直接蒸发冷却空调设计与应用案例.pdf

No.5/2009总第129期 第30卷制冷空调与电力机械Refrigeration Air Conditioning&Electric Power Machinery工 程 设 计中图分类号：TU831文献标识码：A文章编号：1006-8449（2009）05-0032-030引言纺织厂织布车间具有设备发热量大、散发的粉尘多等特点，同时生产工艺要求具有较高的相对湿度。在以往此类厂房的空调设计中，常采用机械制冷加喷淋式空气处理系统，设备投资大、运行费用高、不节能。能不能使用经济节能的直接蒸发式空调呢？为此，笔者进行了应用尝试。1直接蒸发冷却空调的特点与传统的机械空调相比，直接蒸发冷却空调具有以下特点：（1）初投资低。同等面积时安装集中式空调与蒸发式空调，蒸发式空调的初投资约为传统机械空调的3/5；（2）耗电量少。蒸发式空调系统运行能耗约为传统机械空调的 1/5，节电 80%左右；COP 值约为机械制冷的 2.55 倍；（3）全新风运行，空气品质好。由于采用直通式全新风运行，送风空气品质有保障，明显改善了车间内空气质量；（4）风量大，送风远，降温效果好。采用离心式或轴流式风机，风量大、压力大、送风距离远，在武汉地区，机组一般能够达到 48的降温效果；（5）相对湿度高。相对湿度高这一点正是纺织厂织布车间生产工艺所需要的。但相比于机械制冷空调，蒸发式空调的不利地方是送风温度偏高。2工程应用案例某纺织厂位于武汉市，织布车间长宽高分别为 140m40m6m，需空调的车间面积约为 5600m2，织布车间有 40 名操作工人。2.1 冷负荷计算取武汉市最热月14：00 室外平均相对湿度 63%作为参考数据，室外计算干球温度 35.2；车间内设计温度为 28，相对湿度 75。织布车间最大瞬时冷负荷为 1130kW，包括外墙、屋顶、玻璃窗瞬变传热引起的冷负荷及透过玻璃窗进入的日射得热、人员散热、车间照明引起的冷负荷和设备冷负荷。直接蒸发冷却空调设计与应用案例汤文华（武汉科技学院 环境与城市建设学院，湖北 武汉 430073）摘要：通过对一纺织厂织布车间进行蒸发冷却空调的设计与应用，结果表明蒸发冷却空调能起到降温、加湿、加强通风与换气的作用，满足生产工艺要求；与传统的纺织厂空调相比，其设备整体投资少，运行费用更省。关键词：直接蒸发冷却空调；设计与应用；织布车间；通风；节能32No.5/2009总第129期 第30卷制冷空调与电力机械Refrigeration Air Conditioning&Electric Power Machinery工 程 设 计2.2 空气降温过程分析空气降温过程如图 1 所示，即 A-C-N线。冷风的形成即图中 A-C 段，冷风吸收房间余热后状态发生改变，由进入时的 C 态变为离开时的 N 态，测定并计算这两状态的差值便可知道房间换掉的热量。由焓湿图看出，过程 CN=CM+MN。过程 CM是等湿加热（显热增加，含湿量不变），过程 MN 是等焓增湿（含湿增加，总焓不变），故冷风增加的热量等于 CM段增加的显热。2.3 送风量确定QL=CVt（1）式中 QL房间冷负荷，kW；t 冷风在房间里等湿加热的温升，；C 空气的比热容，取 1.01kJ/（kg ）；空气密度，取 1.29kg/m3；V 送风量，m3/s。可以得到：V=QL/（C t）因实际中测得的是冷风实际的温升，故用实际温升 t表示。V=QLC（t+）（2）式中 t 冷风离开房间时的实际温升，；等湿加热与实际温升之差，。t与通风方式、使用对象、房间大小、设备等因素相关，综合考虑取 t=4.5。由焓湿图看出，实际是由于冷风在室内进一步吸湿降低的温度，因为房间的加湿程度远远小于制冷机本身的加湿，故 是一个很小的数，在此空调系统中根据车间干湿程度，取 0.5左右。所以：V=QLC（t+）=11301.011.29（4.5+0.5）=173.5（m3/s）折合为空气质量流量是：G=V=173.51.29=223.8（kg/s）总送风量为：624 600m3/h。2.4 空调机结构确定1武汉地区的气象条件为：室外计算干球温度35.2，室外计算相对湿度 63%，经处理后为 75%；空调机的三个侧面用作进风侧，而另一个侧面用作出风口；填料选用瑞典蒙特公司的 CELdek5090 有机填料2，面积系数 600cm/m2，填料推荐厚度 100150mm，每面迎风面积为 1500mm1500mm。假定在整个热湿交换过程中水的汽化潜热为r=2500kJ/kg，迎面 风 速 取 推 荐值：2m/s。计算过程变化焓湿图如图 2所示。空调机的制冷量满足公式：QL=C G t（3）式中 QL空调机制冷量，kJ/s；t 室外计算干球温度与流出空调机空气温度之差（如图 2 所示，t=5.2），；G 空气质量流量，kg/s。所以得到：QL=C G t=1.01223.85.2=1175.5（kW）可以看出：在选定风量 V=173.5m3/s 下，空调机所制取的冷量：QL=1175.5kW1130kW（车间冷负荷），故满足要求。根据系统总风量 62 4600m3/h，选定 16 台直接蒸发式空调机提供冷量，则每台风量为 39037m3/h，每台制冷量 Q1约为 73.4kW。所以每台蒸发式制冷机出风口速度：Uc=V16F=173.5161.51.5=4.8（m/s）式中 F 空调机一个侧面的面积，m2。每台蒸发式空调机淋水供水量：ms=Q1r=73.4/2500=0.03（kg/s），考虑布水器布水的不均匀等因素，取 ms=0.04kg/s每台蒸发式空调机（三面 F进风）迎面风速：Uy=V16F=173.51631.51.5=1.6（m/s）直接蒸发冷却空调机结构如图 3 所示。循环水通过水泵送到填料顶部通过布水器均匀淋下，使填料得到很好的润湿，室外新风在风机的作用下穿过填料层时就与水之间产生热、湿交换。出风侧外接风道送风。2.5 空调机内风机和水泵的选择2.5.1 风机的选择根据处理风量和总阻力选用轴流式风机，总阻力主要包括过滤器阻力、填料层阻力和出风侧外接风道阻力。另外，为适合调节需要，空调机可以设计成变风33No.5/2009总第129期 第30卷制冷空调与电力机械Refrigeration Air Conditioning&Electric Power Machinery（下转第 19 页）工 程 设 计量，但若实现风机的无级变速，势必会提高产品成本，所以风机可设计成两级调速，以适应室外温、湿度变化的控制。根据本工程每台蒸发式制冷机所需风量以及总阻力，选用 T3511 轴流通风机，其参数见表 1。2.5.2 水泵的选择由于空调机选用的水泵安装在机组的集水箱底部，因此选用潜水泵。根据流量及管道阻力选用 WQ 系列潜水泵，其性能参数见表 2。为方便清洗和更换，过滤器和填料做成插接式，可方便取下；空调机底部水池既要做严格的防锈处理，还要防漏。另外要设计补水管、放水管和溢流装置。因为水泵和风机及其电机均设置在空调机壳内，所以电机要防水，整体绝缘性要满足国家标准。2.6 气流组织设计根据整个空调系统的冷负荷，采用 16 台 73.4kW空调机进行制冷。由系统总风量 624 600m3/h，得到每台风量为 39 037m3/h。根据车间长宽高为 140m40m6m，送风管道布置如下：（1）沿车间的长度方向安装 16 根风管，两端各8 根，沿长度方向对称布置，每根风管送风量为39 037m3/h；（2）每根风管再进行均匀送风设计，顶送风，送风口速度取 4.0m/s，每个风口要求射程为 x=2.5m；（3）采用下送流线型圆形散流器风口，在织布车间四周墙面下部对称设置 8个排风口，达到均衡换气要求。3采用蒸发冷却空调的效果温度和相对湿度的测量数据见表 3。依据织布车间工艺对温度、湿度的要求，一般温度在 2428，相对湿度在 72%左右为宜，从直接蒸发冷却空调运行的情况看，基本满足要求。两种形式空调的运行效果比较见表 4。直接蒸发冷却空调通风换气次数是传统机械空调的 23 倍。换气次数大，室内温、湿度波动小，有利于温湿度控制。另外直接蒸发冷却空调采用全新风，用较大的风速把冷风送到作业地点，直接将新鲜空气送到工人的呼吸区域，明显改善了室内空气品质，提高了工人的劳动效率。4结语对于发热量大、散发粉尘多的织布车间，采用直接蒸发冷却空调不仅可以对空气降温、加湿处理，满足工艺要求，而且以全面新鲜空气通风，最大程度稀释车间污染物浓度，其换气次数大，通风效果好，室内空气卫生质量有保障，并且含湿量大的空气对粉尘有吸附凝聚作用，净化车间污染空气。通过合理组织气流流动，送风直接面向人员作业面，车间空气不断被置换，完全能够创造出良好的生产作业环境。表 1 T3511 轴流通风机参数机号10叶轮直径mm1000主轴转速r/min960风量m3/h40508全压Pa3293全压效率，%89.5需用功率kW3.0电机功率kW4表 2 WQ 潜水泵技术参数型号WQ3-12-0.4主轴转速r/min2850流量m3/h3扬程m12功率kW0.4表 3 直接蒸发冷却空调运行测量数据测量项目室外温度，出风口温度，室内外温差，车间相对湿度%天气状况晴天 13227569晴天 23226699晴天 33327665小雨2828080晴天 43026468晴天 53127470阴天3027380晴天 63428665表 4 两种空调运行效果对比空调种类传统机械空调蒸发冷却空调送风温差363室内温度波动0.50.5换气次数次/h81834No.5/2009总第129期 第30卷制冷空调与电力机械Refrigeration Air Conditioning&Electric Power Machinery专 题 研 讨室内温度相对于室外温度的延迟时间出现负值，即室内温度比室外温度先达到最大值。本文的结果对于认识周期性变化内热源条件下的建筑围护结构蓄热对室内温度波动产生怎样的影响及对合理的建筑蓄热设计有一定的实践意义。但许多问题还有待于进一步的研究，比如如何进行合理的建筑设计，避免室内温度峰值出现在建筑居住时段内、避免出现双峰值的现象及避免室内温度比室外温度先达到最大值。参考文献：1S SZOKOLAY.Passive and low energy design for thermal and visualcomfortJ.Passive and Low Energy Ecotechniques，3rd Int.PLEAConf.MexicoCity.6-11 August 1984，（08）：1128.2C A，BALARAS.The role of thermal mass on the cooling load ofbuildings-anoverviewofcomputationalmethodsJ.Energy and Buildings，1996，1（24）：110.3P BURBERRY.Practical Thermal Design in BuildingsD.London：Batsford Academic and Educational Ltd.，1983.4B GIVONI.“Man，Climate and Architecture”2nd edD.London：AppliedScience，1976.5PRATT AW.Heat Transmission in BuildingsD.Chichester：John Wileyand Sons，1981.6Y LI，J C W YAM.Designing Thermal Mass in Naturally VentilatedBuildingsJ.International Journal of Ventilation，2004，2（4）：313324.7杨世铭.传热学M.北京：高等教育出版社，1998.7273.8MCQUISTON F C，PARKER J D，SPITLER J D Heating，Ventilatingand Air ConditioningA.Analysis and DesignM.NewYork：John Wiley&Sons，Inc，2000.收稿日期：2009-05-27修回日期：2009-06-23作者简介：段双平（1974-），女，湖北浠水人，硕士，讲师，研究方向：建筑节能。Effect of External Thermal Mass on Indoor Temperature ConsideringPeriodic Internal Heat SourceDUANShuang-ping（School of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621002，China）Abstract：The total heat source in the building was considered as a semi-periodic one，including heat gain frompeople，lighting，other heat-generating equipment and the direct solar gain.It was found that both the phase shifting ofindoor air temperature were determined by the time constant of the system，two dimensionless surface convective heattransfer numbers，the Fourier time constant，the fluctuating amplitudes of the indoor air temperature rise due to internalheat gain and the outdoor air temperature considering a periodic internal heat source.Some numerical solutions forpredictingphase shift ofindoor air temperature were alsopresented.Key words：periodic；internal heat source；thermal storage；indoor temperature；time delay（上接第 34 页）参考文献：1武俊梅，黄翔，陶文铨.单元式直接蒸发冷却空调机的优化设计J.流体机械，2003，31（1）：5962.2宣永梅，黄翔，武俊梅.直接蒸发冷却式空调机用填料的性能评价J.洁净与空调技术，2001，（1）：68.收稿日期：2009-07-03修回日期：2009-08-06作者简介：汤文华（1965-），男，湖北随州人，硕士，副教授。Design and Application of Direct Evaporative Cooling Air-conditioningTANGWen-hua（Environment and Urban Construction College，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430073，China）Abstract：Through the design and application of direct evaporative cooling air-conditioning in a textile weavingworkshop，the results showed that it can play an important role in cooling，humidification，and strengthen the ventilation，and satisfy the requirements of production technology.Compared with the traditional textile air-conditioning，it has lowerinitial equipment investment，lowewoperatingcosts，and greater economic benefits.Key words：direct evaporative coolingair-conditioning；design and application；weavingworkshop；ventilation；energysaving19