张开通 郝小礼 黄敏华 杨轲 邢庆伟

摘要：新型蒸发冷却置换通风装置由新型板式蒸发冷却装置与置换通风系统构成的一个集成系统。该文介绍了蒸发冷去装置与置换通风集成空调系统，该系统可以改善室内空气品质，满足人体的热舒适性要求，它是一种经济、节能、舒适性良好的空调系统形式。该文通过传热、传质仿真模拟分析重点讨论了新型蒸发冷却置换通风装置中的新型板式蒸发冷却系统的冷却效果；结果显示：新型板式蒸发冷却系统可增加对室内的散热量，同时该系统的最优几何参数也被展现出来。

关键词：蒸发冷却装置；置换通风；板式蒸发冷却；数值模拟；冷却效果

中图分类号：TP202 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）09-0287-04

Abstract：The new type of evaporative cooling displacement ventilation device by a new type of plate evaporative cooling device with displacement ventilation system is an integrated system.This paper introduces the evaporative cooling device and the displacement ventilation integrated air-conditioning system， which can improve the indoor air quality and satisfies the requirement of the thermal comfort of human body， it is a kind of economy， energy saving， comfort good form of air conditioning system. In this paper， the cooling effect of the new type plate evaporative cooling system in the new evaporative cooling displacement ventilation device is mainly discussed through the simulation analysis of heat and mass transfer， and the results show that the new type plate evaporative cooling system can increase the heat dissipation in the room. At the same time， the optimal geometric parameters of the system are also presented.

Key words：evaporative cooling device； displacement ventilation； Plate evaporative cooling；numerical simulation； cooling effect

熱舒适和室内空气品质是室内环境的重要影响因素，在置换通风系统（DV）中，通过提供全新风可获得室内空气质量[1]，但是为了保持热舒适和避免工作区有吹风感，其送风温度不得超过18℃；速度不得大于0.2m/s[2]。这两个条件限制了DV系统的能力，使消除室内负荷不高于40W/m[3-4]，而且减小了高温高湿环境下系统的能量效率。为了克服以上问题的问题，基于M-cycle的原则[5-6]，该文所提出了蒸发冷却置换通风装置，装置从室内带走热空气，同时通过水蒸发吸收热量，这导致空气温度接近露点温度。然后空气被加热，由于导热板热量交换，导热板降温，因此DV系统不增加空间系统的能源消耗。结果证明：蒸发冷却辐射板提供的最大冷却负荷为40W/m2，使得DV系统消除负荷的能力增加到80W/m2。

1 系统描述

如图1a蒸发冷却/置换通风空调系统的原理图，图1b是蒸发冷却/置换通风空调系统的焓湿图。蒸发冷却装置[7]：蒸发冷却装置为一空心长方体结构，蒸发冷却装置相对的一组侧壁分别采用的是绝热板和导热板；蒸发冷却装置内平行于绝热板设有金属板，将空心长方体结构分成两个相连通的通风干通道和通风湿通道；通风干通道的进口与空调房间连通，通风湿通道的出口与排风管道连接，排风管道连接室外；通风湿通道中金属板和导热板内表面上分别覆盖一层纯棉纤维层，在纯棉纤维层中镶嵌若干多孔软管，多孔软管与储水箱连接。

该系统的工作原理为：夏季处理的新风空气首先通过新排风热交换器与室内排风发生显热交换，新风空气温度降低。然后通过新风机组进一步处理达到室内送风要求。将处理后的新风空气以较低的速度从室内底部区域的送风口1送入工作区，因新风空气温度低，密度较大，在房间地板上扩散形成一层较薄的空气湖；由于室内存在热源（人员及设备）和污染源，空气湖遇到热源后被加热，导致温度升高密度降低，并向室内上部流动，形成了室内空气流动的主导气流，污染源也随着主导气流向上部流动 [8]。使室内空气污染物和热量上升到天花板的水平[9]。室内空气在上升的过程与蒸发冷却形成对流换热。室内排风空气从干通道入口2进入干通道然后从湿通道3中排出室外（图1a）。由于干湿通道流向相反，干通道中的空气将被冷却不增加湿度（图1b）；湿通道中的空气温度和湿度增加并冷却导热板。由于通过蒸发冷却的排风空气的温度较低，然后经过新排风热交换器与新风发生显热交换降低新风温度。该系统通过直接的辐射和间接对流的作用来移除热源的热量，这将提高DV系统的冷却性能在没有额外的能源消耗。

蒸发冷却/置换通风系统是一种既能提高能源利用率又能改善室内空气品质的新型空调系统，同时也能达到节能的效果。蒸发冷却系统在提高人体热舒适方面的优越性和置换通风系统在提高室内空气品质方面的独特优势，且具有良好的节能效果。室内负荷由蒸发冷却系统和置换通风系统共同负担，有效控制室内温度和湿度；蒸发冷却系统消除显热负荷，湿负荷及有害物通过置换通风来消除。

2 仿真模拟

2.1 蒸发冷却装置的仿真模拟

根据Miyazaki的开发模式等[10]。蒸发冷却系统模型是一个一维稳态模型，空气通道中温度和湿度的变化。

计算热值交换原理和传热学分析的边界条件为：蒸发冷却装置的排风的整个过 程采用的压力等于大气压力；金属板、纯棉纤维层和导热板的水平方向热传导的影响忽略不计；通风湿通道中的湿空气焓平衡能用显热平衡和潜热平衡独立的表达；蒸发冷却系统外表面除导热板，其余几面都为绝热材料。

干、湿通道中空气的显热平衡表达式为：

干、湿的通道内的传热系数是近似在矩形通道层流条件下均匀热流沿流动方向和横截面均匀的壁温所确定的努赛尔数得出，因此，对于干通道的努赛尔特数为5.38，湿通道的努赛尔特数为8.23[12]。入口区域的影响被忽视。因此性能不可能过高的估计。假设路易斯等于1，然后传质系数可得：[hm=hρwcpw]。

2.2系统的冷却效果

系统与室内房间物体的热量（如人、家具设备和电器用具），在模型中[q]表达辐射冷却。另一方面，与室内空气之间形成的对流换热将导致对流冷却效果。局部对流冷却效果的表达式：[qc=hrTr-Tc]。总的平均对流冷却的表达式：[qc=0LqcdZL]。

3 结果与讨论

3.1 仿真模拟条件

蒸发冷却系统的通道的长度为5m，宽为1m。标准条件下，两边空气流动的空隙高度为25mm。参数分析时值被改变。传热板、吸水薄层和导热板的材料、厚度及导热系数如图表1。蒸发冷却置换通风系统的室内空气入口条件假设：室内的温度26℃、相对湿度50%。

3.2 系统冷却表面的温度分布

如图2系统冷却表面的温度分布，其中通道长度5m，干湿通道的空隙宽度25mm，空气流速为0.5m/s，无辐射冷负荷。

从图2中可知：空气首先进入干通道入口，在干通道的末端空气流动方向改变，并且空气流量返回到湿空气通道内，然后通过湿通道出口进入排风管道。结果表明：在干通道内空气温度逐步减少，在干通道末端达到最小。导热板的温度也相应的改变。

3.3 蒸发冷却系统的几何参数

通道长度、空隙宽度对板式蒸发冷却系统中导热板的对流冷却能力和温度的影响如图3、4、5。其中图3、4、5都保持空气流速为[0.5m/s]不变，没有辐射冷负荷；图3通道长度为5m不变，通道的空隙宽度在15—25mm之间变化，且两个通道的空隙宽度是相等的；图4通道长度为5m不变，通道的空隙宽度在15—25mm之间变化，且保持干通道的空隙宽度为25mm不变，只改变湿通道空隙宽度与同时改变两通道的空隙宽度进行对比分析其中；图5通道的空隙宽度为25mm不变，通道长度在3—6 m之间变化。

从图3 中可以看出：相同干湿通道的空隙宽度并同时增加两通道空隙宽度，可减少对流冷却能力和增加导热板的温度。

从图4中可以看出：干湿通道的空隙宽度相等并同时改变或者只改变干通道空隙宽度，两者的对流冷却能力变化趋势和导热板的温度变化趋势是一样的；当干湿通道相等的空隙宽度小于25mm时，两通道同时改变时的对流冷却能力大于只改变干通道的对流冷却能力，反之则相反。

从图5中可以看出：蒸发冷却系统中不同的长度，导热板的温度逐步减小在干通道末端达到最小；对流冷却能力的变化则与之相反；距离干通道入口处的相同位置，其导热板的温度和对流冷却量几乎不变。所以蒸发冷却系统的长度可根据室内空间几何参数设计，本文以长度为5m为例。

对流冷却能力最大化的最佳通道宽度，取决于辐射冷负荷，板式蒸发冷却系统的通道宽度为25mm，太阳能冷却负荷为30 W/m2的情况下达到最大化[10]。通道宽度过大冷却能力下降，过小空气流量效率降低，本文干湿通道宽度以25mm为标准。

3.4 系统的冷却能力

3.4.1 通道空气流速对导热板的对流冷却能力和温度的影响

如图6是保持通道长度为5m和通道的空隙宽度为25mm不变，无辐射冷负荷，空气流速在0.3—0.6m/s之间变化。

从图6中可以看出：随着速度的增加，可减少对流冷却能力和增加导热板的温度。然而较低空气流速冷却性能和空气流速的效率比较低，高空气流速噪声比较大，冷却能力比较小，都对室内热舒适产生负影响。

3.4.2 室内环境温度和相对湿度对导热板的对流冷却能力和温度的影响

如图7、8，其中保持通道长度为5m，通道的空隙宽度为25mm，空气流速为0.5m/s不变，无辐射冷负荷；图7是室内环境温度在25—28℃之间变化，湿度保持50%不变，图8是室内相对湿度在40%-60%之间变化，温度保持26℃不变。

从图7、8中可以看出：不同的室内环境温度和相对湿度对该系统的对流冷却能力和温度变化也不同。随着室内环境温度或相对湿度的升高，可減少对流冷却能力和增加导热板的温度。然而室内环境温度和相对湿度过大或者过小对室内热舒适都产生消极影响

3.4.3 辐射冷负荷对导热板的对流冷却能力和温度的影响

如图9，保持通道长度为5m，通道的空气流速的空隙宽度为25mm，空气的流速为0.5m/s不变，辐射冷负荷在0—30W/m2之间变化。

从图9中可以看出：通过放大辐射冷负荷可减少对流冷却能力和增加导热板的温度。系统整体的冷却能力是对流和辐射冷却负荷的总和，整体冷却负荷随着辐射冷负荷的增加而扩大。然而更大的辐射冷负荷会对房间的热舒适产生消极影响，因为导热板的温度更高。

4 结束语

结果表明：随着辐射冷却负荷的增大，对流冷却能力下降，平均顶板温度升高，系统的总冷却能力为辐射和对流冷却负荷之和，总冷却容量随辐射冷却负荷的增加而增大，但较大的辐射冷却负荷对热舒适性有不利影响。因为天花板温度高。

輻射板的上限温度应低于室温，才有提供冷却的效果。在无辐射冷却负荷的[qr]影响下，整个辐射板表面的上限温度为22 ℃，当辐射负荷[qr] = 40 W/m2，天花板的温度接近室温。计算结果表明，冷却负荷为40W/m2与系统的最大制冷量接近。

参考文献：

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