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蒸发冷却空调应用中存在问题及解决设想论文
摘要：
目前,集中式蒸发冷却式空调系统在我国西部地区得到了越来越广泛的应用, 但其缺点即风道大、使用灵活性差，而且不能实现多个房间分别进行调节控制。针对集中式系统的缺点本文提出采用有别于传统风机盘管加新风系统的半集中式蒸发冷却空调系统，并从理论上进行了可行性分析。
关键词：
蒸发冷却 半集中式 空调系统 环保 节能
1. 蒸发冷却技术现状
蒸发冷却过程是以水作为制冷剂的，由于不使用CFCs，因而对大气环境无污染，而且可直接采用全新风，极大地改善了室内空气品质。同通常的机械制冷的原理一样，由制冷剂的蒸发而提供冷量。但是对蒸发冷却来说，是利用水的蒸发取得能量，它不是将蒸发后的水蒸汽再进行压缩、冷凝回到液态水后再进行蒸发。一般可以直接补充水分来维持蒸发过程的进行。
据有关文献对蒸发冷却空调在乌鲁木齐、西安、哈尔滨、北京的应用分析可知：其运行能耗约为常规空调设备的1/5（机械制冷系统装机功率50w/m2左右，蒸发冷却系统装机功率10 w/m2，节电80%）；从初投资方面看，约为常规空调设备的1/2（机械制冷方式造价400元/ m2左右，蒸发冷却系统造价250元/ m2左右，节省投资30~50%），且具有加湿功能；从室内空气品质方面看，蒸发冷却系统由于按100%新风运行，因此明显优于常规空调系统，而且它以水为制冷剂，不使用CFCS，对大气环境无污染。
该技术在八十年代中期传入我国，在我国西部干旱地区（尤其是新疆地区）得到研究和应用，因为我国西北地区昼夜温差大，空气干燥，夏季室外空调计算4湿球温度较低（一般低于22度）；昼夜温差大，每日早晚与中午气温（干球温度）相差较大；冬季室外干球温度较低，多为干冷气候（若只对室内供热，室内空气相对湿度一般低于20%）。这些独特的气象条件为蒸发冷却技术提供了天然的应用场所，因为蒸发冷却是一种适宜在干燥地区使用的供冷技术，它利用水分蒸发吸热来降低送风温度，从而降低房间温度。正是由于西部的特殊气候条件使得蒸发冷却空调系统替代常规空调系统成为可能。目前蒸发冷却空调系统在新疆地区的宾馆、办公楼、餐饮、娱乐、体育馆、影剧院等公共与民用建筑以及一些工业建筑中已广泛应用，仅乌鲁木齐绿色使者中央空调有限责任公司在新疆地区完工的工程项目超过70余个[1]。
2. 蒸发冷却空调存在的问题
当前我国西部地区的许多高楼大厦、公共建筑内，仍广泛使用机械制冷空调系统。尽管这些系统提供了舒适的工作生活环境，但和蒸发冷却空调机组相比较其一次性投资巨大、运行费用昂贵、维修与养护复杂，而且会引发“病态建筑综合症”和造成环境污染。尤其是SARS疫情爆发后空调系统的安全性问题更加引起暖通界人士和卫生部的关注。室内空气品质越来越得到关注，而蒸发冷却系统由于按100%新风运行，不使用CFCS，对大气环境无污染，因此明显优于常规空调系统。目前在我国西部地区多采用集中式蒸发冷却系统, 其优点是使用时间长，便于维护，整个系统在需进行空气调节的场所仅有风道敷设而没有水路布置，故其设计简单成本低，因不需在吊顶中设置水管从而彻底消除了凝结水渗漏的问题。另外，该系统多采用全新风，大大改善室内空气品质，同时，在过渡季节采用全新风可节约能耗。
集中式蒸发冷却系统也有一些缺陷：首先，应用单元式直接蒸发冷却空调机会导致室内湿度较高（通过对乌鲁木齐已完工系统现场测试，室内湿度约75%）。其次，由于是采用冷空气对室内进行冷却而空气的比热较小，所以该系统风量较大，结果导致系统风道比一般半集中式空调系统风道占用空间大，导致其使用灵活性差。第三点，考虑到成本问题，目前尚没有物美价廉的末端产品来实现多个房间分别控制调节。但从设计和经济的角度考虑对温湿度控制精度要求不高的舒适性空调仍具有可行性，尤其对大型娱乐场所、餐饮、商场、体育场馆、会议中心、各种活动中心等公共场所具有很大优势。这也是集中式蒸发冷却空调系统在新疆地区近年来应用广泛的一个重要原因[2]。
3. 半集中式蒸发冷却空调系统的提出
由于集中式系统的缺点即风道大、使用灵活性差，而且不能实现多个房间分别进行调节控制。因此在某些场合限制了集中式空调系统的应用。因为传统的半集中式空调系统该系统能单独调节各个房间温度，适合风管不易布置和层高较低的场所,如宾馆客房和写字间等。故针对集中式系统的缺点本文提出了有别于传统风机盘管加新风系统的半集中式蒸发冷却空调系统，并从理论上进行了可行性分析。
3.1 半集中式蒸发冷却式空调系统
此系统和传统的风机盘管加新风系统略有不同，传统风机盘管加新风系统所用冷媒是冷水机组提供的冷水，故冷水机组是核心。而半集中式蒸发冷却系统的.核心是蒸发冷却段，是利用水的蒸发取得能量，它不是将蒸发后的水蒸汽再进行压缩、冷凝回到液态水后再进行蒸发,而是直接补充水分来维持蒸发过程的进行，系统中新风由蒸发冷却新风机组处理，根据室外设计参数和负荷特点可选用单级或多级蒸发冷却。具体图示见图3-1。
传统半集中系统 蒸发冷却半集中系统
图3-1 传统系统与蒸发冷却系统的比较
直接蒸发冷却处理过程中，新风被等焓加湿，循环水温近似等于进口空气湿球温度。例如在乌鲁木齐夏季室外空调计算湿球温度约18℃，当空气被直接蒸发冷却处理后，理论上循环水温亦能达到18℃。若使用间接-直接蒸发冷却过程，则新风首先经等湿冷却，然后等焓加湿，这样处理后循环水温可进一步降低达到13～16℃，虽然经上述两种方式处理后的水温均高于冷水机组的冷冻水温7～12℃，但只要加大水量，通入冷却盘管后仍然可以承担部分负荷。故半集中式蒸发冷却系统与传统系统的主要区别是它的所有负荷均由蒸发冷却过程承担，而不需要冷水机组和冷却水系统，其初投入大大降低，一次投资综合造价仅为传统制冷空调方式的40%～80%。
3.2 可行性分析
为了探讨半集中式蒸发冷却空调系统在西北地区使用的可行性,以乌鲁木齐气候为例，进行设计方案的探讨和比较。乌鲁木齐室内外状态点及参数见图3-2。
图3-2 室内外状态点
地点：乌鲁木齐夏季
季节：夏季
tgw：室外干球温度 34.1℃
tsw：室外湿球温度 18℃
tgn：室内设计温度 27℃
相对湿度 60%
大气压力 906.7 mbar
3.2.1 传统风机盘管+新风系统
从图3-2中可看出，夏季室外空气的含湿量dw小于室内空气的含湿量dn,即室外空气需要加湿处理，为实现这一目的，在传统的风机盘管加新风系统中一般是在送风机前安装蒸汽加湿系统对被处理空气进行等温加湿。见图3-3。
空气处理过程(W 室外空气状态点，N室内空气状态点，KL新风机温升)
图3-3 传统风机盘管加新风系统空气状态变化图
3.2.2 半集中式蒸发冷却系统[风机盘管+直接蒸发冷却新风机组] [3]
风机盘管+直接蒸发冷却新风机组的半集中式系统，则其空气变化过程如图3-4所示。
图3-4 风机盘管+直接蒸发冷却新风机组
直接蒸发冷却新风机组，直接蒸发冷却效率ηDEC最高可达90%，按ηDEC=90%计算：
（3-1）
注：tws 室外空气湿球温度
使用循环水处理的直接蒸发冷却是一等焓加湿过程，因此可确定L点的状态。循环水温最终被固定在机器露点L接近室外湿球温度。由式（3-1）可知:
tsh=tL=tw-(tw-tws)×90%
=34.1-(34.1-18)×90%=19.6℃
注：tsh 直接蒸发冷却循环水水温
将循环水通入风机盘管，由于循环水水温略高于室内空气露点温度18.4℃，所以只能对室内回风进行等湿冷却。
3.2.3 半集中式蒸发冷却系统[风机盘管+（间接+直接）蒸发冷却新风机组]
风机盘管+（间接+直接）蒸发冷却新风机组的半集中式系统，空气变化过程见图3-5。
图3-5 风机盘管+（间接+直接）蒸发冷却新风机组
间接+直接蒸发冷却新风机组。绿色使者中央空调有限公司生产的板翅式间接蒸发冷却器其效率ηIEC最高可达60～75%，如果按ηIEC=60%计算：
（3-2）
注：tws 室外空气湿球温度
间接蒸发冷却是一等湿降温过程，根据式（3-2）可确定P点的状态。
tP=tw-(tw-tws)×60%
=34.1-(34.1-18)×60%
=24.4℃
由tp=24.4℃可知其湿球温度tps=14.8℃并且直接蒸发冷却入口温度就是24.4℃。再根据式（3-1） 得： tsh=tL=tp-(tp-tps)×90%
=24.4-(24.4-14.8)×90%
=15.76℃
注：tsh 直接蒸发冷却循环水水温
将循环水通入风机盘管，由于循环水水温低于室内空气露点温度18.4℃，所以可对室内回风进行除湿冷却。
3.2.4 半集中式蒸发冷却系统[风机盘管+（间接1+间接2+直接）蒸发冷却新风机组]
风机盘管+（间接1+间接2+直接）蒸发冷却新风机组，空气变化过程如图3-6所示。
图3-6 间接1+间接2+直接蒸发冷却半集中式系统
采用带有表冷却段（冷却塔供冷的第一级间接蒸发冷却段）的三级蒸发冷却新风机组，其表冷段利用冷却塔的冷却水对新风进行冷却。这种将冷却水通入表冷器的冷却塔供冷方式同间接蒸发冷却一样实现了对空气的等湿降温处理。因此，这种带有冷却塔供冷的间接+直接蒸发冷却机组又被称为三级蒸发冷却机组（两级间接蒸发冷却+直接蒸发冷却）。如利用冷却塔的冷却水，冷却效率可达η冷却塔= 40～50%左右，空气终状态温度≈空气初状态湿球温度w+6～8℃. 按η冷却塔=50%计算有：
（3-3）
首先根据式（3-3）可确定P点的状态。
tP=tw-(tw-tws)×50%
=34.1-(34.1-18)×50%
=26℃
则间接蒸发冷却的入口干球温度就是26℃，根据焓湿图可知此时湿球温度tps为15.3℃。根据式（3-2）可确定Q点的状态
tQ=tp-(tP-tPs)×60%
=26-(26-15.3)×60%
=19.6℃
则直接蒸发冷却的入口干球温度就是19.6℃，根据焓湿图可知此时湿球温度tQS为13.5℃。再根据式（3-1）可确定L点的状态
tL=tQ-(tQ-tQS)×90%
=19.6-(19.6-13.5)×90%
=14.1℃
将循环水通入风机盘管，由于循环水水温低于室内空气露点温度18.4℃，所以可对室内回风进行除湿冷却。
4. 结束语
半集中式蒸发冷却系统用水作为制冷剂, 无冷水机组, 其中直接系统和(间接+直接)系统均无冷却水系统, 故它们的初投资均比传统半集中式系统低, 而且运行费用少。
由于半集中式蒸发冷却系统的供水温度较高，故供水量较大。其中直接蒸发冷却段的冷却水量的多少将直接影响到机组的制冷量，而负荷需要的冷却水量较大时又需要考虑补水和补水量等等，这些都需要进一步的探讨。
参考文献
1． 翔，武俊梅等，中国西北地区蒸发冷却技术应用状况的研究，第11届全国暖通空调技术信息网大会论文集 419~423
2． 刘鸣，蒸发冷却空调技术的工程应用问题，西北五省暖通空调制冷热能动力2002联合学术年会 84~87
3． 陈沛霖，蒸发冷却在空调中的应用，西安制冷，1999，1：1~7
朵朵陌上花
摘要：SXZ8—2040HM2中央空调是某制衣厂的空气调节设备。它制冷量是根据炎热的夏季、最大人流量来设计的，配套的冷冻、冷却水泵电机也一样。众所周知，中国的气候四季分明，就广东省而言，算下来较热的天气四个月左右，其余八个月相对温度偏低，加上白天和晚上温度上的差别。（制衣厂有夜班）对中央空调来说，制冷量会有些富余，造成室内温度不平稳。而水泵又属于二次方律负载，工频全压运行时功率因素和效率均很低。加上电机的配置偏大，造成极大的能源的浪费。另一方面因水泵采用Y—△启动，工频全压运行，造成机械磨损大。停机时产生回水水锤，造成对止水阀和水泵冲击时的磨损和损坏等缺陷。如果把冷冻泵、冷却泵改为变频调速，用温差配置PID闭环控制。可以降低水泵的转速，提高启动性能，简化电路、及惯性停机。上述改良是可以降低机械磨损率和电器故障率，消除水锤现象，更重要的是可以节约能源。而当今世界能源日趋紧张，故对中央空调的节能改造有着重要的现实意义和深远的历史意义。 关键词：中央空调、变频调速、温差控制、PID、节能。论文内容：（一） 中央空调系统的基本构成中央空调系统由三大部分组成，制冷系统、冷却水循环系统、冷冻水循环系统。1、制冷系统 （冷冻机组）冷冻机组是中央空调的心脏，制冷的源头，它由压缩机、冷凝器等组成。其功能是将通往各用户的循环回水，由冷冻机组进行“内部热交换”降温为7—10℃的冷冻水。型号是：SXZ8—2040HM2，中文的全称是：《蒸气双效型溴化锂吸收式冷冻机组》制冷量为2040KW，冷水流量为350立方米/小时。2、冷却水循环系统它是由冷却泵、冷却水塔、冷却风机和管道组成。其作用是利用冷却泵加压，将冷却水送到冷冻机组里不断循环，带走冷冻机（机械运动及内部热交换产生的热量）组释放的热量。3、冷冻水循环系统由冷冻泵、管道、风箱及风机组成，从冷冻机组“冷冻”的冷冻水，由冷冻泵加压，输送到各用户风箱，用风机将风箱里蒸发器蒸发的冷空气带走各房间的热量。 （二）、温度控制 用热电阻和热电偶配合温度控制保护电路，触摸屏显示观察。（三） 拖动系统1、 冷冻机组拖动系统：压缩机及机组、配电量为6。25KW，其中有配电量共为5。5KW电泵二台，压缩机由热蒸气动力拖动。2、 冷却泵拖动系统：二台55KW的水泵电机，Y—△启动一用一备。3、 冷冻泵拖动系统：二台55KW的水泵电机，Y—△启动一用一备。4、 风机拖动系统：一台22KW的水冷却风机，若干台4KW的风机。（四） 系统改造的基本考虑1、要达到节能目的水泵是二次方律负载，通俗的讲就是弹性负载，收缩性较强，具有十分可观的节能潜力。水泵阻转矩是与转速的二次方成正比，故低速时阻转矩比额定转矩小得多。在工频额定电压下运行时，水泵的有效转矩和负载转矩相差甚多，这是水泵类负载的机械特性，像是大马拉小车，功力因素、效率均很低。A是水泵负载在工频额定电压下运行的机械特性曲线，当负载转矩等于电动机的额定转矩TLN时，额定工作点为N点,转速为nN当负载转矩减轻为TLQ时，工作点移到Q点，转速升高为nq。如上所述，这时的功率因数和效率均很低。B变频降压运行A额定电压下运行 变频调速则可以根据U/F的比率来调整电机转速和有效转矩，降低电机承受的电压和频率，使电机的有效转矩和负载转矩接近，图4—2 B是降压后水泵的机械特性曲线。电动机的有效转矩为TME和负载转矩TLQ十分接近。则功率因素和效率处于最佳状态，减小了电流，同时电压也下降了。我们知道： P=UICOS￠根据这公式推导，由于输出电压、电流下降了，输出功率自然也下降了，达到了节能的目的。2、变频调速系统方案前面讲过，中央空调系统外部热交换是由两个循环系统来完成，冷却水循环系统、冷冻水循环系统。我们知道水泵电机的转速与循环水的速度成正比，而整个中电机水泵冷却泵循环系统 变频器 - + 电源给定 温差变送器 温度传感器 央空调系统热交换的速度与循环水的速度也成正比，如果根据回水和进水的温度来控制循环水流动的速度，从而控制了热交换的速度。根据这一原理冷却泵、冷冻泵可以以温度为依据，用变频内置PID智能调速来控制电机的转速。是比较合理的控制方式。温度高说明空调系统要求释放的热量增大，应提高水泵电机的转速，反之，可以降低转速，节约能源。（五）系统的具体改造方案1、冷冻水循环系统控制冷冻水的出水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，是比较稳定的。因此，单是回水温度的高低就足以反映房间内的温度，所以，冷冻泵的变频调速系统，可以根据回水温度来控制，回水温度高，说明房间温度高，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度。反之，回水温度低，说明房间温度低，可以降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度。2、冷却水循环系统控制由于冷却塔的水温是随环境温度变化的，其单侧不能准确的反应冷冻机组内部产生热量的多少。所以冷却泵的速度应以回水和进水的温度作为依据，来实现回水和进水恒温差控制，使电机的变频调速合理化。温差大说明冷冻机组产生的热量大，内部热交换的速度要加快，应提高冷却泵的转度，以增大冷却水的循环速度。温差小，说明冻机组产生热量小，可以降低冻却泵的转速，以减小冷却水的循环速度。 3、恒温（度）差控制冷冻水循环系统，单是回水的温度足以反应外部热交换的速度。可用Pt100铂电阻和E系列温控器配合使用，通过热电阻和温控器把回水温度转换成电信号，输出电流为4—20mA，作为变频器的反馈信号，和给定信进行比较。而冷却水循环系统，水塔的水温是随环境温度变化而变化的。单侧不能反应热交换的速度，必须要以回水和进水的温度作为依据。可以用Pt100铂电阻二个温差变送器配合使用，通过热电阻和温差控制器将回水和进水的温差转换成电信号。输出电流为4—20mA，作为变频器的反馈信号，和给定信号进行比较。决定水泵的转度。（六）变频器参数设置及系统控制原理1、时代变频器（TVF2455）的相关参数设定9952=1 数据初始化9906=2 PID应用宏，该应用宏为闭环控制系统设计，适用于压力、温度、流量等控制。 PID应用宏有如下内容 输入信号 输出信号 输入U/I选择启动/停止（DI1 D15） 模拟输出变量 频率 模拟给定 （AI1） 频率输出变量 频率 AI1 0—10V实际值 （AI2） AI2 0—10V控制方式 （DI2） 继电器输出1 故障输出 或4—20MA允许运行 （DI6） 继电器输出2 匀速运行1001=1 1=（DI1）启动/停止1002=2 2=（DI2）得电启动（PID）1003=1 电机方向选择 1=正方向1103=1 外部给定1选择 1=AI1 由模拟输入AI1给定1201=4 4=DI3 多速输出 1205=50 多速4的给定 对应DI3 单位 HZ1401=4 4=故障吸合 继电器输出1的变量2102=1 停止功能 1=惯性停车2008=50 最大频率 单位 HZ2007=28 最小频率 单位 HZ4405=1 偏差值取反 1=取反2202=8 加速时间 单位 S2602=2 U/F比率 2=平方型 通常用于平方负载转矩的应用中，例如水泵和风机。2、控制原理图说明AI1 REF AGND RP—0-10V模拟给定电压。AI2 AGND—反馈信号（4-20MA）。 DI6—允许运行。 DI1—启动 。 DI2 —手动/自动（闭合PID控制）。 DI3—恒速运行。KM继电器—故障吸合。当刚启动水泵时，因冷却水的进水口和回水口温度相等，热电阻Rt1和Rt2无温差。温差变送器只有微小输出，变频器置于手动位置，这时KI1 KI4 KI6闭合变频器恒速运行。20分钟后，冷却水管的进水口和出水口温度有了差值，温差变送器根据温差值输出4—20mA的偏差信号，作为变频器的反馈信号。KI4断开、KI2 闭合，变频器进入自动PID闭环控制环节，模拟给定电压和反馈信号比较，得出偏差值在内部进行比例、积分、运算后，输出一个模拟给定频率信号，去控制冷却泵电机的频率，从而控制了电机的速度。温差大时，说明冷冻机组内部“热交换加快”，电机转速加快，温差小时，冷冻机内部“热交换减慢”电机转速可以减慢。另一方面，由于变频器设置2602=2，可以充分利用变频器调压、调频的突出特性。使U/F比率处于最佳状态，这时有效转矩和负载转矩十分接近，达到节能的目的。（七）改为变频调速运行效果通过近一年的运行，用户反应半年就收回了成本，如果以平均节能30℅算，功率110KW，每小时节能至少30度，达到预期的效果。具体有如下几点：1、通过观察冷却泵转速下降为，最大频率是：42HZ，最小频率是：28HZ。节能35℅左右。冷冻泵转速下降为，最大频率是：46HZ 最小频率是：35HZ。节能25℅左右。2、以每天16小时计算一年可以节能：172800度电。3、简化了控制电路，电气故障率减少了。4、控制温度效果较好，房间内温度比较平稳。5、电机转速下降了，机械磨损明显减小。实施了惯性停机，消除了水锤现象。
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