CN110762670A - 间接蒸发冷却能量回收器换热效率评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种间接蒸发冷却能量回收器换热效率评价方法，其特征是：适合于干旱地区和中温湿度及高温高湿地区,采用焓效率评价间接蒸发冷却能量回收器的换热能力，具体步骤如下：实时采集工作状态下新风侧、排风侧参数；计算湿空气焓值；求出焓效率η_h。有益效果：本发明提出了新效率焓效率代替湿球效率来评价间接蒸发冷却换热器的换热性能。通过实验数据对比分析证明，焓效率与系统总换热量的变化趋势高度一致，无论新风侧有无凝结，都可以用来评价间接蒸发冷却器的性能。

Description

间接蒸发冷却能量回收器换热效率评价方法

技术领域

本发明属于制冷空调技术领域，尤其涉及一种间接蒸发冷却能量回收器换热效率评价方法。

背景技术

与传统集中空调新风系统相比，蒸发冷却技术利用水蒸发吸热降低空气温度，除了驱动风机水泵外不存在其它消耗电能的设备。蒸发冷却过程中以水作为制冷剂，所以蒸发冷却的制冷工质对环境没有任何危害，并且水可以循环再生，易于获得，是非常理想的制冷剂。同时，利用水的相变蒸发潜热制冷又使得其具有更高的制冷系数。目前蒸发冷却技术在我国西部相对干燥的地区得到了较为广泛的应用。同时在非干燥地区可用于新风预处理或与其它空气处理方式组合使用，具有明显的节能效果。

直接蒸发冷却(DEC)系统机构相对简单，价格低廉，同时具有高效性和环保性，因此在高温干燥地区得到了应用广泛。间接蒸发冷却(IEC) 技术在对干空气冷却的过程中不增加空气的含湿量和湿负荷，因此可以应用在更广泛的气候区。间接蒸发冷却器通过间壁将新风与排风隔开，在排风通道(湿通道)中喷淋循环水，在湿通道壁面形成喷淋水膜，水与排风接触进行热湿交换，产生蒸发冷却效果，新风通道中的空气被冷却，间接蒸发冷却工作原理如图1所示。新风通道中按照是否发生冷凝过程，分为等湿冷却过程和减湿冷却过程。

在已有的研究中对IEC换热器换热性能评价的主要方法包括：湿球效率、露点效率、冷却能力、能耗、性能系数(COP)和蒸发水量。其中：湿球效率只能用于评价新风通道只发生显热换热过程，当新风通道出现冷凝现象，发生潜热换热，湿球效率此时已不适用；露点效率适用于露点式间接蒸发冷却系统的评价；潜热效率和放大系数只能用于评价潜热换热的变化，当仅存在显热换热时，这两个方法只是表达为固定值0和1，对于显热换热完全不能表达；总热交换效率虽然综合考虑了显热换热和潜热换热的变化，但是其变化趋势与总换热量的变化趋势却是大相径庭，无法用于间接蒸发冷却器换热性能的评价。然而实验研究发现，上述方法存在着不适应性。方法中与总换热量变化趋势一致的方法只有COP，但是该方法是用于评价间接蒸发冷却系统的能量回收效益，与风机和水泵的能效相关联。

制冷空调技术领域亟待推出一种合适的间接蒸发冷却器换热性能的新方法。该方法必须达到以下要求：1.在干旱地区，能够代替湿球效率来评价IEC性能；2.在中温湿度及高高温高湿地区，当IEC用来对新风进行预冷时，新风侧壁面很容易产生凝结的现象，依旧可以评价IEC换热性能。评价方法必须与间接蒸发冷却器总换热量变换趋势一致、在新风通道凝结与非凝结状态下均可评价间接蒸发冷却器的换热性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种间接蒸发冷却能量回收器换热效率评价方法，适合于干旱地区和中温湿度及高温高湿地区 IEC换热性能的评价，即，能够在新风通道凝结与非凝结状态下均可评价间接蒸发冷却器的换热性能，并与间接蒸发冷却器总换热量变换趋势一致。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种间接蒸发冷却能量回收器换热效率评价方法，其特征是：适合于干旱地区和中温湿度及高温高湿地区,采用焓效率评价间接蒸发冷却能量回收器的换热能力，具体步骤如下：

1、实时采集工作状态下,新风入口空气温度t_1,in，含湿量d_1,in,新风出口空气温度t_1,out，含湿量d_1,out,排风入口空气温度t_2,in，含湿量d_2,in；

2、计算湿空气焓值

公式为：

h＝c_p,gt+(2500+c_p,mt)d

常温下c_p,g＝1.013kJ/(kg·K),c_p,m＝1.864kJ/(kg·K)；

3、求出焓效率η_h；所述焓效率是指间接蒸发冷却其新风进出口的焓差与排风进口的焓值之比，公式为：

h_1in：新风侧空气进口湿空气焓值；

h_1out：新风侧空气出口湿空气焓值；

h_2in：排风侧空气进口湿空气焓值。

所述步骤2的湿空气焓值公式简化为：h＝c_p,gt+2500d。

所述步骤1的数据采集仪器分别为：新风侧、排风侧风量通过安装在新风侧、排风侧风机出口后的热式气体流量计进行监测；新风侧、排风侧进出口温湿度分别通过安装在连接间接蒸发冷却换热器前后的新风侧、排风侧进出口风管中心点上的温湿度变送器测量；风机和水泵的耗电量通过与其串联的功率变送器进行测量，所述采集的数据汇总到安捷伦数据采集仪进行信号转换。

有益效果：与现有技术相比，本发明提出了新效率焓效率代替湿球效率来评价间接蒸发冷却换热器的换热性能。通过实验数据对比分析证明，焓效率与系统总换热量的变化趋势高度一致，无论新风侧有无凝结，都可以用来评价间接蒸发冷却器的性能。本发明适合于干旱地区和中温湿度及高温高湿地区各种形式的间接蒸发冷却器。

附图说明

图1是间接蒸发冷却工作原理图；

图2是IEC+机械制冷空调系统；

图3是IEC过程焓湿图；

图4是间接蒸发冷却能量回收实验测试原理图；

图5是等温变湿度工况6项指标变化曲线图；

其中：

图5a-湿球效率随相对湿度变化曲线；

图5b-潜热效率随相对湿度变化曲线；

图5c-总热效率随相对湿度变化曲线；

图5d-放大系数随相对湿度变化曲线；

图5e-两种换热量随相对湿度变化曲线；

图5f-COP及总换热量随相对湿度变化曲线；

图6是等湿变温度工况6项指标变化曲线图；

其中：

图6g-湿球效率随相对湿度变化曲线；

图6h-潜热效率随相对湿度变化曲线；

图6i-总热效率随相对湿度变化曲线；

图6j-放大系数随相对湿度变化曲线；

图6k-两种换热量随相对湿度变化曲线；

图6l-COP及总换热量随相对湿度变化曲线；

图7新风侧相对湿度对焓效率和总换热量的影响示意图；

图8新风侧温度对焓效率和总换热量的影响示意图；

图9排风侧相对湿度对焓效率和总换热量的影响示意图；

图10是排风侧温度对焓效率和总换热量的影响示意图；

图11是焓效率的计算流程图。

具体实施方式

下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。()

详见附图，本发明提供了一种间接蒸发冷却能量回收器换热效率评价方法，适合于干旱地区和中温湿度及高高温高湿地区,采用焓效率评价间接蒸发冷却能量回收器的换热能力，具体步骤如下：

1、实时采集工作状态下新风侧、排风侧新风的质量流量m₁，新风入口空气温度t_1,in，含湿量d_1,in,新风出口空气温度t_1,out，含湿量d_1,out,排风入口空气温度t_2,in，含湿量d_2,in，风机耗电量P_fan，水泵耗电量P_pump；

2、计算湿空气焓值

公式为：

h＝c_p,gt+(2500+c_p,mt)d

常温下c_p,g＝1.013kJ/(kg·K),c_p,m＝1.864kJ/(kg·K)；

湿空气焓值公式简化为：h＝c_p,gt+2500d

3、在全热效率的基础上，同时考虑排风侧入口的温湿度变化对换热性能的影响，求出焓效率η_h；所述焓效率是指间接蒸发冷却其新风进出口的焓差与排风进口的焓值之比，公式为：

h_1in：新风侧空气进口湿空气焓值；

h_1out：新风侧空气出口湿空气焓值；

h_2in：排风侧空气进口湿空气焓值。

所述步骤1的数据采集仪器分别为：新风侧、排风侧风量通过安装在新风侧、排风侧风机出口后的热式气体流量计进行监测；新风侧、排风侧进出口温湿度分别通过安装在连接间接蒸发冷却换热器前后的新风侧、排风侧进出口风管中心点上的温湿度变送器测量；风机和水泵耗电量的耗电量通过与其串联的功率变送器进行测量，所述采集的数据汇总到安捷伦数据采集仪进行信号转换。

实施例

本实施例的目的在于寻找一个能够完美地评价间接蒸发冷却器的性能评价指标。

一、对IEC现有的性能评价指标进行试验对比。

详见附图5为新风侧风温度恒定为35℃，相对湿度在30％～90％变化试验测试得到的6个指标的变化情况(即，等温变湿度工况6项指标变化曲线图)。由图5(a)可知，随着相对湿度的升高，湿球效率无明显变化，但在新风侧空气入口相对湿度高于40％时，湿球效率开始明显下降。原因是随着新风侧空气湿度越高，露点温度越高，在析出的凝结水越多，潜热传热量增大，而显热换热量降低，导致湿球效率下降。图5(b)中在相对湿度小于40％时潜热效率一直为0，然而在相对湿度大于40％时开始随着相对湿度的增加而增加；图5(c)中在相对湿度40％之前，总热效率随着湿度的增加显著下降，而在相对湿度40％之后的总热效率开始趋于不变；图5(d)中，放大系数在相对湿度40％之前为固定值1，之后放大系数在迅速增加；图5(e)中单位质量的总热换热量在相对湿度40％之前变化不大，且只有显热换热量，而在相对湿度40％之后，总热换热量中包含显热换热量和潜热换热量两部分，由于冷凝的出现，显热换热量有一定的下降，但总热换热量随着潜热换热量增加而显著增加；图5(f)中IEC系统的 COP的变化趋势与总得热量变化趋势是完全一致。

图5中各项指标均在相对湿度为40％附近发生转折，其原因在于相对湿度40％之后新风侧空气中出现了冷凝。一方面，随着冷凝量的增加势必会带来潜热效率的增强；另一方面，随着冷凝的出现和逐渐增强使得显热换热量逐渐降低，但是总得热量一直呈现增加的趋势，且随着潜热换热的增强总得热量增加显著。表明了对于间接蒸发冷却器，潜热换热效果比显热换热效果更强，在相对湿度达到90％的工况下，潜热换热量为3.89kW, 是显热换热量为1.21kW的3.21倍。

综上，与总得热量变化趋势一致的指标只有COP；而湿球效率在不发生冷凝的情况下，其变化趋势一致，当相对湿度大于40％，随着潜热换热的出现、总得热量的增加而降低，变化趋势相反；潜热效率和放大系数只能表示潜热得热的变化，对于显热换热完全不能表达，在相对湿度为40％之前，总得热量变化时，这两个指标只是表达为固定值0和1；而总热效率的变化趋势与总换热量的变化更是大相径庭。

详见附图6(g)为新风侧风相对湿度恒定为50％，干球温度在28℃～38℃变化试验测试得到的6个指标的变化情况(即，等湿变温度工况6 项指标变化曲线图)。所述趋势变化的转折发生于31℃附近，当新风侧风进口温度低于31℃，湿球效率从0.75增长至0.78，潜热效率不发生变化，总热效率在下降，放大系数为1，单位质量的总热换热量增加缓慢，COP 也变化不大；而在31℃之后湿球效率随着温度的升高而下降，潜热效率却迅速上升，总热效率基本维持不变，放大系数明显变大，单位质量的总热换热量由于潜热换热量的出现显著使增加，COP也迅速增加。可见，在温度31℃附近新风侧风发生冷凝，出现了潜热换热，在低于31℃，只是显热换热。该工况下的测试结果，与等温度变湿度工况出现的结果是一致的，即只有COP与总热交换量的变化趋势一致，其他指标均不能表达IEC过程的换热效率。

通过上述6个评价指标的对比分析，得出结论如下：

(1)新风侧风通道总换热量的变化表明了间接蒸发冷却器对新风的冷却效果，用于评价间接蒸发冷却器换热性能的指标应与其冷却效果的变化趋势一致。

(2)湿球效率只能用于评价新风侧风通道只发生显热换热过程，当新风侧风通道冷凝现象的出现，发生新风潜热换热，湿球效率此时已不适用。

(3)潜热效率和放大系数只能用于评价潜热换热的变化，当仅存在显热换热时，这两个指标只是表达为固定值0和1，对于显热换热完全不能表达；

(4)总热交换效率虽然综合考虑了显热换热和潜热换热的变化，但是其变化趋势与总换热量的变化趋势却是大相径庭，无法用于间接蒸发冷却器换热性能的评价。

(5)上述6个指标中与总换热量变化趋势一致的指标只有COP，可用于评价间接蒸发冷却器的能量回收效益。

基于以上结论，寻找一个合适的间接蒸发冷却器换热性能的新指标迫在眉睫。该指标必须达到以下要求：1.在干旱地区，能够像湿球效率一样用来评价IEC性能；2.在中温湿度及高高温高湿地区，当IEC用来对新风进行预冷时，新风侧壁面很容易产生凝结的现象，该指标依旧能完美地评价IEC换热性能。

二、在全热效率的基础上，同时考虑排风侧侧入口的温湿度变化对换热性能的影响，提出了新指标焓效率。焓效率是新风侧风进出口的焓差与排风侧风进口的焓值之比；

实验控制新风侧、排风侧空气的体积流量均为400m³/h，排风侧入口空气温度25℃、相对湿度50％，对新风侧空气入口温度35℃下不同相对湿度(30％～90％，间隔5％)和新风侧空气入口相对湿度50％下不同温度(28℃～38℃，间隔1℃)时的实验数据进行对比分析。

详见附图2、4，新风侧和排风侧进出口温湿度分别通过安装在连接间接蒸发冷却换热器前后的进出口风管中心点上的温湿度变送器测量。

详见附图7-10，经试验计算出的焓效率随着新风相对湿度、新风温度、排风相对湿度、排风温度的变化。

图7为新风温度恒定为35℃，相对湿度在30％～90％变化试验测试得到的焓效率和总换热量的变化情况。在相对湿度达到40％之前，随着新风侧相对适度的提升，焓效率和系统总换热量均保持不变。在相对湿度高于40％时，在IEC新风侧壁面上开始产生了冷凝的现象，焓效率随着相对湿度的升高开始了增长，从0.289增长至0.762，同时总热从1.93kW增长到5.10Kw。

图8为新风相对湿度恒定为50％，温度在28℃～38℃变化试验测试得到的焓效率和总换热量的变化情况。在温度达到31℃之前，随着新风侧入口温度的提升，焓效率与总热均保持较慢的速度增长。平均新风侧温度每升高1℃，焓效率与总热分别增长0.018和0.123kW。在新风侧入口温度提升至31℃后，两者的增长速度逐渐提升，在温度达到38℃时，焓效率和总换热量分别达到0.5和3.36kW，平均新风温度每升高1℃，焓效率和总换热量分别增加0.0458和0.306kW。

图9为排风入口温度恒定为25℃，相对湿度在35％-65％变化试验测试得到的焓效率和总换热量的变化情况。随着排风侧相对湿度的增加，间接蒸发冷却换热器两侧的焓差降低，传热强度下降，焓效率与总热一直保持下降趋势，平均排风入口相对湿度每增长5％，焓效率与总热分别下降0.046 和0.19kW。

图10为排风入口相对湿度恒定为50％，温度在20℃-30℃变化试验测试得到的焓效率和总换热量的变化情况。当排风入口相对湿度恒定为50％时，随着排风的温度的增长，间接蒸发冷却换热器两侧的焓差也会降低，焓效率和总热也会保持下降。平均排风入口温度每增长1℃，焓效率与总热分别下降0.0415和0.15kW。

由图7-8可知，在新风侧壁面没有出现凝结的状态下，即新风侧入口相对湿度小于40％，或是温度小于31℃时，焓效率与系统总换热量的变化曲线高度一致，说明焓效率可以代替湿球效率来评价无凝结状态下间接蒸发冷却器的换热强度。此外，当IEC工作于中温湿度或高温高湿气候下，新风的温度和相对湿度都较高，此时湿球效率的走势已经与总换热量相反，但焓效率依旧与总换热量走势相同，且变化曲线极其相近，这说明在温湿度较高的环境下，IEC用于新风遇冷时，只有用焓效率才能完美评价IEC 的换热性能。

详见附图11，通过上述步骤焓效率的计算流程图。

假设间接蒸发冷却器有以下工况：

工况1：t_1,in＝30℃，RH_1,in＝50％，d_1,in＝0.01331kg/kg， t_2,in＝25℃，RH_2,in＝50％，d_2,in＝0.00988kg/kg；

工况2：t_1,in＝35℃，RH_1,in＝50％，d_1,in＝0.017762kg/kg， t_2,in＝25℃，RH_2,in＝50％，d_2,in＝0.00988kg/kg；

工况3：t_1,in＝30℃，RH_1,in＝70％，d_1,in＝0.018792kg/kg， t_2,in＝25℃，RH_2,in＝50％，d_2,in＝0.00988kg/kg；

工况4：t_1,in＝35℃，RH_1,in＝50％，d_1,in＝0.017762kg/kg， t_2,in＝28℃，RH_2,in＝50％，d_2,in＝0.011827kg/kg。

经实验测得4个工况的出口参数如下：

工况1：t_1,out＝20.6℃，d_1,out＝0.0133kg/kg；

工况2：t_1,out＝22.7℃，d_1,out＝0.0161kg/kg；

工况3：t_1,out＝22.4℃，d_1,out＝0.0158kg/kg；

工况4：t_1,out＝23.7℃，d_1,out＝0.0171kg/kg。

由公式h＝c_p,gt+2500d计算出4个工况的进出口焓值，c_p,g＝ 1.013kJ/(kg·K)：

工况1：h_1,in＝63.66kJ/kg，h_2,in＝50kJ/kg，h_1,in＝54.14kJ/kg；

工况2：h_1,in＝79.86kJ/kg，h_2,in＝50kJ/kg，h_1,in＝63.25kJ/kg；

工况3：h_1,in＝77.37kJ/kg，h_2,in＝50kJ/kg，h_1,in＝62.19kJ/kg；

工况4：h_1,in＝79.86kJ/kg，h_2,in＝57.9kJ/kg，h_1,in＝66.76kJ/kg。

由焓效率公式

计算得出四个工况的焓效率分别为： 0.1903，0.3321，0.3034，0.2262。

由此可见：四个工况的IEC装置换热性能：工况2>工况3>工况4> 工况1。

由图9-10可知，随着排风相对湿度和温度的增加，排风的焓值会增加，导致IEC两侧焓差降低，IEC的换热强度减少，系统总换热量减少。在这种情况下，焓效率依旧与总换热量走势相同，且变化曲线极其相近，说明焓效率是一个全面的IEC换热性能评价方法。

上述参照实施例对该一种间接蒸发冷却能量回收器换热效率评价方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种间接蒸发冷却能量回收器换热效率评价方法，其特征是：适合于干旱地区和中温湿度及高温高湿地区,采用焓效率评价间接蒸发冷却能量回收器的换热能力，具体步骤如下：

1)实时采集工作状态下，新风入口空气温度t_1,in，含湿量d_1,in,新风出口空气温度t_1,out，含湿量d_1,out,排风入口空气温度t_2,in，含湿量d_2,in；

2)计算湿空气焓值

公式为：

h＝c_p,gt+(2500+c_p,mt)d

常温下c_p,g＝1.013kJ/(kg·K),c_p,m＝1.864kJ/(kg·K)；

3)求出焓效率η_h；所述焓效率是指间接蒸发冷却其新风进出口的焓差与排风进口的焓值之比，公式为：

h_1in：新风侧空气进口湿空气焓值；

h_1out：新风侧空气出口湿空气焓值；

h_2in：排风侧空气进口湿空气焓值。

2.根据权利要求1所述的间接蒸发冷却能量回收器换热效率评价方法，其特征是：步骤2的所述湿空气焓值公式简化为：

h＝c_p,gt+2500d。

3.根据权利要求1所述的间接蒸发冷却能量回收器换热效率评价方法，其特征是：所述步骤1的数据采集仪器分别为：新风侧、排风侧风量通过安装在新风侧、排风侧风机出口后的热式气体流量计进行监测；新风侧、排风侧进出口温湿度分别通过安装在连接间接蒸发冷却换热器前后的新风侧、排风侧进出口风管中心点上的温湿度变送器测量；风机和水泵的耗电量通过与其串联的功率变送器进行测量，所述采集的数据汇总到安捷伦数据采集仪进行信号转换。

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