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采用水蒸发冷却(冷凝)技术的空调制冷设备标准解读

发表日期:2020/11/11 9:37:58 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

20世纪初,现代意义上的水蒸发冷却技术在美国率先开始了工程应用,但直到20世纪70年代才开始制定标准。20世纪60年代我国也开始应用水蒸发冷却技术用于某些特殊场所的降温,蒸发冷凝技术就在氨制冷系统中广泛应用。由于其特别优秀的节能性与经济性,特别是改革开放我国经济和工程技术的快速发展,20世纪90年代始蒸发冷技术在我国获得了广泛的应用,相应标准化时机也正式到来。

2007年列入国家标准制修订计划,2010年国家标准化管理委员会批准发布蒸发冷却领域的第一部国家标准GB/T 25860—2010《蒸发式冷气机》,标志着我国蒸发冷却领域进入标准化时代。此后,全国冷冻空调设备标准化技术委员会又陆续制定了一系列应用在不同领域的多种型式的水蒸发蒸发冷却技术应用产品标准,这些产品标准的发布与实施,极大地推动了蒸发冷技术的应用与发展,由于有量化要求的产品性能指标和科学严谨的测试评价方法的产品标准的保驾护航,相关利益方的权益得到更公平的保障,产业发展更加健康。

本文旨在对蒸发冷领域的重要术语概念进行辨析,对蒸发冷却领域的系列标准进行概述,对系列标准中重要典型标准给予较为详细的解读,以促进水蒸发冷却技术应用产品标准的合理应用。

1  两类蒸发冷的辨析

业界经常指称的“蒸发冷”技术,主要有两种不同的应用类别。

一类是“利用空气的干湿度温差对空气进行等焓降温”的终端设备,其换热过程近似绝热过程,水蒸发带走空气中的热量多少取决于空气的干湿球温差,利用该原理的设备基本作为独立的空调设备使用。

还有一类是用在制冷剂蒸气压缩循环制冷系统中的过程设备,也经常被称为“蒸发冷”,其原理是,“利用喷淋水的蒸发并和空气强制循环对流换热移出密闭的制冷剂蒸气压缩循环系统内的制冷剂凝结热”,即冷却高温高压的制冷剂蒸气使其冷凝液化。其换热过程不是绝热过程,移出的热量多少取决于冷凝管外表面温度的高低,水蒸发冷却在该场合的应用只是一个工艺过程。

从系统应用的独立性及水蒸发换热目标的角度,前一个水蒸发冷却过程是对使用侧目标空气进行等焓降温,应该称之为“蒸发冷却”;后一个水蒸发冷却过程是移出另一个系统的冷凝热,使制冷剂蒸气冷凝液化,应该称之为“蒸发冷凝”。

建议业界今后尽量少用“蒸发冷”这样的简称,以免混淆。

2  水蒸发冷却应用技术产品标准体系现状

截止到2020年4月,全国冷冻空调设备标准化技术委员会已经完成制定及正在制定的水蒸发冷却(冷凝)领域的国家和行业标准三大类5小类标准共计有11项(表1)。

表1  国冷冻空调设备标准化技术委员会已经完成制定及正在制定的水蒸发冷却(冷凝)领域的国家和行业标准三大类5小类标准

3  三类典型水蒸发冷却技术应用产品标准解析

3.1  水直接蒸发冷却在使用侧直接处理使用侧空气介质

该类型产品的典型标准是GB/T 25860—2010 《蒸发式冷气机》,其原理是利用空气的干湿度温差进行等焓降温技术,使用侧干空气通过湿帘的作用在和水分子充分接触后温度降低、湿度增加、焓值不变的过程(图1)。

图1  空气等焓增湿降温

GB/T 25860的标准化对象是“一种通过强制对流使空气和喷淋水直接接触并把需要处理的空气的显热传递给水而实现空气的增湿降温的机组” ,是一种单元式的空调设备,标准以“制冷量”和“能效比”作为表征产品基本特性的主技术参数,受控的技术参数有:风量、蒸发效率、显热制冷量、水蒸发量和能效比。性能参数测试工况分为干燥和潮湿态两个名义工况 (表2)。

表2  名义工况

几乎所有的文献都描述水蒸发冷却在干燥地区应用的巨大优势,但实际上在相对潮湿地区等焓增湿降温的水蒸发冷却技术同样获得了广泛应用。GB/T 25860标准中有关潮湿工况的规定,为水蒸发冷却设备在高湿地区应用奠定了技术基础。我国的高湿地区如华南和华东地区及长江流域也是工业密集地区,对热负荷巨大,人员密集且需要除尘加湿的工作场所(如机械热加工铸锻焊热处理车间,金属冶炼车间,成衣制造,临时性露天集会场所等)使用水蒸发冷却空调机组具有巨大的成本优势。

GB/T 25860标准针对产品主要技术参数“蒸发效率、显热制冷量、水蒸发量和能效比”的测试,在附录D(规范性附录)里给出了两种试验方法:风洞试验和房间试验(图2、图3)。

图2  风洞试验装置图

图3  房间试验装置图

两种方法的测试数据都是有效的,但在测试结果出现偏差争议时,标准规定以风洞法结果为准。

3.2  水蒸发冷却在制冷循环中用作冷凝器内制冷剂的冷却

典型应用产品是带有水蒸发冷凝器的蒸气压缩循环制冷系统,如蒸发冷凝式冷水机组。该类产品的典型标准是JB/T 12323—2015《蒸气压缩循环蒸发冷却式冷水热泵机组》,其标准化对象是冷水热泵机组。产品的工作原理(图4)是在冷凝器上加装水喷淋装置,利用循环喷淋冷却水的蒸发和空气强制循环换热将冷凝器管内侧的制冷剂凝结热带走。其换热过程不是绝热过程,水蒸发冷却也只是制冷循环系统中的一个工艺过程。

图4  产品原理图

因为标准化对象是冷水机组,JB/T 12323-2015性能技术参数及测试方法与冷水热泵机组产品的元标准GB/T 18430.1—2007《蒸气压缩循环冷水(热泵)机组》基本相同,只是能效指标综合部分负荷性能系数的限值要求低于水冷式而高于风冷式。

JB/T 12323—2015 还对产品的其他性能进行了相应规定,如:防腐性能,冷却水系统性能,防冻剂应用性能,启动、耐湿、淋水绝缘等性,详见JB/T 12323—2015中的5.3、5.10.5、5.12.5、5.12.6、5.12.7的具体内容。

3.3  水蒸发冷却在制冷循环中用作冷却水的降温

该类产品的典型标准是全国冷标委2018年完成草案编制并通过委员会审查上报的行业标准JB/T xxxxx—2020《带蒸发冷却式换热器的单元式空调机》。

其特点是:水蒸发冷却换热器用作对制冷循环中冷却水的持续降温(图5),虽然与本文3.2类似也是蒸气压缩循环的一个工艺过程,但其对冷却水的降温过程则是一个近似绝热过程,冷却水的降温极限是循环空气的湿球温度。

图5  产品原理图

其与水蒸发式冷凝器相比,以防火耐腐蚀的高分子纤维为换热填料,内部采用风洞结构,是载冷剂二次换热型,解决了板管式换热器耗费钢材、工艺结构复杂、氟系统延伸距离远、耐压强度高等缺点,使得整个系统占地更小、能耗更少、能效比更高。

由冷凝器和蒸发式换热器集成一体的蒸发冷却冷凝系统,以一体式作为技术特征而区别于分体式的冷水塔系统,克服了冷水塔占地面积大、噪声大的缺点。这种新型的蒸发冷却式换热器适用于各种类型的单元式空调机,使用灵活,应用前景广阔。

因为该标准的对象仍然是单元式空调机,因此,其主要技术参数及测试方法等同于GB/T 17758—2010《单元式空气调节机》。

4  间接蒸发冷却类产品标准化进展

按照被处理流体介质(空气和水)与水直接接触与否,水蒸发冷却又分为直接蒸发冷却与间接蒸发冷却。间接蒸发冷却过程,产出介质(冷风或冷水)与工作介质(空气或水)间接接触进行热交换,产出介质与工作介质之间没有质的交换。因其产出的冷风是低温非饱和状态,比直接水蒸发冷却冷气机产出的饱和状态冷风更适合计算机与数据处理机房的降温时对冷风的湿度要求;同时,其优势明显的节能特性,正好满足了计算机与数据处理机房PUE限值日益降低(数据中心总能耗/IT设备能耗,这个值越低节能效果越好,通常PUE≤1.4)的要求;可避免室外空气中可吸入颗粒物及有害气体直接进入计算机与数据处理机房对IT设备所造成的影响;间接式水蒸发冷却技术在计算机与数据处理机房的应用获得了越来越广泛的应用。

全国冷冻空调设备标准化技术委员会正在陆续组织制定多项间接蒸发冷却式制冷设备(冷水机组)与空调(空调机组)设备的标准,2019年就有4项相关的行业标准项目列入工业与信息化部的年度行业标准制修订计划之中(表1中(5)~(8),各项标准的起草工作组已经完成了草案的编制,正处在标准制定程序要求的“征求意见阶段”,计划2020年底完成审查与报批程序。

5  结束语

水蒸发冷却技术本质上是一种自然冷却技术,超高的节能性能顺应节能环保的时代需求,注定具有广泛的发展前景。

全国冷冻空调设备标准化技术委员会秉承标准制定的适时与超前原则,顺应行业发展需要,及时制定行业发展需要的国家或行业标准,为行业的健康稳定绿色发展保驾护航。


本文选自《制冷与空调》2020年9月刊6-10页;作者:张明圣  马金平  胡一清;未经许可,不得转载


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