1、蒸发冷却技术的发展进程摘 要 蒸发冷却技术具有节能、经济、环保等优点，在建筑热湿环境保障领域受到越来越多的关注。目前，集中式蒸发冷却空调系统在我国西部地区得到了越来越广泛的应用，但其缺点是风道大、使用灵活性差，而且不能实现多个房间分别进行调节控制。针对集中式系统的缺点，本文主要介绍半集中式蒸发冷却空调系统、除湿与蒸发冷却相结合的空调系统。关键词 节能/环保/半集中式蒸发冷却技术/除湿冷却 0 引言蒸发冷却技术是利用水蒸发吸热的原理，获得冷风或冷水的技术。在节能减排的新形势下，蒸发冷却空调技术应用而生，以其节能、环保、经济等一系列优点，迅速占领市场，并具有“零费用制冷技术” 、 “绿色空调” 1
2、等美称，蒸发冷却空调技术和传统的机械制冷相比，具有较低的冷却设备成本，能克服机械制冷耗电量过大等问题、能减少温室气体和 CFC 排放量等特点 2。本文介绍了近年来蒸发冷却技术的应用情况，及其在半集中式蒸发冷却空调系统和除湿与蒸发冷却相结合的空调系统方面的研究情况。1 蒸发冷却技术的应用及存在的问题蒸发冷却技术在我国经历了 20 多年的发展，人们已经认识到了这项既节能又环保的技术，特别在我国西北的干旱地区其效果更明显。我国西北地区昼夜温差大，空气干燥，夏季室外空调计算湿球温度较低，昼夜温差大；冬季室外干球温度较低，多为干冷气候。这些独特的气象条件为蒸发冷却技术提供了天然的应用场所，蒸发冷却是一种
3、适宜于在干燥地区使用的供冷技术，它利用水分蒸发吸热来降低送风温度，从而降低房间温度。西部的特殊气候条件使得蒸发冷却空调系统替代常规空调系统成为可能 3。 当前我国西北地区的许多高楼大厦、公共建筑内，仍广泛使用机械制冷空调系蒸发冷却技术的发展进程 1统。尽管这些系统提供着舒适的工作生活环境，但和蒸发冷却空调机组相比较，其一次性投资巨大、运行费用高昂、维护与养护复杂，而且会引发“病态建筑综合症”和造成环境污染。蒸发冷却技术使用 100%新风运行 ，不使用 CFC，明显优于常规空调系统。目前在我国西部地区多采用集中式蒸发冷却技术，其优点和缺点如下表所示：表 1-1 集中式蒸发冷却技术优缺点的对比优点
4、 缺点使用时间长 ，便于维护，整个系统在需进行空气调节的场所仅有风道敷设而没有水路布置，设计简单、成本低应用单元式直接蒸发冷却空调机会导致室内湿度较高消除了水渗漏的问题 由于是采用冷空气对室内进行冷却而空气的比热较小，导致系统风道大，使用灵活性差在过渡季节采用全新风可节约能耗 目前尚没有物美价廉的末端产品来实现多个房间分别控制调节但从设计和经济的角度考虑，对温湿度控制精度要求不高的舒适性空调而言，集中式蒸发冷却空调系统仍具有可行性，尤其对大型娱乐场所、餐饮、商场、体育场馆、会议中心、各种活动中心等公共场具有很大优势。这也是集中式蒸发冷却空调系统在新疆地区近年来应用广泛的一个重要原因 4。2 半
5、集中式蒸发冷却空调系统集中式空调系统的缺点是风道大、使用灵活性差，而且不能实现多个房间分别进行调节控制，因此在某些场合限制了集中式空调系统的应用。因为半集中式空调系统能单独调节各个房间温度，适合于风管不易布置和层高较低的场所，如宾馆客房和写字间等，故提出了半集中式蒸发冷却空调系统。传统风机盘管加新风系统所用的冷媒是冷水机组提供的冷水，故冷水机组是核心。而半集中式蒸发冷却技术的核心是蒸发冷却段，是利用水的蒸发取得能量，它不是将蒸发后的水蒸气再进行压缩、冷凝回到液态水后再进行蒸发，而是直接补充水分来维持蒸发过程的进行，系统中新风由蒸发冷却新风机组处理，根据室外设计参数和符合特点可选单级或多级蒸发冷
6、却。其在世界范围内的研究进展情况如下所蒸发冷却技术的发展进程 2示。屈元等人针对西北地区目前使用的蒸发冷却技术模式单一及其他问题，以新疆乌鲁木齐为例对半集中式蒸发冷却空调系统与传统的半集中式空调系统进行了对比分析，讨论了半集中式蒸发冷却空调系统在西北应用的可能性 5。江亿等人提出来了一种间接蒸发式供冷的方法及其装置 6。该装置是在普通冷却器进风口处增设了增加成本不高却可节约大量能源的空气水逆流换热器而形成的，其目的是采用逆流换热、逆流传质来尽量减少传热传质过程中的不可逆损失，以得到较低的供冷温度和交大的供冷量，提高设备利用率，节约能源。该间接供冷式装置的研制成功为半集中式蒸发冷却空调系统在西北
7、地区的应用奠定了基础。兰治等人对蒸发冷却与干式（工况）风机盘管相结合的半集中式空调系统的设计过程进行了详细的分析。通过实例计算和系统分析表明，它不仅解决了目前蒸发冷却技术中存在的风管尺寸大、难以分室控制等问题，还比直流式全新风蒸发冷却空调系统减少能耗 21.9%以上 78。李银明对蒸发冷却与辐射吊顶相结合的半集中式空调系统进行了系统的研究 9；对新型辐射板在夏季与蒸发冷却结合供冷和在冬季供热的能力进行了实验研究，为辐射吊顶与蒸发冷却相结合的新型空调系统的设计计算和实际应用提供了详细的技术参数；指出了新型辐射板与蒸发冷却相结合具有广阔的应用前景 10；提出了将蒸发冷却技术与冷吊顶相结合的新型半集
8、中式蒸发冷却空调系统方案。该系统由蒸发冷却空调机组承担室内的潜热负荷，冷却吊顶承担室内的显热负荷，冷却吊顶盘管中的冷水采用新疆当地的天然地下水、自来水或冷却塔产生的冷却水（1618） ，冷却吊顶在夏季用于冷辐射，冬季用于热辐射。该系统达到了节能、减小送风管道尺寸、满足全年运行需要的目的 11。以西安地区某一高档办公室为例，分析了室内空气温度分别为 24和 26时外围护结构内表面温度与发射系数的关系，得到了当外围护结构内表面发射系数满足一定条件时，蒸发冷却/辐射吊顶空调系统要比传统空调系统节能，并且热舒适性相同的结论 12。李银明等人还针对目前国内应用辐射吊顶系统存在初投资高、冷却能力有限、容易
9、结露等问题，提出了一种适合炎热干燥地区并能解决上述问题的送风方式顶棚散流器扩散送风，并从西北地区的气象条件出发，详细分析了在西北主要城市应用该系统是辐射板上结露的可能性，并提出了解决结露的具体方案 1314。刘晓华等人提出了在新疆设计温湿度独立控制的空调系统的方案；新风承担湿蒸发冷却技术的发展进程 3负荷，风机盘管运行在“干工况”以带走显热负荷。介绍了间接蒸发冷水机组利用室外干燥的新风产生冷水（冷水温度理论上可无限接近新风露点温度）的方法，并以新疆石河子某大厦为例，介绍了间接蒸发冷却制冷的温湿度独立控制系统的具体设计方法 15。L. Bellia 等人在意大利的气候条件下，针对加装蒸发冷却段的
10、全空气和空气-水混合系统作了经济分析，欧洲测试参考年中意大利的气象书记进行处理后，得出了这种系统与传系统的性能比较结果。采用适当的计算程序对能量消耗和运行成本做出了评价 16。J. L . Niu 等人提出了一种用于炎热潮湿地区的辐射吊顶与除湿冷却相结合的空调系统。为了评价系统的性能和节能潜能，还对另外 3 种系统的运行进行了分析。逐时模拟结果表明，辐射吊顶与除湿冷却相结合的空调系统比普通定风量全空气系统可节能 44%，该系统转轮除湿的再生在全年 70%的时间内可用温度为 80的低品位热能来实现 17。B. Costelloe 等人分析了蒸发冷却在南欧和北欧的应用情况，借鉴了最近的实验研究成果
11、，用于分析的气象数据为气象测试参考年的数据。研究结果表明用蒸发冷却方法产生冷却水有很大的潜力。间接蒸发冷却空气-水系统不但在北欧温带地区，而且在南欧部分城市也具有广阔的应用前景 18。L. Z. Zhang 等人采用逐时计算方法对除湿冷却与辐射吊顶相结合的空调系统在我国东南地区气象条件下的应用情况进行了测试。结果表明，该空调系统比全空气系统可节能 40%以上，该系统转轮除湿的再生在全年 90%的时间内可用温度为 80的低品位热能来实现，而采用旧的蒙特环境控制循环，全年只有 30%的时间可以利用低品位热能 19。T. W. Qing 等人分析了现有集中式蒸发冷却空调系统存在的风道尺寸大和不能实现
12、分时控制的缺点，对应用半集中式蒸发冷却空调系统的可行性进行了分析和论证 20。蒸发冷却技术的发展进程 43 除湿与蒸发冷却相结合的空调系统表 3-1 蒸发冷却技术及其与初始系统相结合性能比较得了很好的节能效果完全可以替代常规空调实现舒适性空调干燥地区COP 值很高，从而可以大大降低空调制冷耗能不同地区的使用蒸发冷却技术的情况 非干燥地区 能直接使用蒸发冷却技术，需要与除湿技术相结合原理先将被空气用除湿剂或通过吸附除湿处理成干燥空气，再经蒸发冷却处理至送风状态利用温度较低的热源来驱动系统（实现溶液的再生）为低品位热源（热源温度为 80左右）驱动制冷空调提供契机与除湿系统相结合的蒸发冷却技术优点将
13、热源以高浓度的除湿溶液的形式储存起来，具有良好的蓄能前景湿负荷在总的空调负荷中占 20%40%，是整个空调负荷的重要组成部分。如下图所示，在传统空气处理（一次回风）系统中，新风 W 和回风 N 混合值状态 C。通过表冷器降温除湿至状态 L，最后再加热至送风状态 O；在溶液除湿蒸发冷却空调系统中，C 点空气通过除湿器被处理至状态 D，之后经过一个显热交换器，降温至状态点 E，最后通过直接蒸发处理至送风状态 O。在传统空气处理中，显热负荷与湿热负荷是同时处理的，通常为了满足系统的湿负荷，而增加显冷负荷，最后再通过加再热方式调整至送风状态，这就浪费了部分能量，如果采用二次回风系统虽然可以避免再加热从
14、而节约部分能量，但是空气需要降低到更低的温度，使得制冷机组性能下降。图 3-1 被处理空气状态变化图蒸发冷却技术的发展进程 5而在溶液除湿蒸发冷却技术中，将被处理空气的总负荷转化为显热负荷和潜热负荷分别处理，即潜热负荷部分 QL 与显热部分 QS，潜热部分通过除湿溶液吸收水分降低其含湿量，显热部分可以通过冷却塔的循环水或通过间接蒸发冷却器来冷却，这样就不会出现能量浪费，大大降低能量的消耗。特别是对于夏热冬冷地区特有的梅雨季节，气温不太高，湿度较大，此时系统需要负担的湿负荷很大，而冷负荷较小，将显热负荷和潜热负荷分开处理节能效果显著 2123。国内外对其的研究进展情况如下所示。EI-Dessou
15、ky 等人提出了一种新型的空调系统，该系统将膜空气干燥和间接/直接蒸发冷却进行了复合。膜除湿蒸发冷却技术工作的相对湿度范围在 30%100%之间，温度在 2245之间。分析表明，膜除湿蒸发冷却技术相对于机械蒸发冷却机可节能 86.2%；机械蒸发式制冷机和间接蒸发冷却的组合系统及机械蒸发式制冷机和直接加间接蒸发冷却的组合系统分别比传统的单独机械蒸发式制冷方式节能 49.8%和58.9%24。D. W. Johnson 等人描述了中空纤维膜在蒸发冷却技术中的应用，中空纤维膜被捆扎成束，类似接触器的原理。实验研究结果表明合理的纤维数量和膜表面积能提供比传统空调更高的制冷效率 25。4 结论蒸发冷却技
16、术是一种节能、环保、经济和可提高室内空气质量的冷却方式。由空气蒸发器与空气输送及分配系统构成的蒸发冷却空调系统实质上也是一种直流式（全新风）空调系统。目前蒸发冷却技术已在我国西北地区的新疆等地的纺织厂等工业建筑和体育馆、商场、宾馆、写字楼、医院等民用建筑中广泛应用，且取得离开良好的节能效果；同时，在系统上已由单独直接蒸发冷却的集中式系统发展到半集中式系统，以及与除湿系统相结合的系统，这些系统都取得了很好的应用效果。目前，人们正在就半集中式蒸发冷却及与除湿系统相结合的蒸发冷却技术的关键技术进行深入的研究，使其能更好的适应不同地区的环境，并在节能、环保和提高室内空气质量等方面发挥重要作用。蒸发冷却
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