水分蒸發需要吸收熱量,等焓加濕過程中,每小時一公斤的蒸發量可以從空氣中吸收大約0.68KW的熱量,空氣溫度會相應下降而冷卻。因此,等焓蒸發冷卻是一種利用水分相變過程中產生的蒸發冷量進行冷卻的方法。
在空調系統中,等焓加濕器可以直接對進入的室外新風進行加濕,也即直接蒸發冷卻。或者在空調中設置熱回收單元,在熱回收單元之前對高溫新風或室內回風進行加濕冷卻,這種型式為間接蒸發冷卻。
在排風間接蒸發冷卻中,水分的蒸發發生在空調設備的排風側,室外高溫進風通過熱回收單元被冷卻,然后再供給室內。新風獲得的冷量取決于加濕器的水分蒸發量和熱回收單元的效率。排風可以被加濕到接近飽和,但是在熱交換過程中并不會增加進風的濕度。
除了蒸發冷卻加濕器的過風風速,水分的蒸發量和由此獲得的冷量還取決排風工況。
當空氣容納水分完全飽和時,即在100%的相對濕度下達到蒸發冷卻的理論極限。在空調系統中,以經濟可行的成本將空氣濕度值增加到92%至95%是比較實際的,這取決于所使用的蒸發冷卻加濕器的設計。
一棟建筑所需要的顯冷量本質上由入射陽光輻射以及由人員,設備和照明等引起的內部熱負荷來自確定。根據室外空氣工況和室內散濕源,還需要潛冷量來維持允許的濕度水平。
間接蒸發冷卻適用于對進風的顯冷降溫。此外,除濕所需的潛冷或者超出顯冷蒸發冷卻潛力之后必須借助機械制冷,但是制冷容量可以適當減小。在合適的系統設計中,通過間接蒸發冷卻節省下來的用于驅動機械制冷的電能,要比通過排風風機克服額外的風壓損失所需要的能量要多得多。
在規劃設計階段,可以通過模擬計算確定通過間接蒸發冷卻可以再生供給多少能量以及實際節約多少能量,模擬計算涉及建筑內各個位置的空調系統的運行。該模擬必須包括一年中出現的所有室外空氣工況以及空調系統的相關設計參數。
間接蒸發冷卻空調系統模擬
間接蒸發冷卻提供的冷量通過樣例建筑的模擬計算來描述。這意味著,我們要使用現場氣象數據來計算在一年當中,樣例建筑所需要的實際總冷量以及間接蒸發冷卻所能提供的冷量。然后這些結果可以用作修正系統容量的實際依據,以及在系統設計中成本效益的評估手段。
表格1展示了空調設備結構安裝的模擬計算數據,其中的冷卻模式采用了表格2所示的溫度分布和參數。該系統在夏季降低進風溫度為室內空氣降溫。舉例來說,使用板式熱交換器進行熱回收,沒有水分從排風側轉移到進風側并且沒有漏風。假設進風和排風體積流量之比為1:1。
總年度供冷量通過模擬確定的全年中每小時的單個計算結果的總和來計算。計算基于來自全球氣象數據庫Meteonorm 6.1版的現場統計數據,包括柏林、慕尼黑、斯圖加特、維也納和布雷根茨五個地點。
模擬結果清晰展示了一年中進行的供冷匯總數據,并將其劃分為機械制冷、間接蒸發冷卻和熱回收。由于冷卻模式的低有效溫差,僅從建筑物排氣中進行熱回收所產生的冷負荷減少量本身較小,因為所選擇的熱回收效率為0.75。然而,如果由于間接蒸發冷卻使排風產生額外溫度下降,這將導致其供冷量顯著增加。
基于正常夏季氣象數據的模擬結果顯示了長期系統運行期間的平均供冷量,這就是為什么這些結果適用于評估通過間接蒸發冷卻實現的節能及其成本效益。如果我們觀察一年中室外空氣工況的巨大變化,很快就會清楚,制冷設備必須在所有出現的空氣工況下提供適當的制冷能力。因此,基于高溫夏季極端數據的模擬結果應被用于系統容量的確定。如果必須在此基礎上考慮將來的氣候條件,則可以使用未來氣象數據進行模型模擬,前提是這些數據要具備充分的代表性。
模擬結果參考了5個選定地點的空調系統樣例。在為建筑供冷中,間接蒸發冷卻的供冷量顯著降低了機械制冷的制冷量。
QK(32°C, 40% rel. hum.) | 標準室外空氣工況總冷負荷 |
QK, total* | 總冷負荷(極端天氣) |
QK, mechanical* | 機械制冷量(極端天氣) |
QK, evaporation + heat recovery* | 再生冷量(極端天氣) |
WK, total | 年度總供冷量(平均值) |
WK, mechanical | 機械制冷所占冷量份額(平均值) |
WK, evaporation | 間接蒸發冷卻所占冷量份額(平均值) |
WK, heat recovery | 熱回收所占冷量份額(平均值) |
ηReg | 再生冷量所占份額(平均值) |
如模擬所示,間接蒸發冷卻提供了相當多的再生冷量。樣例選定的不同地點盡管采用相同的系統設計,但由于相應的天氣數據不同而出現明顯結果差異。當某些地區的空氣濕度較高,需要進行更多的除濕時,該地區的供冷量具有較低的比例值。例如在布雷根茨清楚地表明,由于其位于康斯坦茨湖東岸,因此存在適當的氣候影響。總再生冷量比例包括間接蒸發冷卻和熱回收的供冷量之和。在計算樣例選定的位置,比例將達到每年提供的總制冷量的40%至56.6%。
使用可再生能源的最大障礙在于成本效益。間接蒸發冷卻等措施必須是有利可圖的。投資階段的成本超支必須通過運營期間的目標成本節約來彌補。每棟建筑都必須進行收支平衡。可靠的系統模擬使各系統之間關系清晰,并可與傳統空調制冷方式進行實際比較。