太阳能烟囱与露点间接蒸发冷却复合空调节能系统分析

倪诚明

( 上海海事大学 商船学院 热能工程系，上海 201407 )

1 引言

近年来我国经济的迅猛发展加大了能源的消耗及环境污染。当前我国在能源建设上面临着各种各样的问题，其中最主要的问题就是能源结构不合理[1]。常规能源的使用使得温室效应加剧及环境污染问题也日趋严重。能源消耗中建筑物能耗是耗能大户，占能源总消耗量的27.8%，建筑能耗的38%来自于建筑空调装置的使用。在夏季，中国一线城市空调用电负荷占城市最大用电负荷的40%。蒸发冷却是一种节能和环境友好型的空气调节方法，为了减少能源消耗和氟化物制冷剂对臭氧层的破坏，蒸发冷却技术受到了越来越多的关注[2,3]。传统的蒸发冷却系统有几个缺陷：(1)产出空气湿度大，让人产生不舒适感觉；(2)系统冷却效率通常较低[4]；(3)冷却后空气温度受限于环境空气的湿球温度。在2003年,在第四届暖通空调国际研讨会上,俄罗斯的Valeriy Maiso tsenko博士发表了《The Maisotsenko cycle for air desiccant cooling》。MAISOTSENKO循环可以在不使用压缩机和制冷剂的情况下,将任何气体和液体冷却到接近露点温度[5]。“M循环”为热力循环带来了启迪和突破，基于“M循环”，创造出的露点间接蒸发冷却器，可将出口空气冷却到低于环境湿球温度且接近露点温度。由室内外空气密度差引起的热压自然通风即所谓的“烟囱效应”。太阳能烟囱就是一种利用“烟囱效应”的自然通风设备，它以太阳辐射能作为动力能源，为腔体内空气流动提供浮升力，将热能转化为动能。太阳能烟囱技术为房屋自然通风提供动力，是被很多能源专家看好的具有发展前景的一项新能源技术[6]。

本文将太阳能烟囱通风技术与露点间接蒸发冷却技术相结合，提出一种复合空调系统，它能进一步强化室内自然通风，并且有效的对进入室内的空气实现降温且不会增加室内空气的含湿量，最终达到通风与空气调节的目的。

2 露点间接蒸发冷却原理与研究进展

逆流式露点间接蒸发冷却器的一组通道如图1所示，包括输出空气通道和两个相邻的工作空气通道(干空气通道和湿空气通道)，湿空气通道中湿表面保持湿润。逆流式露点间接蒸发冷却器是逆流换热,换热气流有较大的温差,因此换热效率相对较高。这种露点间接蒸发冷却器能够产生更多的冷量,出口空气温度更低，具有很高的湿球效率,最大限度地提高了露点冷却系统的能源效率。

图1 逆流式露点间接蒸发冷却器通道示意图

图2 逆流式露点间接蒸发冷却器空气处理过程

逆流式露点间接蒸发冷却器空气处理过程与焓湿图中表示如图2所示，输出空气通道和干空气通道的空气入口条件相同(p0状态点和p1状态点)。当空气在输出空气通道中流动时，进行等湿冷却，从状态点p0到状态点p1。空气在干空气通道中流动，将热量传递给湿空气通道中的空气，从状态点W0冷却到状态点W1。在干空气通道的尽头，空气进入湿空气通道，自身被加湿冷却吸收干空气通道和输出空气通道的热量，水蒸发潜热带走大量热量，最终空气达到状态点W2排出到大气中。

图3 Trombe墙式太阳能烟囱

ZHAO[7]对逆流式露点间接蒸发冷却器进行了数学分析，模拟的结果指出冷却器的冷却效率与下列因素有很大关联：1)入口空气的速度；2)冷却器的通道尺寸；3)工作空气量与进口空气量的比值。Riangvilaikul和Kumar[8,9]也对一种露点蒸发冷却系统进行了实验和分析，他们探究了不同的空气进口条件下冷却器的效率。最终结果显示冷却器的湿球效率在92%至114%之间，而冷却器的露点效率在58%至84%之间。zhan[10]对基于M-循环的错流间接蒸发冷却器的效率进行了数学分析。他指出与传统的间接蒸发冷却器相比，错流式的冷却器冷却效率增加16.7%。陈俊萍等比较了几种间接蒸发冷却器的性能,在同风量下,露点间接蒸发冷却器的阻力比管式和热管式间接蒸发冷却器大,但露点间接蒸发冷却器湿球效率比管式间接蒸发冷却器高10%,比热管间接蒸发冷却器高20%[11]。X.Cui[12]等对一种新型露点间接蒸发冷却器进行模拟和分析，模拟结果与实验误差在7.5%以内。在不同的温湿度空气进口条件下，模拟结果显示该新型露点间接蒸发冷却器的湿球效率在122%到132%之间，而露点效率在81%到93%之间。

3 太阳能烟囱的工作原理及研究现状

太阳能烟囱是一种热压作用下的自然通风设备，利用太阳辐射加热烟囱内的空气，由于温度的变化使得空气密度的不同，最终使一部分空气产生浮升力，将热能转化为动能，驱除室内空气，也就是烟囱效应。常见的太阳能烟囱的形式有以下几种：1)墙体式结构(如图3)；2)倾斜集热板屋顶式结构(如图4)；3)竖直集热板屋顶式结构(如图5)；4)墙壁屋顶式结构；5)辅助风塔通风式结构等[13]。

图4太阳能倾斜集热板屋顶式结构

图5 竖直集热板屋顶式结构

荆海薇[14]对高度为2m,长度为1m,空气通道宽度分别为400mm,700mm,1000mm和1200mm的竖直集热板屋顶式太阳能烟囱,在得热量变化的情况下,实验研究了其温度场、速度场和自然通风量。结果表明对于竖直集热板屋顶式太阳能烟囱,存在一个获得最大通风量的最佳空气通道宽度和高度的比值,这个比值大约是1/2。当烟囱空气通道宽度再增大,宽度和高度的比值大于1/2时,这时烟囱的自然通风量已经没有太明显的变化。郝彩侠[15]在荆海薇的基础上进行研究，在两个壁面受热的情况下,烟囱内的通风量随着空气通道宽度的增大而增加,没有发现存在最大通风量的最佳空气宽度和高度的比值。卢敬彦[16]利用实验法对太阳能通风墙、太阳能烟囱和太阳能通风屋顶的通风应用特性进行实验研究,并分析了其应用的综合效益,为我国绿色建筑中推广应用太阳能通风技术提供理论依据。提出一种新型太阳能蓄热通风系统,即将太阳能通风与相变蓄热材料相结合,充分利用太阳能。陈杰华[17]依据自然通风和能量平衡原理，以空气得热量为考察指标，采用模拟(COMSOL3.5软件)和实验的方法，在所研究的参数范围内(Qin=120.44～957.89W·m-2，H=1m,W=0.1m～0.6m)，当太阳辐射强度一定时，空气流量随着空气通道宽高比的增大而增大；空气得热量随着空气通道宽高比的增大而先增大后减小，在W/H=0.3～0.5范围内，空气得热量达到最大值。Khanal[18]等研究了均与热流被动吸收墙的倾斜被动墙太阳能烟囱，实验结果显示被动墙的倾斜角度对沿烟囱高度方向空气隙的温度分布没有显著影响。另一方面，穿过空气隙宽度的平均空气速度很大影响受倾斜角度。柳仲宝[19]以垂直布置的太阳能烟囱为研究对象,对烟囱通道内的传热过程进行了模拟研究,从模型的计算结果来看,太阳能烟囱的高度、深度、进风口高度的最佳的尺寸比例接近为10∶1∶1。许淑惠[20]等对太阳能烟囱辅助教室混合通风进行了研究，采用模型实验和数值模拟的方法对室内热源强度、机械送风口位置、机械送风速度和太阳能烟囱辐射强度对教室内空气温度的影响进行了讨论，送风速度的大小对室内空气温度分布有很大影响，温度效率随送风速度的增大呈先增大后减小的趋势，即存在送风速度的最优点使得温度效率最高。Kasaeian[21]等对德兰黑大学的太阳能烟囱进行研究和分析，对其尺寸进行优化。结果显示，进风口尺寸6cm，太阳能烟囱高度3m，烟囱口径10cm是建造太阳能烟囱的最佳尺寸方案。研究指出风速可以增加4%～25%。同样指出，高度和口径是太阳能烟囱设计时最重要的物理因素。Alex[22]等，研究新加坡零能耗建筑内部的太阳能烟囱系统，目标是确定周围空气的速度、太阳能烟囱和教室内部热环境对其影响。实验结果显示超过2.00 m/s较高的周围环境空气速度可以提高太阳能烟囱管道的内部空气速度。然而当太阳辐照超过700 W/m2时周围空气速度显著下降。另外太阳能烟囱和教室内部热负荷对太阳能烟囱的影响是有限的。Xu[23]等研究了与单层建筑相结合的太阳能烟囱的性能。

4 太阳能烟囱和露点间接蒸发冷却复合系统的分析

结合国内外对太阳能烟囱强化自然通风的研究进展，本文提出一种太阳能烟囱强化自然通风和露点间接蒸发冷却结合的通风系统，如图6所示，该通风供冷节能系统由太阳能烟囱和露点间接蒸发冷却两部分组成，其中建筑南墙设有的Trombe墙太阳能烟囱主要由透明玻璃板和Trombe墙组成的烟道，整个空调系统运行不需要消耗额外能源。太阳能烟囱中，透明玻璃板上下分别设有空气阀门，Trombe墙烟囱通道表面设有吸热材料层，另一侧设有绝热材料层，上下分别设有空气阀门。太阳能烟囱内部的露点间接蒸发冷却系统是由干空气通道、湿空气通道、输出空气通道构成，湿空气通道内部湿表面附有吸水材料层(硅藻土等)，利用毛细力吸取下方水槽中的水保持湿表面湿润。太阳能烟囱看做露点间接蒸发冷却系统湿空气通道和房屋的排风系统，通过太阳能辐射加热烟囱内空气，将空气的热能转化为动能，提供空气浮升力，为整个空调节能系统提供免费动力。本系统的具体工作过程如下：

在夏季，Trombe墙通过透明玻璃板吸收太阳能，加热太阳能烟囱内部空气，露点间接蒸发冷却系统湿通道和房屋内的空气不断由烟囱排出，从而驱动室外空气不断由露点间接蒸发冷却系统的输出空气通道经过降温处理后进入室内。室内和室外的空气通过该系统形成循环模式，通风效果明显。同时室外空气经过露点间接蒸发冷却系统的处理，降温效果更好，有效的降低了送风温度。在冬季，该系统与普通太阳能烟囱工作原理相似，空气经过太阳能烟囱的加热后由Trombe墙上部空气阀门进入室内，室内空气在压力作用下经Trombe墙下部风阀进口露点间接蒸发冷却系统的输出空气通道，最终排出到室外，完成一个空气调节循环。

图6 太阳能烟囱与露点间接蒸发冷却复合空调节能系统示意图

5 结论

太阳能烟囱强化自然通风是一种很有潜力的通风手段，它具有强化室内通风、改善室内空气品质的优点。露点间接蒸发冷却技术具有送风温度低，降温效果更好，节能、无污染的特点。将太阳能烟囱强化自然通风和蒸发冷却技术相结合的空调节能系统应用于生态建筑，可以有效的解决了室内通风降温问题，大大节省了投资和运行费用，节能环保效果显著，具有良好的发展前景。

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