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干燥地区住宅建筑蒸发冷却通风空调技术的应用研究

发表日期:2021/1/4 10:59:35 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

我国干燥地区空气的相对湿度较低,具有富足的“干空气能”,而蒸发冷却技术可以很好地利用这些“干空气能”对居住建筑进行降温。传统的机械制冷空调在使用过程中会降低室内的相对湿度,且一直使用循环风,并没有太多新风的补充,在房间中停留过久可能会导致用户皮肤干燥、身体不适等现象出现。而蒸发冷却空调正好可以弥补这些问题,不使用压缩机且用水作为制冷剂,响应了节能减排的号召,在给干燥地区降温的同时,也给房间适度加湿,提高了用户的热舒适感。在使用过程中对室内新风的补充不仅加强了空气流动,而且改善了供冷房间室内的空气品质。对于居住建筑不同送风温度的需求,可对应选择直接、间接以及露点间接蒸发冷却技术的设备,使供冷房间室内温湿度满足舒适性要求,给用户凉爽舒适的感受。

1  住宅建筑蒸发冷却空调形式

1.1  移动蒸发式冷风扇

移动蒸发式冷风扇(图1)是我们生活中常见的一种蒸发冷却设备,既经济环保,又使用便捷,对住宅房间的局部降温非常方便。在其运行过程中,由于水泵和布水器的作用下将水均匀的布置于填料上,在填料表面形成水膜,此时,风经过填料与水进行热湿交换,温度降低、湿度增加,进而实现等焓降温的直接蒸发冷却过程。但在使用期间需要保持室内良好的通风环境,可考虑加装排风设备或打开门窗通风。

图1  移动蒸发式冷风扇

1.2  窗式直接蒸发冷却器

窗式直接蒸发冷却器(图2)常安装于紧挨房间室外的墙壁或窗户玻璃上,通过窗户将冷风送入室内,且采用直流式全新风送风模式给室内降温。其原理与移动蒸发式冷风扇相似,填料固定于机身内部,由于水泵和布水器的作用下将水均匀的布置于填料上形成水膜,此时室外新风经过填料与水进行热湿交换,将降温加湿后的空气送往室内。

图2  窗式直接蒸发冷却器

1.3  热回收新风换气机

直接蒸发冷却过程对空气的降温处理有限,为了达到更好的温降效果,可以结合间接蒸发冷却技术,获得更低的送风温度。当使用热回收新风换气机(图3)给住宅建筑降温时,通常采用立式接风管的形式,将供冷房间室内回风通过回风管道送入机组热交换器的湿通道中,同时室外新风进入干通道,回风中的冷量通过换热芯体对新风进行等湿冷却,温度降低后的新风再经过喷淋段加湿降温后送入室内。

图3  热回收新风换气机外观图

1.4  露点间接蒸发冷却空调

间接蒸发冷却技术在理想情况下可将空气处理至接近湿球温度,当仍不满足温降需求时,我们就要采用露点间接蒸发冷却技术。露点间接蒸发冷却空调(图4)通常安装于住宅建筑室外,在机组运行时,室外新风进入冷却器干通道,由于干通道末端区域被挡板挡住,所以部分空气通过小孔进入湿通道发生直接蒸发冷却过程,这部分空气在干通道中流动距离越长,便可以获得更低的干球温度,使得对应湿通道中温度更低。剩余空气在干通道中发生等湿冷却温度不断降低,再经过机组的直接蒸发冷却段进行加湿降温后由风管送入室内。

图4  露点间接蒸发冷却空调机组


2  蒸发冷却机组的评测指标

2.1  显热制冷量

单位时间内由于水蒸发吸收热量使得通过空气显热降低的量值称为显热制冷量,其计算式如下:

式(1)中:q 为空气体积流量(m3/s);ρ 为空气密度(kg/m3);cp为空气的定压比热容[kJ/(kg·℃)];tg1为进风干球温度(℃);tg2为出风干球温度(℃)。

2.2  能效比(EER)

能效比(EER)是显热制冷量和输入功率的比值,是评价直接蒸发冷却设备性能的重要参数,其计算式如下:

式(2)中:Q 为显热制冷量(W);P 为输入功率(W)。

2.3  送风量

根据降温房间夏季冷负荷计算出送风量,其公式如下:

式(3)中:L 为送风量(m3/h);Q 为冷负荷(kW);ρ 为直接蒸发冷却设备出风口空气密度(kg/m3);Cp为空气比热容[kJ/(kg·℃)];η 为设备蒸发效率(%);twg为室外干球温度(℃);tws为室外湿球温度(℃);tng为室内设计干球温度(℃)。

2.4  湿球效率

湿球效率是评价直接蒸发冷却设备性能的一个重要参数,其计算式如下:

式(4)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(℃)。

2.5  冷风比

空调设备制冷量和送风量的比值称为冷风比,是评价空调制冷效果的指标之一。

3  实测调研

3.1  项目概况

测试项目位于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐及喀什地区,供冷期为每年6月1日—8月31日。

新疆乌鲁木齐天山区某住宅建筑共七层,所测试房间位于顶层,层高2.8 m,使用窗式蒸发冷却空调器为面积16 m2、负荷1 260 W的南侧卧室进行降温(图5)。

图5  乌鲁木齐市天山区某住宅建筑

新疆乌鲁木齐市南昌南路某住宅建筑(图6)共7层,所测试房间位于6层,层高2.8 m,对其中两间卧室进行制冷,所安装设备为热回收新风换气机和移动蒸发式冷风扇。使用移动蒸发式冷风扇为面积11 m2、负荷420 W的东北角卧室进行降温,热回收新风换气机为面积25 m2、负荷2 000 W的西南角卧室进行降温。

图6  乌鲁木齐市南昌南路某住宅建筑

新疆喀什地区伽师县某两层住宅空调面积188.8 m2,高度6.9 m,制冷设备采用两台露点间接蒸发冷却空调机组,均设置于建筑物室外地面上。其中北侧的露点间接蒸发冷却空调机组对住宅建筑一层的四个卧室降温,南侧的露点间接蒸发冷却空调机组对二层的四个卧室降温,该设备产出的冷风通过管道连接送入对应房间室内。

3.2  测试内容

3.2.1  温湿度参数测试

移动蒸发式冷风扇和窗式直接蒸发冷却器的测点均布置于设备进、出风口,热回收新风换气机的测点均布置于机组进、出风口及回风口、排风口,露点间接蒸发冷却空调的测点均布置于机组进、出风口及排风口;住宅建筑室内测点布置于对应设备出风口1.2~1.4 m人体温度可感受范围。采用温湿度自记仪进行测试,每分钟记录一次数据。

3.2.2  风速测试

分别对各设备进、出风口、回风口及排风口的截面尺寸进行测量,并对风口截面划分为接近于正方形,且面积不得大于0.05 m2。对划分后的各截面中心处风速进行测量,取平均值即为各风口风速。

3.3  实测分析

在完成以上4款设备开启并运行30 min后,各风口处温湿度参数的测试情况,对实测数据进行了整理,从中选取10组有效数据,整理分析结果。

3.3.1  移动蒸发式冷风扇

通过对测试房间门窗先关闭后开启这两种工况下数据(图7和图8)的整理发现,移动蒸发式冷风扇的进风干湿球平均温度差由4.7 ℃变为6.5 ℃,经过直接蒸发冷却后的送风干球温度也由26.5 ℃降低至24.5 ℃。开启门窗后,室内空气干球温度和相对湿度均满足舒适性要求。

图7  关闭门窗室内的温度变化图

图8  打开门窗室内的温度变化图

3.3.2  窗式直接蒸发冷却器

测试过程中室外气温为32 ℃左右,相对湿度为37%,室外新风由窗式直接蒸发冷却器进行直接蒸发冷却过程,将进风口处干球温度28.7 ℃,湿球温度20.6 ℃,相对湿度46.6%的空气处理至干球温度22.0 ℃,相对湿度79.2%送往室内(图9和图10)。

图9  窗机测试期间的温度变化图

图10  窗机测试期间的湿球效率变化图

通过对数据的整理发现,进风干湿球平均温度差为8.1℃,经过直接蒸发冷却后的送风干球温度平均能保持在22.0℃,湿球效率基本上稳定在72%左右,刚开始效率低是由于填料没有被完全润湿,随着填料逐渐被润湿,湿球效率逐渐增大并趋于稳定。使用该空调器后,室内降温较明显,相比于进风口处有3℃左右的降温。

3.3.3  热回收新风换气机

通过对数据的整理发现,在测试期间室外新风平均干球温度为34.6 ℃,将室外新风处理至送风状态点时的平均温降为17.0 ℃,送风口风速为1.2 m/s,回风平均干球温度为26.7 ℃,新风换气机热回收效率为74.4%。使用该空调器后,室内温度有明显的降低,相比于室外有6.6 ℃左右的降温(图11)。

图11  新风换气机测试期间的温度变化图

在测试过程中,室外气温由31.6 ℃逐渐上升至37.5 ℃,相对湿度为21.9%,停留于室外会感到炎热干燥。当开启设备后,既加强了室内的空气流动使新风不断地送入房间,又可以降低室内温度,站在房间出风口所能覆盖的范围内,会明显感觉到被加湿冷却的新风带来的温降,并且以适宜的速度送风,满足舒适性要求。这种间接加直接蒸发冷却的送风模式,使房间内空气的相对湿度增加至41.7%左右,提供一个更加舒适的室内环境。

3.3.4  露点间接蒸发冷却空调

测试使用的露点间接蒸发冷却空调机组风量为1 500 m3/h,测试时间段内室外空气干球温度在34.6 ℃左右,相对湿度在28.7%左右,室外空气为炎热干燥状态。对机组的测试数据整理分析,其进、出风口温度与冷却效率随时间变化如图12所示。

图12  露点间接蒸发冷却空调测试期间各项参数变化图

在露点间接蒸发冷却空调机组进风口干球温度为28.6 ℃,湿球温度为20.1 ℃的工况下,机组的出风温度达到19.9℃,该机组的湿球效率维持在102%左右。机组的出风干球温度理想情况下应突破湿球温度达到亚湿球温度状态,但根据测试效果显示其出风干球温度基本与进风口湿球温度持平,机组的温降在8.7 ℃左右。

对房间室内布置的8个温湿度测点的数据进行整理分析,其中一层房间室内空气干球温度为26 ℃,相对湿度为55%,满足热舒适要求。二层房间由于是顶层,负荷较大,机组提供的冷量没有完全消除室内的冷负荷,导致未能达到设计参数要求,后期应增加二层房间机组送风量。

4  不同蒸发冷却设备形式的比较

移动蒸发式冷风扇具有结构简单、使用方便、价格低廉等明显优势,并且使用该设备时产生的噪声较小,可以为用户提供舒适的睡眠环境,因此被广泛使用于住宅建筑。干燥地区夏季昼夜温差大,送风温度不宜过低,送风速度也要在一个适宜的范围内,而移动蒸发式冷风扇可以换挡调节,方便按需使用。但在使用过程中需开窗通风或增加排风装置,以加强室内空气流动,使得房间内空气相对湿度稳定在人体舒适范围。

窗式直接蒸发冷却器的优势在于采用了直流式全新风送风模式,通常直接外挂于室外墙壁,由窗户或墙壁上的洞口与室内相连。考虑到独特的安装方式,该设备一般选择室外有阳台或便于工作人员安装的房间。相比于移动蒸发式冷风扇,窗式直接蒸发冷却器降温效果更好,并且可去除室内的异味,改善室内空气品质。对于窗式直接蒸发冷却器的研究时,有以下4个方面需要进一步改善:

1)比较相同制冷量的空调设备尺寸发现,窗式直接蒸发冷却器在外形尺寸方面,相较于机械制冷窗机和机械制冷空调室外机在长宽高方面均有些过大,应进行优化使其尺寸更适合家用。

2)运行该设备时,对窗户造成的震动影响:该设备并未与窗户玻璃直接接触,使用时未感觉到可能出现的震动现象;但后期对于安装方式的进一步改进可能造成对墙体、支架的震动,应做好相应准备。

3)安装方式的改进:本工程中对窗式直接蒸发冷却器的安装占用过多阳台空间,后期可使用固定于墙体之上的斜三角形支架对其进行安装,使其美观且占用空间较小。

4)本工程中设备正常运行实测得到湿球效率为72%,在今后的改进中可增加填料厚度且调整布水方式,以达到更高的湿球效率。

我国干燥地区夏季空调房间室内的空气凉爽舒适,将其直接排向室外会造成能源的浪费,可以利用室内凉爽的排风预冷室外新风,节省新风系统能耗。热回收新风换气机可以提供较低的送风温度,适用于较大面积房间或多个房间的降温。对于热回收新风换气机的研究时,机组热回收效率较高,温降满足要求,但送风量过低且机组尺寸过大,在今后的研究过程中,需对于以上提及的问题做以优化,使该设备更适用于居住建筑供冷。

露点间接蒸发冷却空调可以使被处理空气冷却至湿球温度以下,所以比已有的板翅式、管式、热管式间接蒸发冷却器效率高,其湿球效率可达100%以上,充分发掘了室外的干空气能。该设备可以提供较大的送风温差,适用于大面积住宅建筑的降温,但由于其换热芯体内部有多个小孔,所以不适用于水质较硬、易结水垢地区。对于露点间接蒸发冷却通风空调的研究时,有以下两个方面需要改善:

1)水质问题:喀什地区由于其水质的特殊性,整体硬度较强,这样会产生大量水垢,从而堵塞设备内部换热芯体的小孔,使机组效率大幅降低,应考虑增加对水质净化处理的装置。

2)风沙问题:喀什地区在夏季经常会出现沙尘天气,该设备的初效过滤网很容易被局部损坏,从而不能起到保护机器的作用,可考虑使用移动蒸发式冷风扇或根据实际情况看是否可将设备放置于室内,窗户的纱窗可先将大颗粒过滤于室外,对设备尽可能的提供保护作用。

5  结束语

使用蒸发冷却空调设备给住宅建筑降温,并对降温效果进行测试分析,得到以下结论:

1)通过测试证明了蒸发冷却通风空调技术适合干燥地区住宅建筑的通风降温,室内干球温度低于26 ℃,相对湿度低于60%,满足热舒适要求。

2)移动蒸发式冷风扇、窗式直接蒸发冷却器、热回收新风换气机和露点间接蒸发冷却空调,在工作过程中均加强了室内空气流动,使新风不断地送入房间,提高房间内空气品质。

3)移动蒸发式冷风扇和窗式直接蒸发冷却器适用于单个房间的降温,而热回收新风换气机和露点间接蒸发冷却空调更适用于大面积房间或多个房间的降温,根据冷负荷情况和室内设计参数选择住宅建筑适用的蒸发冷却空调设备。

本文选自《制冷与空调》2020年11月刊1-5+27页;作者:焦煜  黄翔  李朝阳  贾晨昱;未经许可,不得转载


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