校企紧密结合共同研发专用型蒸发冷却空调机组

校企紧密结合共同研发专用型蒸发冷却空调机组

西安工程大学 罗 绒 黄 翔

南通昆仑空调有限公司 沈柏青 刘晓峰

摘要 介绍了近年来西安工程大学与南通昆仑空调有限公司联合开发研制核电站常规岛用蒸发冷却空调机组，双方联合开展转轮式间接-直接两级蒸发冷却空调机组的实验研究，双方联合开展直接蒸发冷却用多种填料热工性能的测试分析；通过理论分析，到制作实验样机，再到实际运行测试，验证所开发的蒸发冷却空调机组在一些高显热、发热量大的场所能达到良好的降温效果。

关键词 蒸发冷却空调机组；核电站常规岛；转轮式热回收；地铁站

Research and Development of Evaporative Cooling Air Conditioning

Luo Rong, Hang Xiang, Shen Boqing and Liu Xiaofeng

Abstract This paper introduced Xi 'an engineering university in recent years with Nantong kunlun air conditioning co., LTD. jointly developed nuclear power plants Chang Guidao use evaporative cooling air conditioning unit, to jointly carry out the experimental study of rotary wheel indirectly-direct evaporative cooling air conditioning unit, to jointly carry out direct evaporative cooling with a variety of filler in thermal performance test and analysis; Through theoretical analysis, to make experimental prototype, to actually running the test, verify that the development of evaporative cooling air conditioning unit in some high sensible heat, heat large sites can meet a good cooling effect.

Keywords Evaporative air conditioning units; Conventional island of nuclear power station; Rotary wheel recovery; Subway station

0 引言

在国家大力推行节能减排的基础上，蒸发冷却技术的广泛应用受到了人们的普遍关注。目前利用蒸发冷却技术开发的各类设备已广泛应用于各类公共建筑的空调系统当中；其中空气处理机组包括直接蒸发冷却空调机组、间接-直接蒸发冷却复合空调机组，直接蒸发冷却过程是等焓过程，该类设备处理空气能够达到的极限温度是室外空气的湿球温度，实际运行的设备由于受到各种因素的限制往往高于室外空气的湿球温度。由于其出风温度受到室外空气湿球温度的限制，直接蒸发冷却设备的应用范围很有限。因此近年来研究

和开发出风温度更低的蒸发冷却空调设备受到了众多学者的关注[1-3]。

在未来20年内核能源将由占总能源的3.31%增长为13.46%，核电站使用传统的机械制冷空调消耗大量的电能，同时采用氟利昂制冷剂，破坏环境造成大气污染。因此，急需要在核电行业开发出一种具有高效、节能、净化等优点的空调设备，在此背景条件下2009年西安工程大学与南通昆仑空调有限公司建立了正式的产学研关系，双方联合开发研制核电站常规岛用蒸发冷却空调机组[4]。

随着现代建筑物新风量增大，新风负荷增加，能耗增大；据调查我国设有排风系统的公共建筑有很多，但装有热回收系统的却很少，致使

* 罗绒，女，1986年11月生，硕士研究生，助理馆员

710048 陕西省西安市金花南路19号西安工程大学图书馆

18729007671

E-mail:157987053@qq.com收稿日期：2016-10-31

排风中蕴含的冷（热）量没有有效回收利用，假如这部分能量能被很好的利用起来，这将大大降低空调系统的能耗，同时《公共建筑节能

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设计标准》（GB 50189-2005）也明确规定如果建筑物中设置有集中排风系统时，宜设置排风热回收装置；转轮式间接蒸发冷却器就是一种利用热传递过程实现显热回收的节能装置，可有效降低新风的负荷[7]。2011年双方联合开展转轮式间接-直接两级蒸发冷却空调机组的实验研究。

随着经济的迅速发展，地铁成为城市公共交通网络的重要交通方式之一。目前我国地铁交通系统运行能耗巨大，通风空调系统的能耗已经达到了地铁交通总能耗的40%左右；地铁站空调系统只要减少耗能30%，就能减少整个地铁交通系统12%的运行成本[8]。针对目前地铁站存在设置冷却塔影响城市美观，空调通风系统中能耗大、管道面积较大等问题，提出了将直接蒸发冷却技术与传统的机械通风系统相结合，形成一种新的地铁通风系统形式，即直接蒸发冷却地铁通风降温系统，在此系统当中针对填料是直接蒸发冷却的核心部件，其热工性能直接影响到蒸发冷却空调机组的降温效果，对此2013年双方又联合开展了直接蒸发冷却用多种填料热工性能的测试分析。

1 双方联合开发研制核电站常规岛用蒸发冷却空调机组

核电站常规岛、发电厂空调机房的机器设备24h不间断运行，机房内90%的显热散热量都是由机器设备产生的，即使在冬季，设备的发热量仍旧大于机房向室外的散热量，因此空调机组需要全年365天连续运行；同时由于机房内没有特定的湿源，湿量主要来自工作人员及渗入的室外空气，因此散湿量很小，热湿比近似无穷大，所以降温是机房空调的主要目的；因此结合核电站常规岛、发电厂空调机房内的环境特点,西安工程大学与南通昆仑空调有限公司联合开发了海南、巴基斯坦、浙江某核电站用直接蒸发冷却空调机组来消除这些设备产

生的大量显热[4-5]。

1.1 海南某核电站用蒸发冷却空调机组由波纹板式初效过滤器、袋式中效过滤器、100 mm厚的亲水性高分子纤维填料、送风机所组成的直接蒸发冷却空调机组（额定风量为215000 m3/h，机外余压为800 Pa）见图1，用于对海南某核电工程的机房和除氧间进行通风降温，安装在主厂房内各层的蒸发冷却机组平台上[4]。

由于该实验样机将来要应用于实际工程中，因此要根据应用地区的气象条件进行实际测试，看是否满足实际运行工况的要求，若不能满足设计要求，要找出存在的问题，进行调整以满足设计要求，后面介绍的巴基斯坦某核电站用蒸发冷却空调机组和浙江某核电站用蒸发冷却空调机组同样需要经过实际测试。

测试要求在设计工况下，即夏季室外通风计算干球温度tg为31.0℃，计算相对湿度ψ为69%的条件下，要求经过填料直接蒸发冷却段后，被处理空气的干球温度tg≤27.6℃，相对湿度ψ≥90%，填料蒸发冷却效率η达到71%[4]。

通过在高湿度地区南通市，模拟海南某核电站的室外气象参数测试直接蒸发冷却空调的风量、温降和冷却效率是否满足设计要求。测试结果表明，当测试的环境条件为：室外空气平均干球温度tg=29℃，平均湿球温度ts=25.7℃，平均相对湿度为73.2%，被处理空气经过直接蒸发冷却空调机组后的空气的干球温度为26.7℃，相对湿度为88.8%，冷却效率为69.6%，风量为213075 m3/h，与设计风量相差10%以内，所以风量、效率基本满足设计要求。造成蒸发冷却效率偏低的原因主要是：（1）室外相对湿度较高，填料厚度不够，造成室外空气通过填料时热交换不充分，进而影响空气温降和效率；（2）由于实验时喷淋水采用的是直排水未采用循环水，所以其平均温度为28.64℃，而出风口空气的平均温度为26.8℃，水温略高于出风温度。喷淋水的温度保持在大于室外湿球温度，因此空气的处理过程并不是完

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全的绝热冷却降温过程，而是增焓降温加湿过程[4-5]。

（a）原理图

（b）实物图

图1 风量是215000 m3/h的直接蒸发冷却空调

机组样机

1.2 巴基斯坦某核电站用蒸发冷却空调机组由惯性粗效过滤器、袋式中效过滤器、195 mm厚的吸水性高分子纤维填料、50 mm厚的吸水性高分子纤维填料式挡水板、2台送风机组成的直接蒸发冷却空调机组（额定风量为144000 m3/h，机外余压为850 Pa）见图2，应用于巴基斯坦某核电站机房和除盐水处理车间[4]。

测试要求在设计工况下，即夏季室外通风计算干球温度为39.44℃，计算相对湿度为37%的条件下，要求经过蒸发冷却段后，被处理空气的干球温度≤27.5℃，相对湿度≥92%，填料蒸发冷却效率达到93%[4]。

通过在高湿度地区南通市，模拟巴基斯坦某核电站的室外气象参数测试直接蒸发冷却空调的风量、温降和冷却效率是否满足设计要求。测试结果表明，当测试的环境条件为：室外空气平均干球温度tg=31.4℃，平均湿球温度ts=26.5℃，平均相对湿度为70.5%，被处理空气经过直接蒸发冷却空调机组后的空气的干球温度为27.3℃，相对湿度为90.1%，冷却效率为84.7%，与设计要求的效率相差10%，风量为146138 m3/h，风量满足设计要求，需要在蒸发效率上做些改善[4]。

（a）原理图

（b）实物图

图2 风量是144000 m3/h的直接蒸发冷却空调

机组样机实物图

1.3 浙江某核电站用蒸发冷却空调机组由滤网过滤器、300 mm厚的不锈钢金属填料、150 mm厚挡水板、送风机组成的直接蒸发冷却空调机组（额定风量为55000 m3/h，机外余压为400 Pa）见图3，应用于浙江某核电站汽机房中[1]。

在夏季室外通风计算干球温度为32.0℃，计

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算相对湿度为68%的条件下，要求经过填料直接蒸发冷却段后，被处理空气的干球温度≤27.5℃，相对湿度≥92.5%，填料蒸发冷却效率达到90%以上[1]。

通过在高湿度地区南通市，模拟浙江省某核电站的室外气象参数测试直接蒸发冷却空调的风量、温降和冷却效率是否满足设计要求。测试结果表明，当测试的环境条件为：室外空气平均干球温度tg=31.3℃，平均湿球温度ts=26.6℃，平均相对湿度为66.5%，被处理空气经过直接蒸发冷却空调机组后的空气的干球温度为26.9℃，相对湿度为94.6%，冷却效率为93.6%，风量为55000 m3/h，效率、风量均满足设计要求[4-6]。

（a）原理图

（b）实物图

图3 风量是55000 m3/h的直接蒸发冷却空调

机组样机实物图

2 双方联合开展转轮式间接-直接两级蒸发冷却空调机组的实验研究

将热回收技术与直接蒸发冷却技术相结合，不仅可以提高热回收器的换热效率，而且有效地利用室内排风中的能量；西安工程大学与南通某公司联合开发了显热转轮-填料组合式空气处理机组，显热转轮中的空气流程如图4所示，其机组实物图如图5所示。该机组的工作原理：夏季室外空气经过转轮通过与室内回风经直接蒸发冷却预冷后的空气进行显热交换，之后再通过直接蒸发冷却段对被处理空气进一步等焓加湿降温处理。之所以在室内回风侧再加上直接蒸发冷却段就是为了使得回风的温度进一步降低，因为室内回风并不是100%的相对湿度，通过直接蒸发冷却还有一定的降温能力，所以经直接降温后通往显热转轮来预冷另一侧进风的室外空气来提高转轮的热交换效率[7]。

模拟中等湿度地区室外气象条件进行测试，当机组室外空气干球平均温度为34.5℃，湿球平均温度为22.5℃，机组总温降平均为14.66℃；计算出转轮式间接段的效率为78.5%，一次空气侧填料段的效率为83.8%。机组出风温度为20℃，相比于室外空气的湿球温度低2.5℃，达到了亚湿球温度。

高湿度地区（南通）室外气象条件下进行测试，当机组室外空气干球平均温度为31.2℃，湿球平均温度为26.1℃，机组总温降平均为6.31℃；计算出转轮式间接段的效率为73.9%，一次空气侧填料段的效率为52.3%。机组出风温度为24.9℃，相比于室外空气的湿球温度低1.2℃，达到了亚湿球温度。

根据实际测试结果从理论上预测了在乌鲁木齐地区某大型超市（3月-10月）采用转轮式两级蒸发冷却空调机组比传统机械制冷可节省50%的运行费用；如果该机组应用在一些高显热、发热量大的场所会达到良好的应用效果。当然该机组刚刚开发研制，分析的数据也是在有限的试验场

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所空调生产车间实测得知，笔者还没有得到具体实际应用场所的实测数据，相信该类空调机组会得到市场的青睐。

图4 转轮原理图

图5 机组实物图

3 双方联合开展直接蒸发冷却用多种填料热工性能的测试分析

由于地铁沿线通常是在城市最繁华的地区，地铁站附近更是寸土寸金，在地铁站地面上设置冷却塔，不仅成本高昂，而且影响城市景观和环境，带来极大的噪声污染和卫生隐患；在地铁中采用自然通风方式进行降温，送风管道断面积较大，大大占据地铁车站的空间；针对目前地铁站存在设置冷却塔影响城市美观，空调通风系统中能耗大、管道面积交大等问题，提出了将直接蒸发冷却技术与传统的机械通风系统相结合，形成一种新的地铁通风系统形式，即直接蒸发冷却地铁通风降温系统，不仅节约空调能耗和运行费用，还可以有效地改善空气品质[8]。

蒸发冷却是一项利用水蒸发吸热制冷的技术，填料或介质是直接蒸发冷却器的核心部件。在直接蒸发冷却器中使用中填料有很多种类型，

主要分为无机填料、有机填料和金属填料。为选择适用于直接蒸发冷却在干燥地区地铁通风降温机组中的填料类型，须对不同类型的填料进行相应测试，进而制作出了风量为3500 m³/h的直接蒸发冷却地铁通风降温机组实验样机（见图6），该机组是由新风过滤段、直接蒸发冷却段、挡水板和送风机组成；在相同的入口条件下分别对5种不同类型（不锈钢、铝箔、植物纤维、玻璃纤维、高分子纤维）填料（见图7）进行性能测试[8]。

图6 机组实物图

不锈钢填料

铝箔填料

植物纤维填料

玻璃纤维填料

高分子纤维填料

图7 不同类型的填料测试结果如下：

（1）综合考虑效率和阻力下，填料的最佳的

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迎风面积和淋水密度，见表1。

表1 各种填料最佳性能参数

（2）在2 m/s、3 m/s、4 m/s风速条件下，450 mm厚铝箔填料在2000 kg/(m2•h)、3600 kg/(m2•h)时，蒸发冷却的效率最大。在3 m/s、4 m/s风速条件下，450 mm厚不锈钢填料在5400 kg/(m2•h)、7200 kg/(m2•h)时，蒸发冷却的效率最大。可见，对于亲水性不好的填料，由于自身的吸湿性能较差，如果对填料表面做亲水性处理，可增强液体均布和填料的润湿性能，同时加大空气与水接触的时间，使得空气与水充分进行热质交换。

4 结语

（1）西安工程大学与南通昆仑空调有限公司联合开发研制核电站常规岛用蒸发冷却空调机组，a：模拟海南某核电站的室外气象参数测试直接蒸发冷却空调机组，当室外空气平均干球温度tg=29℃，平均湿球温度ts=25.7℃，机组出风干球温度为26.7℃，冷却效率为69.6%，效率基本满足设计要求；b：模拟巴基斯坦某核电站的室外气象参数测试直接蒸发冷却空调机组，当室外空气平均干球温度tg=31.4℃，平均湿球温度ts=26.5℃，机组出风干球温度为27.3℃，冷却效率为84.7%，与设计要求的效率相差10%，需要在蒸发效率上做些改善；c：模拟浙江某核电站的室外气象参数测试直接蒸发冷却空调机组，当室外空气平均干球温度tg=31.3℃，平均湿球温度ts=26.6℃，机组出风干球温度为26.9℃，冷却效率为93.6%，效率满足设计要求。

（2）双方开展转轮式间接-直接两级蒸发

冷却空调机组的实验研究，模拟中等湿度地区室外气象条件进行测试，当室外空气干球平均温度为34.5℃，湿球平均温度为22.5℃，机组出风温度为20℃，相比于室外空气的湿球温度低2.5℃，达到了亚湿球温度；高湿度地区（南通）室外气象条件下进行测试，当机组室外空气干球平均温度为31.2℃，湿球平均温度为26.1℃，机组出风温度为24.9℃，相比于室外空气的湿球温度低1.2℃，达到了亚湿球温度。

（3）双方开展直接蒸发冷却用多种填料热工性能的测试分析，得出5种填料的最佳性能参数，为直接蒸发冷却地铁通风降温系统选择最佳填料奠定了基础。

参考文献

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