Humidity for a better life
水分蒸发需要吸收热量,等焓加湿过程中,每小时一公斤的蒸发量可以从空气中吸收大约0.68KW的热量,空气温度会相应下降而冷却。因此,等焓蒸发冷却是一种利用水分相变过程中产生的蒸发冷量进行冷却的方法。
在空调系统中,等焓加湿器可以直接对进入的室外新风进行加湿,也即直接蒸发冷却。或者在空调中设置热回收单元,在热回收单元之前对高温新风或室内回风进行加湿冷却,这种型式为间接蒸发冷却。
在排风间接蒸发冷却中,水分的蒸发发生在空调设备的排风侧,室外高温进风通过热回收单元被冷却,然后再供给室内。新风获得的冷量取决于加湿器的水分蒸发量和热回收单元的效率。排风可以被加湿到接近饱和,但是在热交换过程中并不会增加进风的湿度。
除了蒸发冷却加湿器的过风风速,水分的蒸发量和由此获得的冷量还取决排风工况。
当空气容纳水分完全饱和时,即在100%的相对湿度下达到蒸发冷却的理论极限。在空调系统中,以经济可行的成本将空气湿度值增加到92%至95%是比较实际的,这取决于所使用的蒸发冷却加湿器的设计。
一栋建筑所需要的显冷量本质上由入射阳光辐射以及由人员,设备和照明等引起的内部热负荷来自确定。根据室外空气工况和室内散湿源,还需要潜冷量来维持允许的湿度水平。
间接蒸发冷却适用于对进风的显冷降温。此外,除湿所需的潜冷或者超出显冷蒸发冷却潜力之后必须借助机械制冷,但是制冷容量可以适当减小。在合适的系统设计中,通过间接蒸发冷却节省下来的用于驱动机械制冷的电能,要比通过排风风机克服额外的风压损失所需要的能量要多得多。
在规划设计阶段,可以通过模拟计算确定通过间接蒸发冷却可以再生供给多少能量以及实际节约多少能量,模拟计算涉及建筑内各个位置的空调系统的运行。该模拟必须包括一年中出现的所有室外空气工况以及空调系统的相关设计参数。
间接蒸发冷却空调系统模拟
间接蒸发冷却提供的冷量通过样例建筑的模拟计算来描述。这意味着,我们要使用现场气象数据来计算在一年当中,样例建筑所需要的实际总冷量以及间接蒸发冷却所能提供的冷量。然后这些结果可以用作修正系统容量的实际依据,以及在系统设计中成本效益的评估手段。
表格1展示了空调设备结构安装的模拟计算数据,其中的冷却模式采用了表格2所示的温度分布和参数。该系统在夏季降低进风温度为室内空气降温。举例来说,使用板式热交换器进行热回收,没有水分从排风侧转移到进风侧并且没有漏风。假设进风和排风体积流量之比为1:1。
总年度供冷量通过模拟确定的全年中每小时的单个计算结果的总和来计算。计算基于来自全球气象数据库Meteonorm 6.1版的现场统计数据,包括柏林、慕尼黑、斯图加特、维也纳和布雷根茨五个地点。
模拟结果清晰展示了一年中进行的供冷汇总数据,并将其划分为机械制冷、间接蒸发冷却和热回收。由于冷却模式的低有效温差,仅从建筑物排气中进行热回收所产生的冷负荷减少量本身较小,因为所选择的热回收效率为0.75。然而,如果由于间接蒸发冷却使排风产生额外温度下降,这将导致其供冷量显著增加。
基于正常夏季气象数据的模拟结果显示了长期系统运行期间的平均供冷量,这就是为什么这些结果适用于评估通过间接蒸发冷却实现的节能及其成本效益。如果我们观察一年中室外空气工况的巨大变化,很快就会清楚,制冷设备必须在所有出现的空气工况下提供适当的制冷能力。因此,基于高温夏季极端数据的模拟结果应被用于系统容量的确定。如果必须在此基础上考虑将来的气候条件,则可以使用未来气象数据进行模型模拟,前提是这些数据要具备充分的代表性。
模拟结果参考了5个选定地点的空调系统样例。在为建筑供冷中,间接蒸发冷却的供冷量显著降低了机械制冷的制冷量。
QK(32°C, 40% rel. hum.) | 标准室外空气工况总冷负荷 |
QK, total* | 总冷负荷(极端天气) |
QK, mechanical* | 机械制冷量(极端天气) |
QK, evaporation + heat recovery* | 再生冷量(极端天气) |
WK, total | 年度总供冷量(平均值) |
WK, mechanical | 机械制冷所占冷量份额(平均值) |
WK, evaporation | 间接蒸发冷却所占冷量份额(平均值) |
WK, heat recovery | 热回收所占冷量份额(平均值) |
ηReg | 再生冷量所占份额(平均值) |
如模拟所示,间接蒸发冷却提供了相当多的再生冷量。样例选定的不同地点尽管采用相同的系统设计,但由于相应的天气数据不同而出现明显结果差异。当某些地区的空气湿度较高,需要进行更多的除湿时,该地区的供冷量具有较低的比例值。例如在布雷根茨清楚地表明,由于其位于康斯坦茨湖东岸,因此存在适当的气候影响。总再生冷量比例包括间接蒸发冷却和热回收的供冷量之和。在计算样例选定的位置,比例将达到每年提供的总制冷量的40%至56.6%。
使用可再生能源的最大障碍在于成本效益。间接蒸发冷却等措施必须是有利可图的。投资阶段的成本超支必须通过运营期间的目标成本节约来弥补。每栋建筑都必须进行收支平衡。可靠的系统模拟使各系统之间关系清晰,并可与传统空调制冷方式进行实际比较。