高湿度地区直接蒸发冷却空调机组的性能评价

蒸发冷却利用水的蒸发潜热达到给建筑物和空气降温的目的，设计合理的蒸发冷却系统，有着很好的节能潜力。所以蒸发冷却的节能、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。直接蒸发冷却式空调机就是一种利用水蒸发而使空气得到冷却的空调设备。它主要由水泵、填料和风机等组成。同传统的使用氟利昂制冷剂的空调机相比，它没有环境污染, 所消耗的能耗只有水泵和风机的功耗，同时是一种全新风送风，因而这种类型的空调机还具有有效改善空气品质、防止病毒交叉感染的功能。随着蒸发冷却技术的发展，目前众多学着针对不同气候、不同功能的建筑物使用该技术开展了大量的研究工作。通过在高湿度地区一般建筑的模拟来研究分析在高湿度地区核电站应用的直接蒸发冷却空调的性能。

1 核电机房环境特点及空调形式

  核电站机房内的环境条件：主要以设备的散热量为主，热负荷变化和设备工作状态有关（随机性较大），与季节无关，机房内散热量中95% 以上为显热，热湿比近似无穷大；同时由于机房内没有特定的湿源，湿量主要来自工作人员及渗入的室外空气，因此散湿量很小。所以降温是机房空调的主要目的。采用蒸发冷却空调完全可以消除这些设备产生的大量显热。

  蒸发冷却式空调的降温幅度△T 与设备的蒸发效率η和干湿球温度差（tw?ts）相关。即：△T=η×（tw?ts）。由于干湿球温差越大，降温幅度就越大，即环境相对湿度越小蒸发冷却空调的降温效果就越好。在高湿度地区虽然空气中的相对湿度较大，但是空气仍然未达到饱和，即使在炎热季节，其干湿球温差仍然存在，恰好蒸发冷却空调就是利用空气的干湿球温差来发挥其奇妙的作用。

  核电机房属于三类机房，对空气的洁净度要求较高。一般使用粒子检测机房内灰尘粒子浓度，室内灰尘粒子浓度应满足直径大于0.5μm的灰尘粒子浓度≤ 18000 粒 /L，直径大于 5 μm 的灰尘粒子浓度≤ 300 粒 /L 的要求。而蒸发冷却空调对空气的过滤洁净作用完全满足其要求。

2 实验测试

2.1 实验机组的形式及基本参数

  本次实验测试的蒸发冷却空调组成如图1所示。由于核电站的要求，所以对机组设置两级过滤。一级粗效采用波纹过滤器，二级中效采用袋式过滤器，填料采用日本湿王的填料，其布水方式采用上下分层单独淋水。

本次测试的机组的外形尺寸：（长）8 m ×（高）4.8 m×（宽）5.2 m。额定风量为 215000m3/h，机组的全压为 1420 Pa，要求机外余压为 850Pa，功率为 132 kW。填料为亲水性高分子纤维材料，厚度为 100 mm。模拟的室外气象条件为：干球温度 tw=31℃，湿球温度 ts=27.5℃，相对湿度为 69%。

2.2 实验方法、仪器及测试参数

  实验的方法是利用干湿球温度计、温湿度自记仪和毕托管 - 数字微压计来测量室外新风经过不同功能段后的阻力变化和温湿度变化；利用U型微压计和风速仪测量机组的风量能否满足设计要求。主要的测试仪器有：干湿球温度计、Testo的温湿度自记仪、毕托管 -数字微压计、U 型微压计、水银温度计、转轮和热球风速仪。主要测试参数有：机组的总风量、机组总阻力、室外空气的干湿球温度、填料入口空气的干湿球温度和迎面风速、填料出口的干球温度和相对湿度、出风口的干湿球温度。（www.iwuchen.com）

3 测试结果及分析

  本次测试在南通昆仑空调有限公司进行，测试时室外空气平均干球温度 tg1=29.5℃，平均湿球温度 ts=25.7℃，平均相对湿度为74%，针对海南高湿度地区核电站机房用蒸发冷却空调机组的模拟测试，虽然地点不同，但是模拟测试时的这个室外气象参数接近海南设计的室外气象参数要求，所以此次测试的准确性是可靠地。

  通过表1测试数据计算求得动压P 的平均值为14.22 mm 水柱，利用 P=?V2/2 得，V=9.5 m/s，断面积 S=6.25 m2，Q=3600×V×S=3600×9.5×6.25=213700 m3/h。误差为（215000-213700）/215000=0.6%<10%，因此，可以认为该机组的风量满足要求。

机组按照建筑物环境的设计要求设置两级过滤，虽然使得机组的阻力增加，但是可以保证不会有过多或是大的杂异物进入填料段，造成在填料上形成污垢，而影响填料的效率。表2 显示机组的总阻力为250 Pa，各段的阻力来看袋式过滤器的阻力最大为 160 Pa，机组的机外余压 850 Pa，即使增加调风风阀，风机的全压完全可以满足要求。

从表3 的测试结果来看，机组的降温? Tw的平均值为 2.7℃，冷却效率平均为 71.4%。造成效率较低的原因可能是：

（1）室外相对湿度较高，填料厚度不够，造成室外空气通过填料时热交换不是很充分，进而影响空气温降和效率。室外空气经过填料时，填料表面的空气蒸发导致空气的湿度加大，如果风速过小这部分空气不能迅速排出，后面的蒸发过程就会减慢，导致效率下降。而当风速过大时，空气与水膜的接触时间减少，热湿交换不够充分效率降低，而且此时在试验中观察到明显的送风带水的现象。

 （2）由于实验时喷淋水采用的是直排水未采用循环水，所以其平均温度为 28.64℃，而出风口空气的平均温度为 26.8℃，水温略高于出风温度。喷淋水的温度保持在大于室外湿球温度，因此空气的处理过程并不是完全的绝热冷却降温过程，而是增焓降温加湿过程。同时强天伟等人研究表明，使用不循环喷淋水喷淋填料时直接蒸发冷却器冷却效率受喷淋水温度影响较大，且只有当不循环水温度等于空气湿球温度时，其冷却效率最高。

  虽然机组温降和效率不是很高，在南通模拟环境下能实现平均 2.7℃的降温，效率达到平均为71.4%。所以可以肯定的是这种直接蒸发冷却空调机组在海南核电站机房这种高湿度地区以显热为主的建筑物种完全可以发挥其特点。同时通过测试也验证了进口空气相对湿度愈大，热质交换的动力愈小，要达到相同的冷却效果，填料的厚度随进口空气相对湿度的增加而增大。填料段的厚度过小，而风速过大，即使用一些高科技的亲水性很强的高分子纤维材料，在室外空气的相对湿度很大环境下，热湿交换的效率也不是很高。

4 小结

  通过本次对高湿度地区直接蒸发冷却空调机组的测试，可以得出以下结论：

 （1）在南通市一般建筑物模拟环境条件下，干球温度平均 29.5℃，湿球温度平均 25.7℃，虽然干湿球温度差只有 3.8℃，而且相对湿度平均74.9%，测出的直接蒸发冷却空调机组的平均效率可达71.4%，这足以说明此机组在高湿度地区核电站的适用性。

 （2）对于有特殊要求的建筑物，直接蒸发冷却空调机组中使用多级过滤器，不但有利于室内设备，同时有利于机组本身，可以防止结垢影响机组的效率。

 （3）填料段的厚度过小，而风速过大，即使用一些高科技的亲水性很强的高分子纤维材料，在室外空气的相对湿度很大环境下，热湿交换的效率也不是很高。为了防止机组由于风速大而导致的过水，以及提高机组的热湿交换效率，填料的厚度必须增加，同时增加挡水填料。

 （4）通过测试可以完全肯定直接蒸发冷却空调机组不仅能在干燥地区使用，在高湿度地区以显热为主的核电站建筑物通风系统中也能发挥很好的作用。同时可以为相关设计人员提供相应的参考。