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文獻(xiàn)綜述
題 目 4kW小型工業(yè)用冷水機(jī)組
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時(shí)間
蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程
摘 要
蒸發(fā)冷卻技術(shù)具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在建筑熱濕環(huán)境保障領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。目前，集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在我國西部地區(qū)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但其缺點(diǎn)是風(fēng)道大、使用靈活性差，而且不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)房間分別進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。針對集中式系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本文主要介紹半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)、除濕與蒸發(fā)冷卻相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞 節(jié)能/環(huán)保/半集中式蒸發(fā)冷卻技術(shù)/除濕冷卻
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0 引言
蒸發(fā)冷卻技術(shù)是利用水蒸發(fā)吸熱的原理，獲得冷風(fēng)或冷水的技術(shù)。在節(jié)能減排的新形勢下，蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)應(yīng)用而生，以其節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)，迅速占領(lǐng)市場，并具有“零費(fèi)用制冷技術(shù)”、“綠色空調(diào)”[1]等美稱，蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)和傳統(tǒng)的機(jī)械制冷相比，具有較低的冷卻設(shè)備成本，能克服機(jī)械制冷耗電量過大等問題、能減少溫室氣體和CFC排放量等特點(diǎn)[2]。
本文介紹了近年來蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用情況，及其在半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)和除濕與蒸發(fā)冷卻相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)方面的研究情況。
1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用及存在的問題
蒸發(fā)冷卻技術(shù)在我國經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了這項(xiàng)既節(jié)能又環(huán)保的技術(shù)，特別在我國西北的干旱地區(qū)其效果更明顯。
我國西北地區(qū)晝夜溫差大，空氣干燥，夏季室外空調(diào)計(jì)算濕球溫度較低，晝夜溫差大；冬季室外干球溫度較低，多為干冷氣候。這些獨(dú)特的氣象條件為蒸發(fā)冷卻技術(shù)提供了天然的應(yīng)用場所，蒸發(fā)冷卻是一種適宜于在干燥地區(qū)使用的供冷技術(shù)，它利用水分蒸發(fā)吸熱來降低送風(fēng)溫度，從而降低房間溫度。西部的特殊氣候條件使得蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)替代常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)成為可能[3]。
當(dāng)前我國西北地區(qū)的許多高樓大廈、公共建筑內(nèi)，仍廣泛使用機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)。盡管這些系統(tǒng)提供著舒適的工作生活環(huán)境，但和蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組相比較，其一次性投資巨大、運(yùn)行費(fèi)用高昂、維護(hù)與養(yǎng)護(hù)復(fù)雜，而且會(huì)引發(fā)“病態(tài)建筑綜合癥”和造成環(huán)境污染。蒸發(fā)冷卻技術(shù)使用100%新風(fēng)運(yùn)行 ，不使用CFC，明顯優(yōu)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。
目前在我國西部地區(qū)多采用集中式蒸發(fā)冷卻技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)如下表所示：
表1-1 集中式蒸發(fā)冷卻技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的對比
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
使用時(shí)間長 ，便于維護(hù)，整個(gè)系統(tǒng)在需進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的場所僅有風(fēng)道敷設(shè)而沒有水路布置，設(shè)計(jì)簡單、成本低
應(yīng)用單元式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)濕度較高
消除了水滲漏的問題
由于是采用冷空氣對室內(nèi)進(jìn)行冷卻而空氣的比熱較小，導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)道大，使用靈活性差
在過渡季節(jié)采用全新風(fēng)可節(jié)約能耗
目前尚沒有物美價(jià)廉的末端產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)多個(gè)房間分別控制調(diào)節(jié)
但從設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)的角度考慮，對溫濕度控制精度要求不高的舒適性空調(diào)而言，集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)仍具有可行性，尤其對大型娛樂場所、餐飲、商場、體育場館、會(huì)議中心、各種活動(dòng)中心等公共場具有很大優(yōu)勢。這也是集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在地區(qū)近年來應(yīng)用廣泛的一個(gè)重要原因[4]。
2 半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)
集中式空調(diào)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是風(fēng)道大、使用靈活性差，而且不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)房間分別進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，因此在某些場合限制了集中式空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。因?yàn)榘爰惺娇照{(diào)系統(tǒng)能單獨(dú)調(diào)節(jié)各個(gè)房間溫度，適合于風(fēng)管不易布置和層高較低的場所，如賓館客房和寫字間等，故提出了半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)。
傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)所用的冷媒是冷水機(jī)組提供的冷水，故冷水機(jī)組是核心。而半集中式蒸發(fā)冷卻技術(shù)的核心是蒸發(fā)冷卻段，是利用水的蒸發(fā)取得能量，它不是將蒸發(fā)后的水蒸氣再進(jìn)行壓縮、冷凝回到液態(tài)水后再進(jìn)行蒸發(fā)，而是直接補(bǔ)充水分來維持蒸發(fā)過程的進(jìn)行，系統(tǒng)中新風(fēng)由蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組處理，根據(jù)室外設(shè)計(jì)參數(shù)和符合特點(diǎn)可選單級(jí)或多級(jí)蒸發(fā)冷卻。其在世界范圍內(nèi)的研究進(jìn)展情況如下所示。
屈元等人針對西北地區(qū)目前使用的蒸發(fā)冷卻技術(shù)模式單一及其他問題，以烏魯木齊為例對半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的半集中式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析，討論了半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在西北應(yīng)用的可能性[5]。
江億等人提出來了一種間接蒸發(fā)式供冷的方法及其裝置[6]。該裝置是在普通冷卻器進(jìn)風(fēng)口處增設(shè)了增加成本不高卻可節(jié)約大量能源的空氣—水逆流換熱器而形成的，其目的是采用逆流換熱、逆流傳質(zhì)來盡量減少傳熱傳質(zhì)過程中的不可逆損失，以得到較低的供冷溫度和交大的供冷量，提高設(shè)備利用率，節(jié)約能源。該間接供冷式裝置的研制成功為半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在西北地區(qū)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
蘭治等人對蒸發(fā)冷卻與干式（工況）風(fēng)機(jī)盤管相結(jié)合的半集中式空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過實(shí)例計(jì)算和系統(tǒng)分析表明，它不僅解決了目前蒸發(fā)冷卻技術(shù)中存在的風(fēng)管尺寸大、難以分室控制等問題，還比直流式全新風(fēng)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)減少能耗21.9%以上[7~8]。
李銀明對蒸發(fā)冷卻與輻射吊頂相結(jié)合的半集中式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[9]；對新型輻射板在夏季與蒸發(fā)冷卻結(jié)合供冷和在冬季供熱的能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為輻射吊頂與蒸發(fā)冷卻相結(jié)合的新型空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用提供了詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)；指出了新型輻射板與蒸發(fā)冷卻相結(jié)合具有廣闊的應(yīng)用前景[10]；提出了將蒸發(fā)冷卻技術(shù)與冷吊頂相結(jié)合的新型半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)由蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組承擔(dān)室內(nèi)的潛熱負(fù)荷，冷卻吊頂承擔(dān)室內(nèi)的顯熱負(fù)荷，冷卻吊頂盤管中的冷水采用當(dāng)?shù)氐奶烊坏叵滤⒆詠硭蚶鋮s塔產(chǎn)生的冷卻水（16~18℃），冷卻吊頂在夏季用于冷輻射，冬季用于熱輻射。該系統(tǒng)達(dá)到了節(jié)能、減小送風(fēng)管道尺寸、滿足全年運(yùn)行需要的目的[11]。以西安地區(qū)某一高檔辦公室為例，分析了室內(nèi)空氣溫度分別為24℃和26℃時(shí)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度與發(fā)射系數(shù)的關(guān)系，得到了當(dāng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面發(fā)射系數(shù)滿足一定條件時(shí)，蒸發(fā)冷卻/輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)要比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能，并且熱舒適性相同的結(jié)論[12]。李銀明等人還針對目前國內(nèi)應(yīng)用輻射吊頂系統(tǒng)存在初投資高、冷卻能力有限、容易結(jié)露等問題，提出了一種適合炎熱干燥地區(qū)并能解決上述問題的送風(fēng)方式——頂棚散流器擴(kuò)散送風(fēng)，并從西北地區(qū)的氣象條件出發(fā)，詳細(xì)分析了在西北主要城市應(yīng)用該系統(tǒng)是輻射板上結(jié)露的可能性，并提出了解決結(jié)露的具體方案[13~14]。
劉曉華等人提出了在設(shè)計(jì)溫濕度獨(dú)立控制的空調(diào)系統(tǒng)的方案；新風(fēng)承擔(dān)濕負(fù)荷，風(fēng)機(jī)盤管運(yùn)行在“干工況”以帶走顯熱負(fù)荷。介紹了間接蒸發(fā)冷水機(jī)組利用室外干燥的新風(fēng)產(chǎn)生冷水（冷水溫度理論上可無限接近新風(fēng)露點(diǎn)溫度）的方法，并以石河子某大廈為例，介紹了間接蒸發(fā)冷卻制冷的溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方法[15]。
L. Bellia等人在意大利的氣候條件下，針對加裝蒸發(fā)冷卻段的全空氣和空氣-水混合系統(tǒng)作了經(jīng)濟(jì)分析，歐洲測試參考年中意大利的氣象書記進(jìn)行處理后，得出了這種系統(tǒng)與傳系統(tǒng)的性能比較結(jié)果。采用適當(dāng)?shù)挠?jì)算程序?qū)δ芰肯暮瓦\(yùn)行成本做出了評價(jià)[16]。
J. L . Niu等人提出了一種用于炎熱潮濕地區(qū)的輻射吊頂與除濕冷卻相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)。為了評價(jià)系統(tǒng)的性能和節(jié)能潛能，還對另外3種系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行了分析。逐時(shí)模擬結(jié)果表明，輻射吊頂與除濕冷卻相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)比普通定風(fēng)量全空氣系統(tǒng)可節(jié)能44%，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)輪除濕的再生在全年70%的時(shí)間內(nèi)可用溫度為80℃的低品位熱能來實(shí)現(xiàn)[17]。
B. Costelloe等人分析了蒸發(fā)冷卻在南歐和北歐的應(yīng)用情況，借鑒了最近的實(shí)驗(yàn)研究成果，用于分析的氣象數(shù)據(jù)為氣象測試參考年的數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明用蒸發(fā)冷卻方法產(chǎn)生冷卻水有很大的潛力。間接蒸發(fā)冷卻空氣-水系統(tǒng)不但在北歐溫帶地區(qū)，而且在南歐部分城市也具有廣闊的應(yīng)用前景[18]。
L. Z. Zhang等人采用逐時(shí)計(jì)算方法對除濕冷卻與輻射吊頂相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)在我國東南地區(qū)氣象條件下的應(yīng)用情況進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，該空調(diào)系統(tǒng)比全空氣系統(tǒng)可節(jié)能40%以上，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)輪除濕的再生在全年90%的時(shí)間內(nèi)可用溫度為80℃的低品位熱能來實(shí)現(xiàn)，而采用舊的蒙特環(huán)境控制循環(huán)，全年只有30%的時(shí)間可以利用低品位熱能[19]。
T. W. Qing等人分析了現(xiàn)有集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)存在的風(fēng)道尺寸大和不能實(shí)現(xiàn)分時(shí)控制的缺點(diǎn)，對應(yīng)用半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了分析和論證[20]。
3 除濕與蒸發(fā)冷卻相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)
表3-1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)及其與初始系統(tǒng)相結(jié)合性能比較
不同地區(qū)的使用蒸發(fā)冷卻技術(shù)的情況
干燥地區(qū)
得了很好的節(jié)能效果
完全可以替代常規(guī)空調(diào)實(shí)現(xiàn)舒適性空調(diào)
COP值很高，從而可以大大降低空調(diào)制冷耗能
非干燥地區(qū)
能直接使用蒸發(fā)冷卻技術(shù)，需要與除濕技術(shù)相結(jié)合
與除濕系統(tǒng)相結(jié)合的蒸發(fā)冷卻技術(shù)
原理
先將被空氣用除濕劑或通過吸附除濕處理成干燥空氣，再經(jīng)蒸發(fā)冷卻處理至送風(fēng)狀態(tài)
優(yōu)點(diǎn)
利用溫度較低的熱源來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（實(shí)現(xiàn)溶液的再生）為低品位熱源（熱源溫度為80℃左右）驅(qū)動(dòng)制冷空調(diào)提供契機(jī)
將熱源以高濃度的除濕溶液的形式儲(chǔ)存起來，具有良好的蓄能前景
濕負(fù)荷在總的空調(diào)負(fù)荷中占20%~40%，是整個(gè)空調(diào)負(fù)荷的重要組成部分。如下圖所示，在傳統(tǒng)空氣處理（一次回風(fēng)）系統(tǒng)中，新風(fēng)W和回風(fēng)N混合值狀態(tài)C。通過表冷器降溫除濕至狀態(tài)L，最后再加熱至送風(fēng)狀態(tài)O；在溶液除濕蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)中，C點(diǎn)空氣通過除濕器被處理至狀態(tài)D，之后經(jīng)過一個(gè)顯熱交換器，降溫至狀態(tài)點(diǎn)E，最后通過直接蒸發(fā)處理至送風(fēng)狀態(tài)O。在傳統(tǒng)空氣處理中，顯熱負(fù)荷與濕熱負(fù)荷是同時(shí)處理的，通常為了滿足系統(tǒng)的濕負(fù)荷，而增加顯冷負(fù)荷，最后再通過加再熱方式調(diào)整至送風(fēng)狀態(tài)，這就浪費(fèi)了部分能量，如果采用二次回風(fēng)系統(tǒng)雖然可以避免再加熱從而節(jié)約部分能量，但是空氣需要降低到更低的溫度，使得制冷機(jī)組性能下降。
圖3-1 被處理空氣狀態(tài)變化圖
而在溶液除濕蒸發(fā)冷卻技術(shù)中，將被處理空氣的總負(fù)荷轉(zhuǎn)化為顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷分別處理，即潛熱負(fù)荷部分QL與顯熱部分QS，潛熱部分通過除濕溶液吸收水分降低其含濕量，顯熱部分可以通過冷卻塔的循環(huán)水或通過間接蒸發(fā)冷卻器來冷卻，這樣就不會(huì)出現(xiàn)能量浪費(fèi)，大大降低能量的消耗。特別是對于夏熱冬冷地區(qū)特有的梅雨季節(jié)，氣溫不太高，濕度較大，此時(shí)系統(tǒng)需要負(fù)擔(dān)的濕負(fù)荷很大，而冷負(fù)荷較小，將顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷分開處理節(jié)能效果顯著[21~23]。
國內(nèi)外對其的研究進(jìn)展情況如下所示。
EI-Dessouky等人提出了一種新型的空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將膜空氣干燥和間接/直接蒸發(fā)冷卻進(jìn)行了復(fù)合。膜除濕蒸發(fā)冷卻技術(shù)工作的相對濕度范圍在30%~100%之間，溫度在22~45℃之間。分析表明，膜除濕蒸發(fā)冷卻技術(shù)相對于機(jī)械蒸發(fā)冷卻機(jī)可節(jié)能86.2%；機(jī)械蒸發(fā)式制冷機(jī)和間接蒸發(fā)冷卻的組合系統(tǒng)及機(jī)械蒸發(fā)式制冷機(jī)和直接加間接蒸發(fā)冷卻的組合系統(tǒng)分別比傳統(tǒng)的單獨(dú)機(jī)械蒸發(fā)式制冷方式節(jié)能49.8%和58.9%[24]。
D. W. Johnson等人描述了中空纖維膜在蒸發(fā)冷卻技術(shù)中的應(yīng)用，中空纖維膜被捆扎成束，類似接觸器的原理。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明合理的纖維數(shù)量和膜表面積能提供比傳統(tǒng)空調(diào)更高的制冷效率[25]。
4 結(jié)論
蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一種節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和可提高室內(nèi)空氣質(zhì)量的冷卻方式。由空氣蒸發(fā)器與空氣輸送及分配系統(tǒng)構(gòu)成的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上也是一種直流式（全新風(fēng)）空調(diào)系統(tǒng)。目前蒸發(fā)冷卻技術(shù)已在我國西北地區(qū)的等地的紡織廠等工業(yè)建筑和體育館、商場、賓館、寫字樓、醫(yī)院等民用建筑中廣泛應(yīng)用，且取得離開良好的節(jié)能效果；同時(shí)，在系統(tǒng)上已由單獨(dú)直接蒸發(fā)冷卻的集中式系統(tǒng)發(fā)展到半集中式系統(tǒng)，以及與除濕系統(tǒng)相結(jié)合的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都取得了很好的應(yīng)用效果。
目前，人們正在就半集中式蒸發(fā)冷卻及與除濕系統(tǒng)相結(jié)合的蒸發(fā)冷卻技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入的研究，使其能更好的適應(yīng)不同地區(qū)的環(huán)境，并在節(jié)能、環(huán)保和提高室內(nèi)空氣質(zhì)量等方面發(fā)揮重要作用。
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