再循环蒸发冷却技术及应用

随着我国经济持续快速发展，空调的使用越来越普遍，由此造成夏季电力普遍紧张，2003年夏季全国19个省市出现拉闸限电的局面，究其原因，主要是 建筑空调用电造成的；同时，常规机械制冷空调的普遍使用，是造成大气臭氧层破坏的重要原因，节能和环保成了空调行业最受关注的问题。为了寻找开发节能和环 保空调的新途径，二十世纪八十年代以来，蒸发冷却技术的研究日益受到重视，美国，澳大利亚，印度，以色列等国在理论和应用技术上做了大量的研究工作，国内 也有不少学者从事这方面的研究。本文介绍一种基于直接蒸发冷却和间接蒸发冷却方法的再循环蒸发冷却技术，并对其在空调行业的应用作了分析。

2 原理及系统结构

2.1 原理

直接蒸发冷却（Direct Evaporative Cooling，简称DEC）利用循环水在填料中直接与空气充分接触，由于填料中水膜表面的水蒸汽分压力高于空气中的水蒸气分压力，这种自然的压力差成为 水蒸发的动力。水的蒸发使得空气和水的温度都降低，而空气的含湿量增加，空气的显热转化为潜热，是等焓降温过程，理论上，DEC获得的送风空气的最低温度 趋近于室外空气的湿球温度，

DEC在炎热干燥的气候条件下，效果很好，但是当室外空气湿度增加后，室内的湿度就会变得很高，让人感到不舒服，且降温的幅度有限。为了克服DEC 使空气湿度增加的问题，可以利用直接蒸发冷却后的空气（称为二次空气）或水，通过换热器间接冷却室外空气（称为一次空气），这就是间接蒸发冷却 （Indirect Evaporative Cooling 简称IEC），由于空气不与水接触，其含湿量保持不变，是等湿降温过程。更进一步改进，利用一部分送风空气作为二次空气直接蒸发制取冷水，用冷水反过来冷 却室外空气，这种蒸发冷却的方法，就是再循环蒸发冷却（Recirculation Evaporative Cooling 以下简称REC）技术^[1]。

有多种途径可以实现REC，以下就是其中的一种，其原理如图1，室外空气通过一间接热交换器被水冷却，水的温度升高，得到的送风空气一部分通过直接 蒸发冷却填料，冷却升温后的水，然后排向室外，冷却后的水又可以循环去冷却室外空气。其空气状态变化过程在焓湿图上表示如图2，室外空气经间接冷却后，其 湿球温度从t_s 降到t_s1 ，室外空气愈干燥，t_s 的降幅愈大，因此通过DEC获得的冷水温度可以比t_s 低，从而被冷水间接冷却获得的送风空气温度t_n可能低于t_s 。REC的冷却效率定义如下：

ε_r=(t_w-t_n)/(t_w-t_s) …………………(3)

式中：ε_r--再循环蒸发冷却效率。 t_w--室外空气干球温度，℃

t_n--送风空气干球温度，℃　 t_s--室外空气湿球温度，℃

因为t_n 可能小于t_s，所以ε_r可以大于1。

2.2 系统结构

根据上述原理，笔者设计一套REC装置，它的额定风量为2000m³/hr, 主要零部件及参数如表1：

风机和表面换热器组成热交换箱，蒸发冷却填料及水槽组成直接蒸发冷却箱，立式安装在热交换箱上，制取的冷水通过水泵形成一个水循环回路，冷水经过表 面换热器冷却室外空气，升温后的水由水泵抽到直接蒸发填料上喷淋进行蒸发冷却，然后又回到表面换热器，从而达到对室外空气等湿降温的目的。

经过试验调节测试，当室外空气相对湿度在40%~50%左右时，该装置可以获得温度比直接蒸发冷却低2~3℃，绝对湿度低2~3g/kg的处理空气。

3 应用

REC的创新点在于循环利用一部分送风空气直接蒸发来制取冷水，用冷水反过来冷却室外空气。同直接蒸发冷却相比，因为送风空气的湿球温度比室外空气 的湿球温度低，所以经过一段时间的循环，在不增加含湿量的情况下，可以获得低于室外空气湿球温度的送风空气；同间接蒸发冷却相比，它的结构紧凑，体积小， 成本低。

同传统的机械制冷相比，REC只需消耗很少的电能供送风风机和循环水泵，它主要利用空气中自然存在的能源---未饱和空气中水蒸汽分压力同饱和水蒸 汽压力的差异，不需要另外消耗压缩功，这种差异愈大，既空气愈干燥，它的节能效果愈明显。REC以水为制冷剂，不用任何含CFCS、HCFCS的制冷剂， 不会对大气环境造成破坏。

由于再循环蒸发冷却技术的节能和环保特点，其在空调行业的应用范围非常广泛，下面具体分析三个方面的应用：

3.1 REC新风预冷系统

借鉴文献[2]提出的新风集成系统，笔者将REC同常规空调系统结合，设计一套REC新风预冷系统，系统示意图如图2：

该系统是一套可制冷供热两用的新风预冷空调系统，带有热回收装置，用于排风中冷热量的回收利用。

夏季制冷时，当室外空气湿球温度大于室内设计温度或室外相对湿度高于80%时，启动机械制冷，用表冷器将送风空气减湿降温到设计要求，这时加热器、 蒸发冷却都不工作，可以用旁通管路输送新风，此时由机械制冷承担全部新风负荷；当室外空气湿球温度小于室内设计温度并大于室内湿球温度，或者，室外相对湿 度在40~80%之间时，使用蒸发冷却，表冷器承担少部分新风负荷，这样可以经济地实现全新风运行；当室外空气湿球温度小于室内湿球温度或室外相对湿度低 于40%时，只要启动REC，配合直接蒸发冷却，就可提供温度和湿度舒适的送风空气。在中等湿度地区，通过优化控制，使用REC新风预冷系统可节能 40~50%。

3.2 REC空调器

REC加DEC组成REC空调器，

该空调器适合我国广大的西北干燥地区，它可以提供比DEC温度和湿度都低的供给空气，全新风运行，消耗的电能不到机械制冷的四分之一。它大大改善室 内空气品质的同时，又节约了电能。事实上，国内外已经有应用蒸发冷却技术开发的空调器，如澳大利亚AIRA公司生产的木丝填料型直接蒸发冷却空调器，^[3]在气候干燥地区已经得到很好的应用。我国乌鲁木齐市很多宾馆饭店都用上了蒸发冷却空调系统。

3.3 REC溶液除湿空调系统

液体除湿技术与蒸发冷却技术结合可组成溶液除湿空调系统^[4]，它的基本原理是利用除湿盐溶液先对空气进行除湿处理，同时除 湿过程不断被冷却，达到移去空气中潜热的目的，然后再对除湿后的干燥空气进行蒸发冷却处理，使空气达到所需的温度湿度要求，为空调房间提供高质量的送风空 气。这种空调方式可以利用太阳能，工业余热、废热等低品位能源使除湿后的稀溶液再生，耗电量大约只有机械制冷系统的三分之一^[5]， 使能源实现梯级利用，具有明显的节能效果；同时，溶液除湿空调用水做工作介质，无CFCS和HCFC，对大气臭氧层无破坏作用，除湿盐溶液对处理空气的喷 淋可以起到杀菌除尘的作用，大大提高了室内空气品质，正是由于这些特点，国外许多研究机构和公司对溶液除湿空调系统在应用上的研究非常活跃，以色列 Drykor公司生产的TAC-10型液体除湿空调器在医院、超市、饭馆、学校等人口密集、空气品质要求高的场所已经得到实际应用，美国Alberns公 司从上世纪八十年代开始就一直研究开式常压液体除湿空调系统，已开发了好几代试验样机，正在朝着产业化努力。

笔者结合再循环蒸发冷却和直接蒸发冷却方法，设计一套REC溶液除湿空调系统，原理示意

该系统通过室内回风直接蒸发冷却制取冷水，利用制取的冷水冷却除湿过程，移去空气中的潜热，除湿后的干燥空气通过REC间接冷却，最后经过 DEC，调节处理空气的温湿度，作为送风空气。由于对室内回风直接蒸发实现全热回收，提高了系统的能效比。采用REC技术，与间接蒸发冷却器相比，系统结 构紧凑，体积小。该系统的提出为开发节能环保的空调系统提供了一种新的思路。

4. 结论

4.1 REC技术克服了DEC增加空气含湿量的不足，而且可以获得更好的降温效果；同IEC相比，体积小，成本低，冷却效率高。

4.2 REC技术为开发节能环保空调设备和空调系统提供了一个新的途径。

4.3 REC技术同液体除湿技术结合组成的溶液除湿空调系统是一种很有前途的新型空调系 统，是空调发展的方向之一。