罗　绒，黄　翔

( 西安工程大学，西安 710048 )



转轮式热回收型蒸发冷却空调机组的设计

罗绒，黄翔

( 西安工程大学，西安 710048 )

本文以一台3000m3/h风量的转轮式热回收型蒸发冷却空调机组为例，根据组合式空调机组的设计要求，提出转轮式热回收型蒸发冷却空调机组的设计步骤及选型方案，以便更多的工程人员了解该组合式空调机组的特点及计算方法，为工程设计人员提供参考依据。

空调机组；热回收；转轮式热交换器；间接蒸发冷却器；设计

1　引言

面对近年来我国能源短缺的现实，我们已清醒地认识到节约能源的紧迫性，应当大力开发各项节能技术，并寻找传统能源的合理替代品，应当尽快把节能减排、提高资源利用效率降低能耗问题提到一个重要的位置上来[1]。

蒸发冷却空调技术是利用自然环境空气中的干球温度和露点温度差，通过水与空气之间的热湿交换来获取冷量的一种环保高效而且经济的冷却方式；它采用水作为制冷剂，能减少温室气体和CFCS的排放量，因此被称为“零费用技术”、“绿色空调”和“仿生空调”，是一种真正意义上的节能环保和可持续发展的制冷空调技术[1]。

据调查发现目前我国大部分中央空调系统中没有安装热回收装置，使得冬季排风中的热量和夏季排风中的冷量被白白地浪费，一些安装了热回收装置的空调系统由于运行和管理上的不合理，未能达到应有的效果，加热和冷却室外新风的能耗非常大。《采暖通风与空气调节设计规范》及其他有关的建筑设计及节能标准均建议在有条件的情况下宜采用排风热回收装置。空调工程中处理新风的能耗大致要占到建筑总能耗的25%～30%，对于高级宾馆和办公建筑可高达40%。可见空调处理新风所消耗的能量是十分可观的。而空调房间的排风中所含的能量更是相当可观，若加以回收利用可以取得很好的节能效益和环境效益，尤其是冬季采用，效益更为明显[3～6]。

本文在当前节能减排的严峻形势下，将蒸发冷却技术与热回收技术很好地结合起来，提高资源利用效率，降低能耗，从而提出了一种转轮式热回收型蒸发冷却空调机组。该机组采用转轮式(显热)间接蒸发冷却器与直接蒸发冷却器等多种功能段组合而成，可实现空调排风冷热回收[7]。现以3000m3/h风量的机组为例，进行设计及选型。

2　转轮式热回收型蒸发冷却空调机组的设计

2.1设计依据

《组合式空调机组设计规范》GB/T14294-93;

《采暖通风和空气调节设计规范》GB50019-2003;

《全国民用建筑工程设计技术措施-节能专篇》暖通空调·动力2007。

2.2确定室外气象参数[8]

由于本机组初步定为在干燥地区使用，因此以新疆乌鲁木齐的气象条件为依据进行设计。新疆乌鲁木齐夏季空气调节室外计算干球温度为33.4℃，室外计算湿球温度为18.3℃；冬季空气调节室外计算温度为-23.4℃，室外计算相对湿度为78%。

2.3确定室内气象参数

根据我国国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》(GB 50019-2003)的规定，夏季室内温度取26℃，相对湿度取60%；冬季室内温度取25℃，相对湿度取50%。

2.4假定风速

转轮式热回收器的技术经济风速为2～4m/s,空气流经转轮时的迎面风速会影响到效率，迎面风速越大，热湿交换效率越低，反之则越高。直接蒸发冷却段的迎面风速一般取值是2.5～3.0m/s。风速要合理取值,过大会减少断面积但是又会产生空气中带水的问题,过小会使外形尺寸过大,提高经济成本,增加断面积。

2.5确定机组的外形尺寸

机组的断面积可以按下面公式来计算[9]

v=Q/A

(1)

式中：

v—迎面风速，m/s；

Q—机组的送风量，m3/h；

A—机组的断面面积，m2；

假定迎面风速取值是2m/s，则机组的断面积是A=Q/V=3000/2/3600=0.41m2，考虑到机组的有效面积系数(0.8～1.0)和宽高，按一定的比例来取值。机组的外形尺寸见表1。

转轮式热交换器的直径为700mm，因此转轮式换热器新风侧有效面积S为：

S=πR2/2=3.14×0.352/2=0.19m2

经校核算下来的风速v为：

v=3000/3600/0.19=4.3m/s

实际的风速基本上在转轮式热交换器的经济风速内，相差不是很大。

2.6机组外形设计

本机组外形设计参考了组合式空调机组设计规范以及台佳、美的、开利等组合式空调机组外形尺寸模数,并考虑到本机组功能段的需要,对机组外形及各功能段尺寸进行了优化设计,如表2所示。

表2　机组各功能段外形尺寸设计

2.7机组各功能段结构设计

机组结构设计充分兼顾了蒸发冷却“免费供冷“的优势和转轮式热交换器的热回收功能,并考虑到机组冬夏季及过渡季节时不同功能段的切换使用,设计出了自进风口方向：由新风过滤段、转轮(热回收)间接蒸发冷却新风段、直接蒸发段a、以及挡水板和送风机，回风方向：由回风过滤段、直接蒸发段b、转轮(热回收)间接蒸发冷却回风段和回风机所组合而成的全年运行空调机组。转轮式热回收型蒸发冷却空调机组的流程如图1所示，机组各个功能段分布如图2所示。

2.8填料的计算

2.8.1填料的效率

将出风处理到相对湿度90%时填料的效率ηDEC为73%。

图1　转轮式热回收型蒸发冷却空调机组的流程图Figure 1　The flow chart of the rotary heat recovery evaporative cooling air conditioning units

1-新风过滤段　2-转轮式热回收器新风段　3-均流段　4-直接蒸发段a　5-检测段　6-送风机段　7-回风过滤段　8-直接蒸发段b　9-转轮式热回收器回风段　10-排风机段图2　转轮式热回收型蒸发冷却空调机组各功能段图Figure 2　Each function segment flow of the rotary heat recovery evaporative cooling air conditioning units

2.8.2填料厚度计算

将出风处理到相对湿度90%时填料的效率ηDEC为73%；

直接蒸发冷却器b的热湿交换：

直接蒸发冷却器的热湿交换效率公式为：

(2)

式中：

tg1—进风干球温度，℃；

tg2—出风干球温度，℃；

ts1—进风湿球温度，℃；

取直接蒸发冷却器b效率ηDECb=73%；

室内回风经过直接蒸发冷却器b的热湿交换效率为：

0.73=(26-tg2)/(26-20.1)

(3)

计算得出：室内回风经过直接蒸发冷却器b的温降为4.3℃，即进入转轮式热回收器回风侧前的温度tg2=21.7℃。

转轮式热回收器的热湿交换：

取转轮式热回收器的热效率ηt=66%；

转轮式热回收器的热效率：

显热效率：

(4)

(5)

式中：

tg1—室外新风的初始温度，℃；

tg2—新风经热回收器后的温度，℃；

转轮式热回收器新风侧方向：

室外新风经过转轮式热回收器的热效率：

(6)

新风经转轮式换热器新风侧后再经过直接蒸发冷却器a的热湿交换效率为：

0.73=(25.7-t3)/(25.7-15.9)

(7)

计算得出送风温度：t3=18.5℃。

填料的厚度计算可以参考下面的公式来计算[10]：

(8)

式中：

tg1—进风干球温度，℃;

tg2—出风干球温度，℃;

vy—迎面风速，m/s;

ε—填料比表面积，m2/m3;

δ—填料的厚度，mm;

ηDEC—填料的效率。

根据上面的数据代入(8)式得到：

直接蒸发冷却段a：εδ=79.84，

直接蒸发冷却段b：εδ=119.1。

ε通常取值是400～500m2/m3，为了取到精确的填料厚度，ε取不同的值，则填料的厚度结果如表3：

表3　不同比表面积下填料的厚度

则δ取其平均值，δa=179mm，δb=266mm，填料的厚度影响填料的效率，当填料的厚度增加时填料的效率增加，但是当填料的厚度增加到一定程度时填料的效率不再增加，反而增加了空气的阻力，所以填料的厚度要取一个合理的取值，本机组中填料的厚度δa=200mm，δb=200mm。

2.8.3填料高度和宽度

假设是循环水湿膜加湿系统，并且安装在空调空段内，则：

填料宽度=空调箱内宽度-50mm=950mm-50mm=900mm

填料高度=空调箱内高度=500mm。

2.9本机组所需要水量的计算

填料上侧淋水量的计算

填料上侧的淋水量可以按下面公式来计算：

qDEC=1.2MsminF+△qn

(9)

式中：

Msmin—直接蒸发冷却的最小淋水密度,kg/m2·s;

△qn—设备运行的最大蒸发量,kg/s；

F—淋水面积,m2

在上式中填料的最佳淋水密度取值是0.44kg/m2s，运行设备的最大蒸发量是淋水量的7%，填料a的淋水断面积0.2×0.9=0.18m2,填料b的淋水断面积0.2×0.9=0.18m2。实际的淋水量应大于最小的淋水量，同时可考虑1.2的安全系数。则淋水量:

qDECa=1.2×0.44×0.2×0.9/0.93

=0.1kg/s=368kg/h,

qDECb=1.2×0.44×0.2×0.9/0.93

=0.1kg/s=368kg/h。

3　喷嘴类型及布水方式

本机组的直接蒸发冷却段均采用管孔重力出流循环喷淋，一般两孔之间的距离是200mm，管总长是900mm，则需打5个孔，每个孔的流量是：填料a：73.6kg/h，填料b：73.6kg/h。

4　设计及选型

4.1水箱的设计[9]

水箱的容积按能容纳3～5min的喷水量来取，填料a所需要的水量：0.1×5×60=30kg=0.03m3,则取水箱的大小：长×宽×高：400×900×200。

4.2循环水泵的选型

水泵扬程按下式计算：

HP=k·(hf+hd+hm)

(10)

式中：

hf、hd—水系统总的沿程阻力和局部阻力损失,Pa；

hm—设备阻力损失,Pa；

k—安全系数，取1.2

经过水力计算:填料a和填料b水系统的沿程损失hf=413Pa。

局部阻力损失是沿程阻力损失的20%,则局部阻力损失hd=83Pa。设备阻力损失hm=2732Pa。

则水泵的扬程为：

Hp=1.2×(413+83+2732)=3228(Pa)

=3228/9.80665×1000=0.4(m)

算出水泵的扬程为0.4m。流量为0.37m3/h。

选用IS50-32-125A型单级离心式水泵，流量3.36m3/h，扬程4m，电机功率0.22kW。

选用的离心式水泵的安装高度与循环管路的安装高度相同。

4.3风机的选型

风机的选型是将各个功能段的阻力及管路的阻力相加，求出风机的全压，最后选用一个合理的风机，因为本次设计没有具体布置管路，现只将机组内各段阻力相加得出的阻力来选择风机。

送风机阻力：1新风过滤段+2转轮式热回收器新风段+3均流段+4直接蒸发段a+5检测段=50+170+10+75+10=315Pa;

排风机阻力：7回风过滤段+8直接蒸发段b+9转轮式热回收器回风段=50+75+170=295Pa。

选用4-79(3.5A)型离心式通风机，风量1560～3040m3/h，全压250～420Pa，电机功率1.1kW。

5　结语

本文设计的热回收型蒸发冷却空调机组有如下特点：

(1)将转轮式热交换器很好地应用于空调蒸发冷却空调，以取代目前所采用的在实际工程中存在换热效率低、布置工艺复杂、处理风量小等缺点的常规热回收器(板翅式、管式、热管式)。

(2)将热回收装置与蒸发冷却装置有机结合的空调机组，具有热回收和蒸发冷却两种功能，从而达到夏季冷回收，冬季热回收,这种组合可以在全年运行，可以充分利用室内回风来预冷/预热室外新风，同时尽可能多的减少空调能耗，提高了机组的能效比(EER)。

(3)采用水作为制冷剂的蒸发冷却方式，降低了CFCS的排放及温室效应，符合环保要求。

(4)转轮式热交换器自身的成本相对来说比较高，但这种间接系统的冬季热回收功能具有明显的经济价值，尤其是对那些通风负荷非常大的用户。因此，其相关经济性和回收期的计算，要同时考虑其夏季和冬季的运行费用。

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Design for the Rotary Heat Recovery Evaporative Cooling Air Conditioning Units

LUO Rong,HUANG Xiang

( School of Environmental & Chemical Engineering,Xi′an University of Polytechnic, Xi′an,710048，China )Email: 157987053@qq.com)

Take 3000m3/h design for the rotary heat recovery evaporative cooling air conditioning units for example,It based on the designing requirements of multiple air conditioning units,the paper come up with the steps for design of the rotary heat recovery evaporative cooling air conditioning units and engineer would understand the calculationmethod and trait of air conditioning units at the same time the paper provide reference information for engineer .

the cooling air conditioning units；the rotary；the rotary heat exchanger；indirect evaporative cooler；design

2016-4-18

罗绒(1986-)，女,硕士，助理馆员。研究方向：转轮式热回收型蒸发冷却空调。Email：157987053@qq.com

ISSN1005-9180(2016)03-055-06

TU831文献标示码：Bdoi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.010