黃興宗，盤麗萍，陳思敏，李 敏

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江524088）

引言

我國西北內陸區(qū)，如新疆、青海、寧夏等使用的空氣調節(jié)器主要是以蒸發(fā)式制冷［1］為主。雖然蒸發(fā)式制冷利用了干濕球溫差的天然冷源［2］，能耗較低，但是存在耗水量大和降溫有限的缺點。特別是在食堂這種冷負荷大、溫度要求低的場合，蒸發(fā)式制冷機組并不能滿足需求。如果采用壓縮式制冷空調，雖然能得到較低的空氣溫度，但是耗功大，且不具備調濕功能。同時，由于食堂供冷只出現(xiàn)在中午時刻，如果采用壓縮式制冷空調，其成本將高于效用［3］。

為了有效利用西北地區(qū)晝夜溫差大的特點［4］，并結合直接蒸發(fā)式制冷的優(yōu)勢，設計了一種耗水量少、溫降大、無壓縮耗功、可調濕的以蒸發(fā)冷卻為基礎的利用晝夜溫差的新型節(jié)能空調系統(tǒng)。并以西寧某飯?zhí)孟募究照{系統(tǒng)的設計為設計案例，進行計算和系統(tǒng)匹配，且與普通蒸汽壓縮式空調系統(tǒng)進行能耗對比，具有良好的節(jié)能效果。為本設計在同類地域空調設計中的應用提供參考。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)原理流程的設計

為了克服蒸發(fā)式冷卻空調直冷濕度大，間冷溫差小，實際應用受限的缺陷，并有效利用直接蒸發(fā)制冷的優(yōu)點［5］，結合晝夜溫差地區(qū)的優(yōu)勢，設計了新型節(jié)能空調系統(tǒng)，其系統(tǒng)流程原理圖如圖1所示。整個系統(tǒng)由軸流風機，噴淋室，管翅式換熱器，保溫水箱，高位水箱，水泵，冷卻塔和系列閥門與管道組成。保溫水箱用來蓄存夜晚的低溫水。高位水箱與冷卻塔

形成回路有效利用晝夜溫差散熱和維持冷水溫度。

圖1 系統(tǒng)原理流程圖1—軸流式風機；2—噴淋室；3—管翅式換熱器；4—室內；5—保溫水箱；6、7—比例積分閥；8—室外水箱 （高位水箱）；9—冷卻水塔

1.2 系統(tǒng)運行方式解析

如圖1所示，室外空氣首先通過軸流風機進入噴淋室，經(jīng)循環(huán)水噴淋后等焓加濕，然后等焓加濕降溫后的空氣進入換熱器，與夜晚的冷水進行換熱，空氣在換熱器內與冷水進行熱交換，溫度進一步降低，但含濕量不變，冷卻后的空氣通入室內，達到室內制冷效果。吸收了空氣的顯熱的冷水流到高位水箱儲存起來。待到晚上氣溫開始降低時，冷卻水塔開始工作將白天吸收了空氣顯熱的冷水降溫，當溫度降低到設計溫度時，溫控器發(fā)出信號打開電動閥，使高位水箱的冷水流入保溫水箱保溫，以供白天使用，同時，冷卻水塔停止工作。濕空氣的狀態(tài)變化如圖2所示，從1點等焓加濕到2點，再等濕降溫到3點。

圖2 濕空氣的蒸發(fā)冷卻過程

2 案例空調系統(tǒng)的設計計算

2.1 設計條件

本系統(tǒng)在進行計算時有以下的設定：

以青海西寧為例子進行可行性計算，計算模型是當?shù)氐囊凰執(zhí)谩Ｊ程霉├湟话阒怀霈F(xiàn)在中午3個小時內。食堂的冷負荷比較大，用直接通新風或普通的蒸發(fā)式冷卻的方法并不能滿足需求。

西寧夏季空調室計算日平均溫度20.8℃，室外計算干球溫度26.5℃，室外計算濕球溫度16.6℃，室內干球溫度22℃，夏季夜晚平均溫度9℃［6］。

食堂需供冷面積100平方米。其構造如下：

（1）屋頂：從上到下為：細石混凝土40mm，防水卷材4mm，水泥砂漿 20mm，擠塑聚苯板35mm，水泥砂漿20mm，水泥爐渣20mm，鋼筋混凝土120mm，傳熱系數(shù)K＝0.49W／（m2·K）。

（2）外墻：水泥砂漿 20mm，擠塑聚苯板25mm，水泥砂漿20mm，鋼筋混凝土200mm，傳熱系數(shù)K＝0.83W／（m2·K）。

（3）外窗：雙層窗，3mm厚普通玻璃；金屬窗框，窗高1500mm，長2000mm。

（4）內墻：鄰室與食堂溫度基本相同。

（5）食堂每小時人流量70人，空調運行時間為11∶00-13∶00.

（6）室內照明：白熾燈，100W。

（7）新風量：≥30m3／（人·h）。

2.2 設計工況范圍

通過結合西寧市夏季的氣候特點和濕空氣焓濕圖，可以得到本系統(tǒng)的工況范圍，如圖3。由于人體對濕度和溫度有舒適性要求，所以以1點作為換熱器最大工況點，2點作為噴淋室最大工況點，陰影部分為常用工況，其相對濕度范圍為50%～70%，溫度范圍為24～18℃。

2.3 冷負荷計算

根據(jù)選定的初始數(shù)據(jù)，對食堂中午三小時內屋面、外墻、外窗非穩(wěn)態(tài)傳熱、透過窗日射得熱、人體散熱、照明散熱和人就餐時額外增加的顯熱和潛熱進行計算冷負荷。負荷匯總如表1所示。

圖3 工況范圍示意圖

表1 房間各部分冷負荷分類匯總表

2.4 匹配換熱器的設計計算

換熱器按換熱器的最大工況來計算，此時空氣進口溫度26.5℃，出口溫度18℃。而管程側的冷水由于保溫水箱里的冷水會有一定的溫升而高于9℃，所以這里假設換熱器進口水溫為12℃。管子外表面的溫度會由于兩側的污垢熱阻、管壁導熱熱阻的存在而高于空氣的露點溫度，所以計算不需要考慮結露情況。

通過計算，獲得換熱器所需面積為4.49m2，將換熱器設計為傳熱管用?10x0.7mm的純銅管，翅片選用 δf＝0.2mm的鋁套片，翅片間距 sf＝2.2mm。管束按正三角形叉排排列，垂直于流動方向管間距s1＝25mm，沿流動方向管排數(shù)nL＝8。寬1800mm，高300mm，垂直于氣流方向的每排管子數(shù)為12，其設計示意圖如圖4所示。核算此換熱器的換熱面積為4.67 m2，設計換熱面積比最大工況所需的換熱面有4%的富裕度，設計合理。

圖4 換熱器管束布置圖

2.5 噴淋室設計

在設計條件為：離心噴嘴的噴嘴密度n＝13個／（m2·排）；vρ＝1.5～3.0kg／（m2·s）；噴嘴前水壓P0＝0.1～0.25MPa下根據(jù)文獻 ［7］噴水室熱交換效率實驗公式的系數(shù)和指數(shù)，設計噴淋室迎風面大小寬為b＝0.6m，h＝0.9m。

計算噴淋室出口溫度t2與噴水室噴淋水量之間在不同空氣量下的關系并繪制該曲線如圖5所示。因此，可以通過調節(jié)噴水量來調節(jié)噴淋室的出口溫度。

式中，qm為噴淋水量，kg／s；G為處理空氣量，kg／s。

2.6 水箱設計

2.6.1 保溫水箱體積的設計

最大工況時，冷水經(jīng)過換熱器的質量流量qm2＝0.525kg／s，假設本系統(tǒng)按照最大工況運行，滿足食堂中午運行3個小時的要求，則總的冷水量M為：

總體積V′為：

圖5 噴淋室出口溫度與噴水量關系

V′＝M／ρ＝5670／1000＝5.67m3，

匹配水箱體積V為：

V＝6m3，

V／V′＝6／5.67＝1.06。

有6%的富裕度，設計合理。

選用市面上的6T常規(guī)保溫水箱，水箱直徑和高度為1880mm×2400mm，保溫層材料為聚氨酯，厚度50mm，其保溫效果為24小時內溫度降幅±2℃，滿足使用要求。保溫水箱應放置于陰涼處、且對流弱的位置。

3.6.2 室外高位水箱的設計

室外水箱要求換熱良好，所以選用市面上的常規(guī)6T不銹鋼臥式水塔，其尺寸為D1360mm×L3300mm。為保證室外水箱可以通過重力將冷水送到保溫水箱，設計室外水箱高為3m。

2.7 溫控系統(tǒng)的設計

為了空調系統(tǒng)的良好使用，必須匹配合適的溫度控制系統(tǒng)，參考相關文獻［8］并設計了本系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

對于左流程，當冷負荷發(fā)生改變后，溫控器檢測到室內溫度發(fā)生偏移，將對電動閥和電動風閥發(fā)出信號，改變冷水流量和空氣量，使室溫回到設定值。對于右流程，在夜晚時，當檢測到室外水箱里冷水的溫度經(jīng)過冷卻塔的循環(huán)冷卻后已經(jīng)足夠低了，便打開常閉的電動閥門，使室外水箱的冷水流入保溫水箱，同時關閉冷卻水塔的循環(huán)泵。

圖6 溫控器流程圖

2.8 設備功率計算及選型

目前離心式泵總效率約在0.60～0.90的范圍，軸流風機可達0.90以上［9］。本系統(tǒng)匹配的離心式泵總效率選用0.85，軸流風機總效率選用0.90。

2.8.1 送風機的功率計算及選型

通過對噴淋室內阻力、換熱器內阻力以及管道阻力的計算并修正，得風機所需風量qv1＝qv1′＝1.848m3／s，風壓 P＝356.45Pa。由于風壓不高，流量比較大，所以本風機選用KT-40的軸流式風機。此時風機的實際運行功率為0.8kW。

2.8.2 噴淋室泵的功率計算及選型

按最大工況計算，其流量qm＝0.4331kg／s，則qv＝qm／ρ＝4.331×10-4m3／s，噴嘴前壓力 P0＝0.1MPa＝100000 Pa。選型根據(jù)流量和壓力選擇噴淋室泵的型號為1WZB-125A。此時噴淋室泵的實際運行功率為0.055kW。

2.8.3 冷水泵的功率計算及選型

通過計算換熱器管內外的沿程阻力及將冷水送到高位水箱的壓頭，得冷水泵的揚程H＝hf1＋hf2＋3＝21.34＋0.52＋3＝24.86m。選型根據(jù)流量和揚程選擇冷水泵的型號JLM60-370A。此時噴淋室泵的實際運行功率為0.164kW。

2.8.4 冷卻水塔及其水泵的選型

由于水和空氣的比熱容相差較大，所以在白天時空氣溫度上升比較快；而晚上時，空氣溫度下降明顯，而水溫下降幅度不大。

對于本系統(tǒng)而言，由于冷水在換熱器中吸收了空氣的顯熱，溫度升高之后流到室外水箱 （即高位水箱），如果不使用冷卻水塔對水進行冷卻，單靠室外水箱和室外冷空氣進行傳導對流換熱，換熱效果有限。所以本系統(tǒng)采用了冷卻水塔，在夜晚時，讓室外的冷空氣和室外水箱里的水充分換熱，經(jīng)過多次循環(huán)，使水溫達到小于等于9℃的設計要求。

為使高位水箱的水能夠在較短的時間多次通過冷卻水塔，達到多次降溫的效果，就要求冷卻水塔的流量要選擇大點，但同時考慮到成本因素，選擇型號為KZT-15L的冷卻水塔，并配功率為0.43kW的型號為QDX15-10-0.75L2的冷卻水泵。

3 耗功計算及能耗比較

若按工況1（冷水泵和送風機最大工況運行3小時，水塔機組運行2小時）時，總耗電量為：

W＝ （0.8＋0.164） ×3＋ （0.43＋0.43＋0.18） ×2＝4.972kWh

與理想逆熱機 （逆卡諾循環(huán)）相比，熱源溫度取室外tg＝26.5℃，低溫熱源取平均值：

與理想逆熱機相比仍節(jié)能34.5%，所以與實際逆熱機相比節(jié)能大于34.5%。

同樣，若按工況2（噴淋室泵和送風機按最大工況運行）時，其總功率為：

P＝0.80＋0.055＝0.855（kW），

運行3小時，總耗電量為：

W＝0.855×3＝2.565（kWh）。

與理想逆熱機相比，仍節(jié)能34.6%，所以與實際逆熱機相比節(jié)能大于34.6%。

4 結語

設計了新型蒸發(fā)冷卻式節(jié)能空調系統(tǒng)，通過案例設計計算和節(jié)能比較，可知系統(tǒng)是可行的，適用于晝夜溫差大且干濕球溫差大的地區(qū)，可在富有晝夜溫差的地區(qū)推廣應用。

系統(tǒng)優(yōu)點表現(xiàn)在，耗水量少，充分利用了蒸發(fā)冷卻式空調的優(yōu)勢，且全面克服了普通的蒸發(fā)式空調系統(tǒng)為得到較低的送風溫度需要的直接蒸發(fā)冷卻高濕度空氣和間接蒸發(fā)冷卻的低送風溫差，且避免了間接蒸發(fā)冷卻由于直接將帶有水汽的二次空氣排向大氣，造成水的大量消耗。本系統(tǒng)可以在滿足供冷的前提下，只有直接蒸發(fā)冷卻，所消耗的水全部用來為用戶調濕使用；利用了當?shù)貢円箿夭畲蟮奶攸c，溫降大，可以提供更大的制冷量和更低的溫度；耗功少，相比常見的家用空調系統(tǒng)減少了壓縮機的耗功；控制方便，只需要知道目標狀態(tài)送風狀態(tài)參數(shù)，就可以通過噴淋室的等焓加濕達到目標送風參數(shù)的含濕量，然后再通過換熱器的等濕降溫，來達到送風狀態(tài)參數(shù)。通過比例積分電動閥和溫度控制器控制冷水流量和送風量來控制和穩(wěn)定室內溫度和濕度。相較于壓縮式空調，節(jié)能率可達34.5%以上。同時因為有噴淋室的存在，所以相比一般的空調，本系統(tǒng)不僅能調節(jié)溫度而且可以調節(jié)濕度，在空氣干燥的地區(qū)十分適用。