分体式蒸发空调器的设计与实验

黄 翔孙哲，2刘佳莉

(1西安工程大学环境与化学工程学院 西安 710048；2西安地下铁道有限责任公司 西安 710018)

分体式蒸发空调器的设计与实验

黄 翔1孙哲1，2刘佳莉1

(1西安工程大学环境与化学工程学院 西安 710048；2西安地下铁道有限责任公司 西安 710018)

设计研究了一种蒸发冷却与半导体制冷相结合的分体式蒸发空调器，探讨了其原理及三种运行模式。总结出该分体式蒸发空调器的主要设计步骤。对样机进行了实验，得出了该分体式蒸发空调器的出水、出风温度。结果表明，室外机出风温度高于室外湿球温度3～4℃。室外机出水温度低于室外湿球温度1～2℃，经过半导体制冷再次温降后，可低于室外湿球温度4～5℃。依据实验结果，结合气象数据，计算得出该分体式蒸发空调器在我国288个城市的出风、出水温度结果。计算得出，该分体式蒸发空调器可在我国西北地区等高温低湿地区广泛采用，适用率超过90%。

蒸发冷却；半导体制冷；分体式蒸发空调器；亚湿球效率；适用性

在住宅空调领域，采用蒸发冷却空调技术的蒸发式冷风扇、蒸发式空调器已相继推向市场。而制定中的国家标准《家用和类似用途电气的安全-蒸发式冷风扇和蒸发式空调器的特殊要求》将进一步发展和规范市场。蒸发式空调器将成为住宅空调领域设备发展的一个新方向。但目前，蒸发式空调器均以直接蒸发冷却为技术核心，以冷风作为载冷介质。这样，一方面不能对室内的湿度进行有效地控制，一方面受到建筑物层高与形式的制约。

采用蒸发冷却空调技术制取冷水[1]，并伴以在小型特殊领域有所应用的半导体制冷加以辅助调节，可实现流体介质输配的小型化，实现较为稳定的工况，有效地对湿度进行控制，同时提高了半导体制冷的能效比[2]。针对住宅空调领域，设计研究了一种分体式蒸发空调器[3]。该分体式蒸发空调器采用间接-直接蒸发冷却制取冷水控制室内温度，利用间接蒸发冷却技术处理新风适当控制室内湿度和洁净度。可应用于干燥地区乃至中等湿度地区。对该分体式蒸发冷却器的原理、运行模式及设计步骤加以分析，制作出小型实验样机，并在标准空调焓差实验台上对该分体式蒸发空调器进行了测试，得出了实验结果，并依据该实验结果分析了在我国的适用性。

1 原理

如图1所示，该分体式蒸发空调器分为室外机与室内机两大部分。室外机为利用间接蒸发冷却技术制取冷风，间接-直接蒸发冷却技术制取冷水的蒸发冷却设备。制取的少量新风可满足室内新风需求及适当维持室内湿度的稳定。制取的冷水供给室内机提供冷量，也可对半导体制冷装置进行散热。

图1 分体式蒸发空调器的原理图Fig.1 Schematic diagram of the split evaporative air conditioner

图2 室外机空气水处理过程焓湿图Fig.2 Psychrometric chart of air-water treatment process in outdoor unit

室外机的工作原理如图2焓湿图所示。室外侧空气通过间接蒸发换热器被等湿冷却(W1→W2)。大部分被处理的空气与水进行逆流热湿交换，带走热量排出室外(排至室外侧)。小部分的被处理空气由送风机直接送入室内。在室外机中，水温由入口温度t1降至亚湿球温度t2，并趋向于状态点S2。当水温满足要求时，被处理的水直接通入到室内机中，与室内侧空气进行间接换热。当水温不满足要求时(通常以高温冷水出水18℃作为衡量标准)，启动半导体制冷装置，一部分通入到半导体制冷装置的冷通道进一步降温，一部分通入到半导体制冷装置的热通道进行散热。

该分体式蒸发空调器充分利用自然能源，利用空气的干湿球温差，通过水的蒸发吸热，实现对空气、水的降温。由于仅有风机、水泵的做功，可实现较小的能耗制取较低的供冷温度和较大的制冷量。同时，由于加入半导体制冷装置进行辅助调节，一方面实现了对水温的进一步降温调节，解决了由于利用室外气候条件冷却造成的水温不稳定性，另一方面由于水作为半导体制冷热端的散热介质，缩小了半导体制冷的冷热端温差，提高了半导体制冷的能效比。

2 运行模式

由于风系统在任何运行模式下的处理流程不变，所以在运行模式的讨论中着重对水系统进行讨论。

2.1 模式1:蒸发冷却室外机单独运行

当水温满足要求(高温冷水通常为16℃ ～18 ℃)时，不需开启半导体制冷装置。通过间接-直接蒸发冷却制取出的冷水直接通入室内末端中。其流程如图3所示。只运行蒸发冷却室外机时，所需循环水的质量流量为:

此时，该分体式蒸发空调器的热平衡关系为:室外机排风排走的热量＝新风负荷＋室内显热负荷＝新风负荷＋水系统承担的显热负荷。

图3 单独开启蒸发冷却室外机Fig.3 Only running evaporative cooling outdoor unit

2.2 模式2～3:蒸发冷却室外机与半导体制冷装置同时运行

当水温不满足高温冷水的要求时，分两种工况运行，其流程如图4所示。其中，半导体制冷装置为上下热水通道，中间冷水通道的模块化装置。

1)模式2:室内末端的出水水温高于室外机的出水水温

室外机、半导体制冷装置、室内末端三者串联。通过室外机的间接-直接蒸发冷却制取出的冷水一部分通入半导体制冷装置的热通道吸热，一部分通入半导体制冷装置的冷通道进行冷却。冷通道中的冷水再通入空调末端中，最后与热通道回水汇入蒸发冷却室外机中。其末端水的质量流量为:

室外机的进出水的质量流量为:Wc＝Wr＋Wl。根据对半导体制冷装置的设计与实验研究表明，通常将此半导体制冷装置的冷热通道水的质量流量设置成1∶1。即Wr＝Wl。所以室外机所处理的水质量流量为Wc

图4 蒸发冷却与半导体制冷同时运行Fig.4 Evaporative cooling and semiconductor refrigeration running at the same time

此时，该分体式蒸发空调器的热平衡关系为:室外机排风排走的热量＝半导体制冷产生的焦耳热＋新风负荷＋末端承担的显热负荷。

2)模式3:当室内末端的出水水温低于室外机的出水水温

室外机与半导体制冷装置的热通道串联，室内末端与半导体制冷装置的冷通道串联。通过室外机的间接-直接蒸发冷却制取出的冷水全部通入半导体制冷装置的热通道中进行吸热后再回至室外机。通过半导体制冷装置制取的温度更为低的冷水通入室内末端吸热再回至半导体制冷装置的冷通道。其末端的水质量流量为:

同样也将此半导体制冷装置的冷热通道水的质量流量设置成1∶1，所以室外机所处理的水质量流量为Wc

该分体式蒸发空调器的热平衡关系为:室外机排风排走的热量＝半导体制冷产生的焦耳热＋新风负荷＋末端承担的显热负荷。

在实际运行操作过程中，考虑到系统切换简繁程度和计算能效比的结果，模式3经济性较差。所以模式3(当室内末端的出水水温低于室外机的出水水温)这种模式不适宜在该分体式蒸发空调器中普遍采用。因此，在设计研究该分体式蒸发空调器时宜以前两种运行模式作为常用模式。

3 设计

如图5所示，设计流程主要分为以下6个步骤。首先，与传统机械制冷空调的设计不同之一在于此分体式蒸发空调器需要严格按照室外气象参数进行设计。不同地区的气象参数直接决定了不同的出风、出水温度。也导致在选取半导体制冷装置个数与功率大小时也不尽相同。所以设计流程的第一步就是确定室外气象参数。第二步，根据室内显热负荷需求，按照运行模式中的公式计算出总水流量。设计流程的第三步为根据水流量与气水比确定风量、新风量、二次风量等。第四步是根据风量计算间接换热器尺寸。第五步也是最重要的一部，选取填料的尺寸，这直接决定了产出冷水的效率高低。第六步，根据以上参数进行选取配件设备。

图5 设计步骤Fig.5 Design steps

下面对设计过程中的关键步骤加以叙述:

1)确定水量

水系统采用两种模式运行，应按照蒸发冷却室外机与半导体制冷装置同时运行时进行水量确定。根据计算式Wc得出。

2)确定风量

根据气水比可确定与水进行热湿交换的风量。气水比λ是进入填料的空气质量流量Qa与喷淋水质量流量W之比λ＝气水比是影响蒸发冷却制取冷水的重要因素，必须考虑其水侧蒸发冷却最佳气水比，以使其热湿交换效率达到最高。目前，气水比一般选择为1.0～2.0。确定出一次空气风量。再根据目前常用的二次空气比一次空气之比1∶1，确定二次空气风量。

3)确定间接换热器尺寸

该室外机间接段采用了板翅式显热换热器。经过理论和实验论证得出，交错流板式间接蒸发冷却器一二次通道的宽度分别为5 mm左右为最佳，且二次通道的宽度要略大于一次通道的宽度[4]。根据厂家提供的样本，确定迎风风速，计算得出迎风面积。最终确定板翅式换热器尺寸。

4)确定填料尺寸

填料的迎风风速一般为2～3 m/s。根据风量计算得出迎风面积大小。再考虑机组整体尺寸及加工工艺等因素，得出迎风面积尺寸。

根据麦克尔(Merkel)方程，并对其进行修正[5－10]，得出:

(1)方程中体积传质系数βv(kg/m3·s)，反映了淋水装置的散热能力，可根据计算式:βv＝3.926g0.1607wg1.290a得出。

(2)别尔曼对麦克尔方程进行了修正，引入了考虑因蒸发水量而带走热量的1/K。K可按照公式:K ＝1－(Cmt2)/λ0进行计算。

式中:Δh0、Δh1……Δhn指的是水温分别为t2、t2＋dt……t2＋(n－1)dt、t＋ndt时的相应焓。

当计算精度要求不高时，Δt＜15℃时，可用以下简化计算:

式中:h″－h2为进水温度的饱和空气焓与排出的空气焓差；h″m－hm为进出水平均温度下的饱和空气焓与进出的平均空气焓的差；h″2－h1为出水温度下的饱和空气焓与进入的空气焓的差。

经过一系列计算取整，并考虑填料阻力等经济性因素，最终得出填料高度H。

计算出填料高度H后可根据公式验证效率:

4 实验

结合设计步骤，完成了制冷量为3500 W的分体式蒸发空调器实验样机设计与制作。所配半导体制冷装置的个数为4个，半导体制冷片48片。在空调标准焓差实验室模拟高温低湿工况(干球温度34℃，湿球温度18～23℃)，对该分体式蒸发空调器进行了实验测试，如图6所示。

图6 在焓差实验室实验样机的实物图Fig.6 The photo of test prototype in enthalpy difference lab

只开启蒸发冷却(运行模式1)空气、水的温度如表1所示。蒸发冷却与半导体制冷装置同时开启(运行模式2)，空气、水的温度如表2所示。

表1 运行模式1出风、出水温度Tab.1 Air and water temperature of operating mode 1

表2 运行模式2出风、出水温度Tab.2 Air and water temperature of operating mode 2

通过间接-直接蒸发冷却产生冷水的出水水温，通常在室外空气湿球温度以下露点温度以上，把该温度定义为亚湿球温度。所对应有亚湿球效率，表征了低于湿球温度的程度，可以作为该室外机的冷却效率的重要指标。表1、表2结果表明，室外机的出水温度低于室外空气湿球温度1～2℃。根据公式(8)得出，亚湿球效率平均为110%。室外机的出风温度高于室外空气湿球温度3～4℃，根据公式(9)得出，间接的湿球效率平均为75%。

实验同时也对样机的功率进行了测试。室外机实测功率为660 W，与预期计算相比较为高。因为实验调节需要，风机的选型不合适，选取较大。风机的功率占到了总功率的90%。这样算下来的整机能效比不具有说服性。但从半导体制冷的能效比来看，经过计算得出，该样机的半导体制冷装置能效比为3，还处于一个较高的水平。说明通过冷水这种散热方式缩小了半导体制冷的冷热端温差确实对提高半导体制冷能效比有一定的作用。这样通过半导体制冷装置对水温的一定程度调节，可保证水温的稳定，弥补由于蒸发冷却带来的不稳定性，适当扩大了应用地域，同时保证了较高的能效比。

实验在稳定工况稳定后进行读数。但在模拟空气温湿度的过程中，由于室外侧室外机排湿量较大，造成冷机负荷较大，所以造成了湿球温度有轻微的波动(±0.1℃)，对实验数据产生了轻微的影响。实验过程中所取得的数据忽略了积液、测点布置长度的误差，认为所得误差是实验仪器本身造成的。同时，忽略了机组外壳和管道外壁对温度的影响。另外，除空气的干湿球温度、空气流量、水量、水温外的其他数据均为计算取整所得。

5 适用性分析

以《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB50736—2012》[11]中最新提供的室外设计参数作为计算数据，该规范提供了除我国香港、澳门特别行政区、台湾外28个省级行政区、4个直辖市所属的294个台站的室外空气计算参数。其中，咸阳等7个地区没有提供湿球温度，因此共统计计算了288个市/区/自治州的出水、出风温度情况。

统计计算依据了该分体式蒸发空调器实验样机在空调标准焓差实验室的实验结果，包括了利用亚湿球效率计算出水温度，利用间接蒸发效率计算出风温度，利用半导体制冷的实验结果计算再次温降后的出水温度。

再根据该分体式蒸发空调器在各个市/区/自治州的出水温度情况，以通常高温冷水的供水温度18℃作为界限，判断各省(区)中满足要求的百分率情况。最终统计结果发现，该分体式蒸发空调器主要可应用于我国西北地区以及内蒙、云南等省(区)。特别是在我国新疆、甘肃、内蒙、宁夏等省(区)，夏季的室外气候特征为高温低湿，为该分体式蒸发空调器创造了良好工况，其适用率超过90%。而在我国陕西、山西、黑龙江、贵州的部分地区也可以采用。

而图7展现的为在我国部分省(区)中，单独开启蒸发冷却(模式一)、蒸发冷却与半导体制冷同时运行(模式二)满足要求所占的比例情况。在新疆与甘肃，直接应用蒸发冷却制取冷水的地区超过了50%。在宁夏、内蒙古、云南等省(区)，也可以通过蒸发冷却与半导体制冷同时运行，达到80%以上。而在陕西与山西，通过半导体制冷的辅助调节，也可以将蒸发冷却制取冷水应用于部分地区。

图7 不同运行模式在各省(区)所占的比例Fig.7 The proportion of different operation modes in part of provinces(areas)

6 结语

1)简要介绍了一种蒸发冷却与半导体制冷相结合分体式蒸发空调器，对其运行模式进行了探讨，得出了不同运行模式下的相关公式以及热平衡关系。设计制作了用于实验测试的样机，并对该分体式蒸发空调器的设计步骤做了简要分析，对重要公式做了梳理。

2)通过在空调标准焓差实验室、实验台的相关测试，得出了该分体式蒸发空调器的出风、出水温度情况。室外机的出水温度低于室外空气湿球温度1 ～2℃，亚湿球效率平均为110%。室外机的出风温度高于室外空气湿球温度3～4℃，间接蒸发效率平均75%。半导体制冷装置的能效比为3。

3)依据实验结果，结合夏季设计参数进行计算，得出该分体式蒸发空调器的在我国西北地区的适用率超过90%。结果表明，该分体式蒸发空调器在我国高温低湿地区有着较为广阔的应用前景。相信经过今后的进一步优化设计后，必将在我国适用的地区发挥其环保、高效、节能、稳定的特点。

本文受陕西省工业攻关计划项目(2013K07－27)和陕西省教育厅自然科学专项(12JK0804)资助。(The project was supported by the Industrial Research Project in Shaanxi Province(No. 2013K07-27)and the Natural Science Project of Education Department of Shaanxi Provincial Government(No.12JK0804).)

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Design and Test of Split Evaporative Air Conditioner

Huang Xiang1Sun Zhe1，2Liu Jiali1

(1.College of Environmental and Chemical Engineering，Xi′an Polytechnic University，Xi′an，710048，China；2.Xi′an Metro Co.，Ltd.，Xi′an，710018，China)

A split evaporative air conditioner of evaporative cooling and semiconductor refrigeration was designed.Principle and three modes of operation were discussed，and the design step of split air conditioner was summarized.The water and air temperature of split air conditioner were tested with the experimental prototype.The results show that the air temperature of outdoor unit is 3～4℃ higher than outdoor wet bulb temperature.The water temperature of outdoor unit is 1～2℃lower than outdoor wet bulb temperature.After decreasing by semiconductor refrigeration again，it can be 4～5℃ lower than the outdoor wet bulb temperature.According to the test results，combined with meteorological data，the air and water temperature in 288 cities in China was calculated.The calculated result shows that the split evaporative air conditioner is widely adopted in Northwest China and other dry areas.The applicable rate is over 90%.

evaporative cooling；semiconductor refrigeration；split evaporative air conditioner；sub-wet bulb efficiency；applicability

TU831.4

A

0253－4339(2014)05－0038－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.038

黄翔，男(1962－)，教授，副校长，西安工程大学，(029) 82330016，E-mail:Huangx＠ xpu.edu.cn。研究方向:蒸发冷却空调技术。

2013年12月3日

About the corresponding author

Huang Xiang(1962－)，male，professor，vice chancellor，Xi′an Polytechnic University，(029)82330016，E-mail:Huangx＠xpu.edu.cn.Research fields:evaporative air-conditioning.