量下降，廢氣排放量也下降。 5. 結(jié)論 （1） 雙級(jí)式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)較之常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)有明顯的節(jié)能效果，但其維持室溫的能力則隨地區(qū)而異。 （2） 用間接蒸發(fā)冷卻來(lái)預(yù)冷新風(fēng)不是在所有情況下都是節(jié)能的，工程中應(yīng)按運(yùn)行期能耗分析的結(jié)果來(lái)做出決定是否采用。
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