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复合式露点间接蒸发冷却空调机组在敦煌机场某食堂的应用

发表日期:2019/7/1 14:29:26 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

随着国家节能减排政策实施的深入,能源消耗问题越来越受到关注,空调系统的能耗在建筑能耗中所占比重较大。传统机械压缩制冷空调虽性能稳定,但能耗过高,而蒸发冷却空调以水作制冷剂,不使用压缩机,其初投资、维护费用和运行费用分别为机械压缩制冷空调系统的1/2,1/3和1/4,该技术已在西北干燥地区得到应用,但是由于直接蒸发冷却空调处理空气湿度过高,间接蒸发冷却空调温降能力有限,使得蒸发冷却空调并不能很好地被推广。基于 M-cycle 循环原理,露点间接蒸发冷却空调技术理论上能够克服上述两者的不足,而且可以实现能量的梯级利用。笔者针对复合式露点间接蒸发冷却空调机组在敦煌机场某食堂的使用情况进行测试及相关分析。

1 蒸发冷却空调在敦煌地区的适用性分析

针对不同地区的气象参数差异,以室外平均空气湿球温度ts为依据对蒸发冷却空调在各地区适用性进行划分,如表1所示。敦煌地处我国西北地区,属于温带干旱性气候,明显的特点是气候干燥,降雨量少,蒸发量大,昼夜温差大,日照时间长。根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》对敦煌地区供冷季6—8月份的日干球温度及平均相对湿度进行统计,如图1所示,敦煌地区平均干球温度在25 ℃左右,平均相对湿度在40%左右,平均湿球温度在16 ℃左右,属于蒸发冷却空调的通风区,因此蒸发冷却空调在敦煌地区是适用的。表1蒸发冷却空调的适用范围划分设计分区分区指标区域特点分区名称设计一区ts<18干燥凉爽通风区设计二区18≤ts<21干燥较热高适应区设计三区21≤ts<26干燥炎热适应区设计四区ts≥26潮湿炎热非适应区注:ts为室外平均空气湿球温度(℃)。

2 敦煌机场某食堂空调工程介绍

2.1工程概况

敦煌机场扩建工程子项目为综合用房工程,总建筑面积4 203 m2。笔者所描述的食堂位于综合用房的西南角,为单层式建筑,与主楼相连接,主要包括主副食库、操作间、就餐区,如图2所示。操作间面积89 m2,层高6 m,供食堂工作人员烹饪使用;就餐区面积320 m2,层高6 m,供机场工作人员就餐使用。对于食堂的操作间和就餐区,夏季采用以复合式露点间接蒸发冷却空调机组为冷源的全空气蒸发冷却空调系统进行供冷。

2.2空调室内、外设计参数

依据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》选取敦煌地区空调室内、外计算参数。食堂空调室外设计参数如表2所示;根据各房间功能的不同,食堂室内设计参数如表3所示。

2.3 蒸发冷却空调工程介绍

采用2台风量分别为10 000 m3/h和20 000 m3/h的复合式露点间接蒸发冷却空调机组为食堂供冷,具体参数如表4所示。风量为10 000 m3/h的机组为操作间供冷,通过接风管采用岗位送风的气流组织形式将处理后的空气送至操作间人员工作区域;风量为20 000 m3/h的机组为就餐区供冷,接风管采用上送风的形式。操作间室内送风末端采用双层百叶形风口,通过改变叶片的安装角度,可以灵活调节气流的扩散角度;就餐区室内送风末端采用方形散流器。


3 复合式露点间接蒸发冷却空调特点

3.1复合式露点间接蒸发冷却空调机组结构

本工程采用的蒸发冷却空调机组为复合式露点间接蒸发冷却空调机组如图3所示,该机组主要由3个功能段组成,分别为过滤段、风机段、复合式露点间接蒸发冷却段。空气在机组内部的流向见图4,室外空气从进风口进入机组,经过滤段后由压入式风机送至复合式露点间接蒸发冷却段(由多个复合式露点间接蒸发冷却换热芯体构成),在换热芯体内一部分作为工作空气最后通过排风口排出,另一部分作为产出空气通过送风口送至室内。通过调节排风口处设置的风阀可实现对排风量的控制。

3.2复合式露点间接蒸发冷却换热器工作原理

作为复合式露点间接蒸发冷却空调机组的核心,复合式露点间接蒸发冷却换热器以入口空气的干球温度与露点温度之差为驱动势,理想情况下可将空气处理至亚湿球温度。甚至逼近露点温度。其工作原理如图5所示,空气沿干通道进入换热器芯体,其中一部分空气穿过小孔进入湿通道作为工作空气(即排风)与湿通道内表面的水膜发生热湿交换带走壁面的热量,使得壁面温度降低;另一部分未穿过孔口的一次空气作为产出空气(即送风)被湿通道壁面等湿预冷。沿着气流方向,经预冷后的一次空气又有部分空气能够穿过下一个孔口,充当工作空气完成上述冷却循环,能量得到了梯级利用,使得干通道内空气的湿球温度不断降低。没有进入小孔的空气温度被逐级降低,作为产出空气继续沿通道前进,由于芯体末端被挡板密封,产出空气最终全部通过孔口进入湿通道,与喷淋水发生直接蒸发冷却,温度被进一步降低。空气在芯体内部的空气处理过程见图6,空气经过多级等湿冷却过程由状态点1处理至状态点2,全部通过小孔的空气在被等焓冷却处理至状态点3。

3.3复合式露点间接蒸发冷却空调机组的评价

冷却效率是评价蒸发冷却空调机组的重要指标,其中湿球效率参见式(1),露点间接蒸发冷却空调往往能够将空气处理至入口空气的湿球温度以下,因此引入露点效率,参见式(2)。


式中:ηw为机组湿球效率;ηd为机组露点效率;tg1为机组进口干球温度(℃);tg2为机组出口干球温度(℃);tw1为机组进口湿球温度(℃);td1为机组进口露点温度(℃)。

冷却效率受机组出风温度影响,在进风温度参数不变的情况下,出风温度越低冷却效率越高。复合式露点间接蒸发冷却空调机组的出风温度受间接段二/一次风量比(见式(3))的影响:二/一次风量比过小,则空气在复合式露点间接蒸发冷却换热芯体内不能够充分换热,致使出风温度过高,影响机组效率;二/一次风量比过大,则会造成送风量达不到要求。因此最佳的二/一次风量比一般控制在0.5~1.2之间,高湿度地区要求大于1。

式中:τ为复合式露点间接蒸发冷却空调机组的二/一次风量比;l2为复合式露点间接蒸发冷却空调机组的排风量(m3/h);l1为复合式露点间接蒸发冷却空调机组的送风量(m3/h)。

4 测试与分析

4.1测试内容

为了探究复合式露点间接蒸发冷却空调机组在敦煌地区的实际使用效果,2017年8月20日,对应用于敦煌机场某食堂的风量分别为10 000 m3/h和20 000 m3/h的复合式露点间接蒸发冷却空调机组进/出风口的温/湿度及风量等参数进行测试,同时测量室内供冷区域的环境温/湿度,并实时记录室外空气的温度参数。

4.1.1测试仪器

本次测试所使用仪器如表5所示。

4.1.2温/湿度测试

复合式露点间接蒸发冷却空调机组的温/湿度测点分别布置在机组的进风口、送风口及排风口(见图3)。采用温湿度自记仪进行测试,每1 min记录一次数据。

4.1.3风量测试

对于风量的测试,分别测量各机组进风口、出风口及排风口的截面尺寸,对矩形风口截面进行划分,使各小截面尽可能接近正方形,其面积不得大于0.05 m2,测点位于各个小截面的中心处,进行风速的测量,最后取平均值为各风口的风速。

风量L(m3/h)可按下式计算:

式中:F为风口截面积(m2);v为测定截面的平均风速(m/s)。

4.2测试结果与分析

测试时间段内敦煌地区当日室外空气平均干/湿球温度为30 ℃/17.7 ℃,平均相对湿度为29%。风量为10 000 m3/h的复合式露点间接蒸发冷却空调机组的服务区域为食堂操作间。机组的进/出口空气温度与冷却效率随时间的变化如图7所示,在机组进风干/湿球温度为25 ℃/14 ℃的条件下,出风干球温度达到13 ℃,空气温降近15 ℃,机组的湿球效率最高达115%,露点效率最高达70%。随着室外气温逐渐升高,机组的效率有所下降,但出风干球温度基本低于进风湿球温度,即达到亚湿球温度。测试期间,该机组服务的食堂操作间环境温度维持在23 ℃,基本能够满足工作人员的热舒适性要求。

风量为20 000 m3/h的复合式露点间接蒸发冷却空调机组的服务区域为食堂就餐区。机组的进/出口空气温度与冷却效率随时间的变化如图8所示,在相同机组进风干/湿球温度条件下,测试时间段内该机组的出风干球温度达17 ℃,温降只有8 ℃。机组的湿球效率最高达78%,露点效率最高达46%。该机组服务的食堂就餐区环境温度维持在26 ℃左右,基本可以满足就餐人员的热舒适性要求。

相比风量为10 000 m3/h的机组,20 000 m3/h风量的机组使用效果不是特别理想,考虑到机组露点间接蒸发冷却段的二/一次风量比会对机组的出风温度产生影响,进而影响机组的效率,故对2台机组的二/一次风量进行测试,结果如表6所示。对于风量为20 000 m3/h的复合式露点间接蒸发冷却空调机组,其二/一次风量比为0.36(远小于10 000 m3/h风量的机组),其露点间接蒸发冷却段的排风量过小,无法及时排出空气热量,导致机组的冷却效率下降。对此,应适当增大机组露点间接蒸发冷却段的排风量,提高机组的二/一次风量比,以期提高机组的效率。

5 结论

1) 通过测试,对于风量为10 000 m3/h的复合式露点间接蒸发冷却空调机组,其降温幅度近15 ℃,出风干球温度低于进风湿球温度,达到亚湿球温度;风量为20 000 m3/h的机组降温幅度仅8 ℃,出风干球温度高于进风湿球温度,并没有达到理想状态,有待进一步调试。

2) 针对风量为10 000 m3/h的复合式露点间接蒸发冷却空调机组,其二/一次风量比为0.86,机组的平均湿球效率为110%;风量为20 000 m3/h的机组,其二/一次风量比为0.36,机组的平均湿球效率为70%。对于复合式露点间接蒸发冷却空调机组来说,二/一次风量比会对机组的效率产生较大的影响。

3) 在安装调试复合式露点间接蒸发冷却空调机组时,应注意调试机组的二/一次风量,使其在合理的范围内,使降温幅度增大,以提高机组的效率。


稿件选自《制冷与空调》2019年第3期,作者:黄凯新、黄翔、严政、杨向伟;未经许可,不得转载


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