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上海交通大学硕士学位论文 间接蒸发在大型空调回热换气及节能中的应用研究 摘 要 目前空调设备均采用蒸汽压缩原理制冷，耗电高，成本大，为空调 器的进一步普及和发展带来了困难。另外，空调系统在改善人类生产、 工作和生活环境的同时，消耗着大量的矿物燃料和 cfc 等制冷工质，直 接或间接导致全球气候变暖和大气臭氧层受到破坏。该问题已经引起了 人类广泛关注，并提出人类生存与自然环境和谐的可持续发展理论，促 进了空调技术对旨在减少矿物燃料消耗和以改善大气环境为目的的新技 术开发和应用的研究。 利用蒸发冷却技术创造舒适性空调环境是有效的节能途径之一。蒸 发冷却技术的采用不仅能降低空调系统的耗电量，而且能减少环境污染。 目前蒸发冷却在干燥地区可代替机械制冷，在非干燥地区，一般结合其 它装置实现空调降温的目的。根据我国南方潮湿地区某地铁空调系统实 际情况，采用间接蒸发冷却技术对排风冷(或热)量进行回收。本文以此为 研究课题，对用于空调热回收的间接蒸发冷却装置展开研究。 第一部分，总结了蒸发冷却技术的发展现状。在此基础上，着重对 间接蒸发冷却技术的现状，从理论研究、实用性研究、换热器及其传热 强化研究三个方面进行了综述。最后总结了分离型热管换热器在国内的 研究现状。 第二部分，建立了间接蒸发冷却系统的数学模型并进行了理论分析。 通过对间接蒸发冷却系统机理的分析，将其分成二次空气的直接蒸发冷 却过程和一次空气与二次空气的换热过程。分别对两个过程建立了数学 模型，用 fortran 语言编制程序，对间接蒸发冷却系统进行数值模拟。并 从理论上分析了一次空气进口状态、二次空气进口状态等对系统换热效 率的影响，分析结果显示对间接蒸发冷却系统进行实验研究是很有必要 的。 第三部分，根据某地铁空调系统实际环境设计了一套换气节能方案。 i 摘要 方案中采用了间接蒸发冷却技术，使用分离型热管换热器。从换热器的 设计选型出发，依次进行了换热器的设计计算、校核计算及制作安装。 对整个实验系统的组成和测点布置进行了描述，最后详细讲述了实验的 整个过程。 第四部分，在对实验装置进行性能测试的基础上，对实验数据进行了 处理分析。仅考虑系统的回收能量，以系统换热效率和新风进出口温差 作为衡量标准，对系统节能效果进行了实验和理论对比分析。研究了新 风进口温湿度、排风进口温湿度、水温和风量等对系统节能效果的影响， 并单独对换热器节能效果进行分析，结果显示在大型热回收系统中，采 用间接蒸发冷却技术是很有必要的。最后分析了实验误差。 第五部分，采用分析法对间接蒸发冷却装置进行了热力学分析。绘 制了间接蒸发冷却应用中作为定性或定量分析的湿空气线图。分别对 间接蒸发冷却装置应用的典型工况和实验工况进行了分析，分析了间 接蒸发冷却装置的节能前景。最后从定结构和定工况两个方面对逆流式 气-气换热器进行了分析。 最后，总结了本文所作的主要工作，对后续工作的展开提出了想法和 建议。 关键词：间接蒸发，空调，热回收，节能，分离型热管换热器，分析 ii 上海交通大学硕士学位论文 application research of indirect evaporative cooling in air-conditioning system abstract at present, air-conditioning unit always adopts vapor compression cycle in supplying cold with high power consumption and cost, which has become a big obstacle in its further development and popularization. while air-conditioning system has improved production, working conditions, and living standards of human being, it still consumes large amount of fossil fuel and cfc, which directly or indirectly causes the issue of global warming and does great damage to the ozone layer. this problem has aroused great concerns all over the world. with sustainable development being attached great importance to, the development and application of new technology researches for air-conditioning are being accelerated. one of effective approaches to create comfortable air-conditioning environment is using evaporative cooling techniques, which can reduce not only power consumption but also environment pollution. in drying area, evaporative cooling system, which can replace mechanical refrigeration, can lower the temperature in most cases. but in humid area, other systems should be used jointly to realize the purpose of air conditioning. according to the actual conditions in a certain subway air-conditioning system in south china, indirect evaporative cooling system was used to recover waste energy from exhaust air. with this background, this paper focused on indirect evaporative cooling system in air-conditioning system. in the first section of this paper, it involves: (1) introducing the principle and application of evaporative cooling technology. (2) summarizing the development of indirect evaporative cooling system in the term of theory, application, heat exchanger and heat transfer intensification. (3) generalizing iii 摘要 the domestic development of separate type heat pipe heat exchanger. in the second part, a two-dimensional mathematical model on indirect evaporative cooling system and its predicting theoretical performance was presented. based on the analysis of its mechanics, indirect evaporative cooling process can be divided into two parts: direct evaporative cooling process of secondary air and heat transfer process between primary air and secondary air. with the establishment of mathematical models and fortran programs, the whole system was simulated. and then, the influence on efficiency, which was exerted by the varying inlet parameters of primary air or secondary air, was analyzed. the results show that it is necessary to do experiment research on indirect evaporative cooling system. the third section of this paper was related to the construction and test of indirect evaporative cooling system. an energy-saving project has been designed for air-conditioning system, which adopted indirect evaporative cooling technology and used separate type heat pipe heat exchanger. the heat exchanger design included pattern selection, design calculation，check calculation, production and installation etc. in addition, the whole experiment system and the layout of measuring points were described. at last, the overall experiment process was explained. in the fourth section, experiment data was processed and analyzed. by contrasting the experiment data and theoretical calculation, through which this paper considered energy recovery only and takes heat transfer efficiency and temperature difference of fresh air inlet and outlet as judging standard， energy-saving effectiveness was evaluated. in addition, studies on the influence upon energy-saving effectiveness were made, in the process of which inlet temperature or relative humidify of fresh air or exhaust air, water temperature and wind volume were changed respectively. effectiveness analysis of heating exchanger was made, which indicates that it is necessary to adopt indirect evaporative cooling technology in large-sized heat recovery system. in the end, experimental error analysis was made. in the fifth section, exergy methods were used to do thermodynamic analysis for indirect evaporative cooling system. exergy string diagrams of moist air were used to do qualitative or quantitative analysis. then, exergy analysis for the whole system in typical and experimental work condition, iv 上海交通大学硕士学位论文 which is for the use of forecasting the energy-saving prospect of the system, was made. finally, exergy analysis for the counterflow air-air heat exchanger was presented in constant structure and constant work condition. the final section of the paper summed up what have done in the research, and presented the suggestions for the further research. key words: indirect evaporative cooling, air-conditioning, energy-saving, separate type heat pipe heat exchanger, exergy analysis v 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密 ，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 空调系统在改善人类生产、工作和生活环境的同时，消耗着大量的矿物燃料和 cfc 等制冷工质。全球气候变暖和大气臭氧层受到破坏等对当代人类生存构成严重 威胁的灾难性气候变化，都跟暖通和制冷(hvac 2.simulation room; 3.heating plant; 4.duct; 5.exhauster; 6.temperature sensor; 7.separate type heat pipe heat exchanger; 8.manometer; 9.compressor; 10.condenser; 11.throttling valve; 12.water tank; 13.globe stopvalve; 14.water pump; 15.wet film humidifier; 16.prefill valve; 17.filter 图3-7 间接蒸发冷却装置的实验台简图 fig. 3-7 experimental setup sketch of an indirect evaporative cooling system 图3-8 间接蒸发冷却装置实物图 fig. 3-8 photo of an indirect evaporative cooling system 39 第 3 章 间接蒸发冷却装置设计及实验过程 3.3.2 测量仪器及测点布置 实验中所用到的主要测量仪器均由厂家对仪器进行校核，具体如下： 1. keithley 2700 数据采集仪7700模块：该仪器具有真61/2(22bit)精度的数 字多用表功能及多通道数据记录仪的功能。使用时先将热电偶或铂电阻按要求与 7700模块通道连接，然后将模块插入2700的插槽中固定，仪器通过rs232数据传输 线与电脑连接，即可实现多路信号的自动测量系统； 2. qdf6型数字风速仪：该仪器由北京市远大仪器仪表开发部生产，测量风速 范围为030m/s；仪器工作的环境条件为温度：1040，湿度85%，大气压 强：9701040kpa，本实验系统测量风速所在的环境满足上述要求；仪器的测量精度 分两种情况： 在工作环境条件下测量时， 其测量误差不大于3%（满量程） ， 当 测头方向偏差在15%时，测量误差不大于5%； 3. 温湿度计量仪(ht-3005ha)：该仪器主要用于测量气体相对湿度，测量范围为 湿度10%95%rh，温度050；测量精度也分为两种情况： 湿度70%rh （3%reading1%rh） ； 湿度70%rh3%rh，温度0.8。 系统中测温点均采用铂电阻感温计，具体布置参考图3-7。铂电阻型号及对应位 置详见表3-2。各测点的温度通过keithley数据采集仪采样通道获得。 表3-2 铂电阻型号及测量位置 table 3-2 platinum-resistance thermocouple model and measuring position 测量位置 铂电阻型号 测量位置 铂电阻型号 新风进口 pt100 四线 排风进口 pt100 四线 新风出口 pt100 四线 湿膜加湿后 pt100 四线 排风出口 pt100 四线 由于测量中均采用四线制铂电阻感温计，而且在实验结果分析中主要采用温差， 没有对铂电阻进行温度校核。 3.4 实验过程 在实验搭建完成之后，对该系统进行了性能测试实验。值得一提的是，实验系统 最好的测试时间是夏季，但实验台搭建完成时已是秋天，此时的环境温度偏低(约14 )，难以模拟夏季设计工况，因此实验工况根据具体气候条件而定，对实验效果可 能造成一定程度的影响。当系统达到稳定状态时，改变不同的工况，如温度、湿度、 风量、高度差等，测试此实验台系统在各工况下的性能情况。每天实验台开机约9 个小时，实验测试进行了约半个月的时间。每次实验根据不同的实验目的进行一些状 态参数的改变，虽然外界环境温湿度变化会影响实验效果，难以保证某一状态参数变 化时其他状态参数的恒定，但总的实验情况基本是不变的，整个实验流程如下所述： 40 上海交通大学硕士学位论文 (1) 实验准备。将高温房间空调设置成连续加热模式，同时打开两台采暖器，对高温 间进行加热；低温间采用环境气体，将新风侧和排风侧风阀完全打开，保持风量 最大。水箱设计时只考虑了夏季工况制冷模式(1417)，水温难以调节到排风 进口湿球温度，故实验时采用环境水温；待高温间温度达到35左右时，同时打 开新风侧、 排风侧风机和水泵开关， 系统开始运行， 打开keithley数据采集仪， 通过计算机系统实时跟踪各状态点的热工参数，大约开机半小时后，高温间温度 基本趋于稳定状态； (2) 测试数据。重新启动keithley数据采集仪，实时记录各参数的温度值，同时用 温湿度仪测量新风进、出口相对湿度和排风进、出口相对湿度，用风速仪测量新 风侧和排风侧风速，每次测量都在同一截面上取不同的点进行测量，然后取平均 值作为测量结果。以下每组实验数据记录均相同。 (3) 对高温间进行加湿实验。当系统运行稳定时，连续对高温间气体喷雾加湿，便于 研究新风湿度改变时对性能的影响。加湿实验完成后，保持系统处于运行状态， 直到高温间湿度回复到原始状态，然后进行下一步实验； (4) 改变水温实验。由于水箱是专门为夏季实验设计的，当环境水温低于水箱制冷最 低温度时，水箱只能起到保温作用。为了测试水温变化时对系统性能的影响，只 能采用比较原始的方法，往水箱中加入热水，一边加入热水，一边进行搅拌，使 水箱中各点温度基本趋于一致，根据水箱上的温控显示分几次改变水温，便于研 究湿膜加湿器中水温改变时对系统性能的影响。该实验完成后，调节水箱中水温 至初始状态，准备进行下一步实验； (5) 改变低温间湿度实验。基本操作同(3)； (6) 改变低温间温度实验。 设定低温间空调温度为20， 当系统达到稳定时记录数据， 研究排风温度改变时对系统性能的影响； (7) 低温间温度设定为20时改变低温间湿度实验。基本操作同(3)； (8) 不对排风进行加湿实验。将低温间温度设定为环境温度，高温间温度保持温度状 态不变，关掉水泵，待湿膜加湿器干燥后，测定没有间接蒸发冷却时系统的性能。 然后跟前面的操作基本相同，依次改变高温间温湿度、低温间温湿度，研究新风 和排风间存在显热交换时的性能； (9) 依次减小新风侧和排风侧风量实验。低温间采用环境气体，保持高温间温湿度基 本恒定，水箱中水温采用环境状态下温度，将新风侧和排风侧风阀大致分为三等 分，第一次将排风侧风阀关闭约三分之一实验，然后将新风侧风阀关闭约三分之 一实验，依次进行，研究风量改变时对系统性能的影响。 (10) 结束工作。实验结束时，关掉风机和水泵，同时关掉房间内的空调、采暖器等一 切处于运行状态的设备和仪器。 在整个过程中，计算机系统实时采集各状态点的热工参数，间隔固定时间自动循 41 第 3 章 间接蒸发冷却装置设计及实验过程 环采集一组数据，工艺流程以基于windows界面的工业动画表示，状态参数可动态 显示在流程图的相应位置，所有数据同时被储存在计算机硬盘中。 3.5 本章小结 本章主要是针对某地铁空调系统的余热回收方案， 设计一套小型实验装置进行模 拟研究，为将来的工程应用提供充分的理论依据和足够的实验数据。由于该装置是在 已运转的系统中作为附加设备设计的，因此对前后设备的影响要求颇为严格，本章正 是基于现场的原始数据和对现有热回收装置综合分析的基础上， 决定选用间接蒸发冷 却系统，换热器采用分离型热管换热器。 换热器的设计原始数据是现场测得的，热管管材采用低碳钢，翅片材料采用铝， 用氨作为管内工质，放置形式采用倾斜式，吸液芯采用100目不锈钢丝网液芯，单个 热管参数是根据锡山市荡口兴达热管厂的实际生产型号选取的。 换热器的设计建立在 能量守恒、质量守恒和换热量平衡的基础上。由于分离型热管管内蒸汽与流体同向流 动，故不存在携带限，限制其传热能力的主要极限为烧干限、声速限和冷凝限，换热 器设计后主要对这三个极限进行了校核计算， 计算结果显示设计的分离型热管不会出 现上述三个极限中的任何一个，证明其传热能力符合要求。另外，热管质量的好坏， 在很大程度上决定于热管的制造方法， 在制造过程对热管的每个环节进行了严格的质 量控制。对于其它的设备，湿膜加湿器每平方米的有效加湿量为23 kg/h，排风在湿 膜加湿器中属于等焓加湿过程。 为了保证进湿膜加湿器时水温在进风空气湿球温度附 近，设计了一恒温水箱装置，水箱容积0.5m0.5m0.5m。湿膜循环水的水泵流量 为3m3/h。 间接蒸发冷却系统主要由一个分离型热管换热器、热源和冷源、湿膜加湿装置、 恒温水系统、过滤器、引风机和风道组成。还有截止球阀、充液阀、节流阀与贮氨瓶、 压力表、数字仪表、数据采集装置等。测量仪器主要有keithley 2700 数据采集仪 7700模块、qdf6型数字风速仪、温湿度计量仪，系统中测温点均采用pt100四 线制铂电阻感温计。最后对系统的实验过程作了详细的描述，为后续实验数据的处理 和分析提供可靠的依据。 42 上海交通大学硕士学位论文 第四章 实验结果与理论计算的比较分析 4.1 引言 在第三章实验过程中已经提到，该系统的实验测试是在深秋完成的，室外环境温 度偏低，难以模拟夏季设计工况，因此实验测试的工况是根据现场实际环境选取，虽 然这样会对实验效果带来一定程度的影响，但并不影响各参数之间的相互耦合关系， 测试结果还是具有分析价值的。 实验测试时各参数变化范围如表 4-1 所示，在实验测试过程中，为了明确各参数 对系统换热效率和新风进出口温差的影响，一般尽量保持其它测试参数不变，通过改 变某一参数来达到实验目的。但在实际测试中，由于外界环境等因素的干扰，各参数 都会在一定幅度内波动，尤其是新风进口参数，由于高温间温度与外界相差较大，很 容易受外界环境影响，在数据分析时考虑了新风进口参数的变化。 表4-1 实验测试工况各参数变化范围 table 4-1 parameter variation range in experiment condition 参量 实测基本工况 变化范围 单位 新风进口温度 25 2529 新风进口相对湿度 48% 40%70% 排风进口温度 14.3 1420 排风进口相对湿度 65% 55%70% 水温 12 1217 设计装置中需要测量的参数主要有：新风进口和出口温湿度、排风进口和出口温 湿度、排风经过湿膜加湿器后温度、新风侧和排风侧风速以及水温。归纳起来就是对 温度、相对湿度和风速进行测量。系统中温度的测量值是通过 keithley 数据采集仪直 接实时存储在计算机硬盘中， 每一个工况点的数据都是在系统达到稳定状态后采集得 到的，因此该数据的处理比较简单，直接选用系统达到稳定状态时的实验数据进行分 析即可。对风速和相对湿度的测量，由于需要手动测量，通常在同一测量截面上不同 位置选取 35 个点进行测量，然后由下列公式得出平均值作为测量结果： = = n i i z n z 1 1 (4-1) 式中， 代表测点个数；为每个测点测得的真实值，n i zz为各测点的平均值，也是数 据分析时所采用的数值。 43 第 4 章 实验结果与理论计算的比较分析 4.2 系统节能效果的实验与理论研究 本文第二章模拟了设计工况下间接蒸发冷却系统的节能效果， 分析得到对该系统 进行实验研究是很有必要的。本章在第二章的理论指导下，对第三章设计的实验装置 进行实验研究，分析系统的换气节能效果。本章仅考虑系统的收益，以系统换热效率 和新风进出口温差为衡量标准，对系统节能效果进行量化研究，并将实验结果和理论 计算值进行分析比较。 根据测试时的气候条件，新风侧房间空调打开至连续加热模式，并且在室内放置 了两台采暖器，待系统运行达到稳定时，高温房间温度在 25左右，为了使系统在 一定的温差下进行换热，排风侧采用环境气体。由于水箱是专门为夏季工况定做的， 最低制冷温度只能达到 14，而此时自来水温为 12，因此直接采用自来水作为湿 膜加湿器的润湿剂，稳定状态下测得的部分实验数据见表 4-2 所示。排风经过湿膜加 湿器后，温度降低约 1.5，然后进入分离型热管换热器与新风进行热量交换，出口 温度约为 16.8；另一侧新风由于吸收排风侧的冷量，温度降低约 4.5。由第二章 系统换热效率的计算公式，可通过测量数据计算出系统的换热效率。将实测数据如新 风进口温度和相对湿度、排风进口温度和相对湿度作为已知量带入到用 fortran 编制 的计算程序中，可求得理论上能达到的最佳效果。系统换热效率和新风进出口温差的 实验和理论值如图 4-1 所示。 其中 iec 表示系统换热效率，t表示新风进口温度，t 表示新风出口温度，time 表示 keithley 进行数据采集时新风进口温度采集点所在时 间，test 表示用实测数据计算得到的值，theory 表示用 fortran 程序计算得到的理论 pipo 表4-2 稳定状态下系统节能效果研究部分实验数据 fig. 4-2 partial experimental data in stable condition 新风侧 排风侧 进口温度 进口湿度 出口温度进口温度进口湿度加湿后温度 出口温度 24.81 48.3 20.44 14.27 65.2 12.72 16.82 24.83 20.45 14.27 12.72 16.82 24.85 20.46 14.28 12.72 16.82 24.86 48.1 20.45 14.27 65.2 12.72 16.82 24.88 20.46 14.27 12.72 16.82 24.89 20.47 14.27 12.72 16.82 24.91 47.8 20.47 14.27 65.2 12.72 16.82 24.98 20.53 14.28 12.73 16.83 24.97 20.53 14.29 12.73 16.83 24.96 47.6 20.53 14.29 65.0 12.73 16.83 24.95 20.53 14.29 12.73 16.83 24.82 20.47 14.40 12.82 16.89 24.84 48.2 20.48 14.40 64.2 12.82 16.89 24.85 20.48 14.39 12.82 16.89 24.87 20.49 14.39 12.81 16.89 44 上海交通大学硕士学位论文 02004006008001000 0 20 40 60 80 100 e (test) td(test) e (theory) td(theory) time(s) e iec(%) 0 1 2 3 4 5 6 7 tpi-tpo(oc) 图4-1 系统换热效率和新风进出口温差理论与实验值 fig. 4-1 experiment and theoretical value about efficiency and temperature difference 值，td(temperature difference)表示温差。本章以下图示如采用上述标识，均表示同 一含义，将不再赘述。 由图可知，系统实际换热效率在 31.1%左右，新风实际进出口温差接近 4.4， 如果夏季新风进口温度在 32，则新风出口温度将低于 28，在一定程度上可起到 空气调节的作用。当然，随着新风的进口温度增加，系统的换热效率和新风进出口温 差会增加，这将在后面讨论。由图 4-1 同样可知，系统理论换热效率达到 41%以上， 理论上新风进出口温差可达到 5.8，实际效果与理论效果偏差较大。分析原因可知， 除了实验时环境温度偏低外，还有一个很重要的因素，就是水温偏高导致湿膜加湿器 换热效率偏低。实验时水箱中水温接近 12，而排风进口湿球温度只有 10.7，显 然湿膜加湿器内的直接蒸发冷却过程不属于等焓加湿过程， 按第二章定义的公式可求 得湿膜换热效率如图 4-2 所示，由图可看出，理论换热效率在数值上几乎是实际换热 效率的两倍，可见湿膜加湿器并没有得到有效的应用。如果水温在排风进口湿球温度 附近，系统的换热效率应该会得到明显的改善。导致湿膜加湿器效率偏低的另外一个 原因可能是实验时水泵流量过大。水泵后没有安装流量计，水量过小会使水泵发热， 容易烧坏，因此实验时水量调节得比较大。从理论上分析可知，水量偏大将导致空气 与水间主要以显热交换为主， 空气中蒸发的水并不多， 导致空气与水间的换热量很小， 而使湿膜加湿器效率降低。 图 4-3 为分离型热管换热器效率和新风进出口温差的理论 与实验值，比较图 4-1 和图 4-3 知，热管换热器效率比系统换热效率高，因为系统换 热效率综合考虑了湿膜加湿器和热管换热器换热效果的缘故，如果湿膜加湿效果好， 则排风进入换热器时温度会更低，热管换热器和系统的换热效率都将提高。 总体来说，虽然实验时难以模拟夏季工况进行实验，测得的实验数据无法从数值 上直观的显示其降温效果，且湿膜加湿器水温和流量未得到很好的控制，使湿膜加湿 45 第 4 章 实验结果与理论计算的比较分析 器效果偏低，但新风进出口温差仍然达到 4.4，说明该系统是具有换气节能功效的。 如果能将水温调节到排风进口湿球温度附近，并且控制流量在设计值附近，若水分能 得到充分的蒸发，即排风与水之间换热以潜热为主，该系统的节能效果将会更加好。 02004006008001000 0 20 40 60 80 100 e (test) td(test) e (theory) td(theory) time(s) e dec(%) 0 1 2 3 4 tsi-tsh( oc) 图4-2 湿膜换热效率和排风经过湿膜进出口温差理论与实验值 fig. 4-2 experiment and theoretical value of humidifier efficiency and temperature difference 02004006008001000 0 20 40 60 80 100 e (test) td(test) e (theory) td(theory) time(s) e hp(%) 0 1 2 3 4 5 6 7 tpi-tpo( oc) 图4-3 热管换热器效率和新风进出口温差理论与实验值 fig. 4-3 experiment and theoretical value of heat-exchanger efficiency and temperature difference 4.3 各因素对节能效果的影响 为了进一步从实验上研究各参数对系统换热效率和新风进出口温差的影响， 并对 第二章的理论分析进行验证， 本章分别研究了新风进口温、 湿度， 排风进口温、 湿度， 水温和风量对系统节能效果的影响。 46 上海交通大学硕士学位论文 4.3.1 新风进口温度变化对节能效果的影响 考虑实验时具体气候条件，当环境温度一定，系统运行达到稳定状态时新风进口 温度基本上是一定的。 为了研究新风进口温度对系统换热系数和新风进出口温差的影 响，可以通过设置高温间空调器温度或调节采暖器加热量大小控制新风进口温度。每 次调节完毕后，待系统运行稳定再记录实验数据，由于实验历时较长，过程中外界气 候条件会发生变化，将直接影响到排风进口温湿度。本实验是在早上进行的，实验达 到稳定状态时的部分实验数据见表 4-2 所示， 随着实验的进行， 排风温度会有所上升， 相对湿度将下降，但其升降幅度相对新风进口温度变化而言是很小的，不会影响数据 趋势分析的正确性。 表4-3 新风进口温度分别为24.8和28.6时的部分实验数据 table 4-3 partial experimental data with the variation of inlet temperature of fresh air 新风侧 排风侧 进口温度 进口湿度 出口温度 进口温度 进口湿度 加湿后温度 出口温度 24.78 48.2 20.50 14.43 65.2 12.83 16.92 24.78 20.50 14.43 12.83 16.92 24.79 48.1 20.50 14.43 65.1 12.84 16.92 24.80 20.50 14.44 12.83 16.91 24.81 48.1 20.50 14.44 65.0 12.84 16.92 24.83 20.49 14.45 12.84 16.91 24.84 47.9 20.50 14.45 65.0 12.84 16.92 24.85 20.50 14.45 12.84 16.91 24.87 47.8 20.50 14.45 65.0 12.85 16.92 24.89 20.51 14.45 12.85 16.93 28.72 42.7 22.42 15.50 58.1 13.23 19.11 28.69 22.42 15.51 13.23 19.12 28.66 42.9 22.42 15.52 58.0 13.23 19.11 28.64 22.41 15.52 13.22 19.11 28.61 43.1 22.41 15.52 58.0 13.22 19.12 28.59 22.41 15.52 13.22 19.11 28.57 43.2 22.40 15.53 58.0 13.22 19.11 28.55 22.39 15.52 13.23 19.11 28.53 43.4 22.39 15.53 58.0 13.223 19.12 28.52 22.39 15.53 13.23 19.11 根据实验数据求得的系统换热效率和新风进出口温差值如图 4-4， 其中表 示新风进口温度为 24.8左右的值，表示新风进口温度在 28.6左右的值。 由图可知，当新风进口温度达到 28.6时，系统换热效率达到 35%，比 24.8时的换 热效率增加了 4%；新风进出口温差达到 6.2以上，比 24.8时的进出口温差高出 2 以上，足以可见当新风进口温度增加时，系统换热效率和新风进出口温差都会随之 pi tlow pi thigh 47 第 4 章 实验结果与理论计算的比较分析 增加。也就是说，随着新风和排风进口温差加大，系统换热效率会随之增加，在实验 过程中排风进口温度升高会在一定程度上影响实验的效果， 但不会影响整个实验过程 的趋势。 实验分析的系统换热效率和新风进出口温差变化趋势与第二章理论分析趋势 相同，验证了设计工况下的理论分析结果。 020040060080010001200 0 20 40 60 80 100 e (low tpi) td(low tpi) e (high tpi) td(high tpi) time(s) e iec(%) 0 1 2 3 4 5 6 7 tpi-tpo( oc) 图4-4 新风进口温度变化时系统换热效率和新风进出口温差实验值 fig. 4-4 value of efficiency and temperature difference with the variation of inlet temperature 4.3.2 新风进口相对湿度变化对节能效果的影响 表4-4 新风进口相对湿度变化时的部分实验数据 table 4-4 partial experimental data with the variation of relative humidity of fresh air 新风侧 排风侧 进口温度 进口湿度 出口温度进口温度进口湿度加湿后温度 出口温度 25.88 48.0 20.87 14.89 63.0 13.25 17.45 25.84 48.2 20.84 14.89 13.22 17.43 25.81 48.3 20.84 14.90 63.0 13.24 17.44 25.80 48.4 20.80 14.87 13.20 17.37 25.77 48.5 20.82 14.90 63.2 13.26 17.45 25.74 48.7 20.89 14.89 13.24 17.45 25.70 48.9 20.79 14.89 63.1 13.21 17.41 25.67 49.0 20.79 14.90 13.28 17.45 25.65 49.1 20.80 14.89 63.0 13.25 17.43 25.60 49.3 20.78 14.89 13.25 17.45 很多文献3536提到只要新风进口湿球温度不超过 25，新风降温过程属于等湿 冷却过程，新风进口相对湿度不会影响系统节能效果。实验时设计了一个过程来验证 该结论。系统运行达到稳定状态时，对新风进口气体进行连续喷雾加湿，测得的部分 实验数据见表 4-4，求得的理论和实际节能效果如图 4-5 所示，由图可知当新风进口 48 上海交通大学硕士学位论文 相对湿度从 48%升高到 63%时，系统换热效率和新风进出口温差基本没有变化，从 而验证了上述结论是正确的。分析理论和实验值可知，系统实际换热效率为 33.9%左 右，理论换热效率为 41.1%，此时的新风进口温度为 25.8 左右，其换热效率明显比新 风进口温度为 24.8时高出 2.8%，新风进出口温差比 24.8时也要高出 0.5，更进 一步说明新风进口温度增加时，系统换热效率和新风进出口温差都会相应增加。 485154576063 0 20 40 60 80 100 e (test) td(test) e (theory) td(theory) rh(%) e iec(%) 0 1 2 3 4 5 6 7 tpi-tpo( oc) 图4-5 新风进口相对湿度变化时系统换热效率和新风进出口温差理论和实验值 fig. 4-5 experiment and theoretical value with the variation of relative humidity of fresh air 4.3.3 改变水温对节能效果的影响 前面对系统节能效果分析时已经提到，水箱温度高于排风进口湿球温度，流量过 大，都会影响实验效果。此处研究水温进一步升高时对系统节能效果的影响，由于实 验条件的限制，只能采用比较原始的方法，即当系统运行稳定时，分次向保温水箱中 加入热水，边加边搅拌，保证水箱中各点温度基本一致，根据水箱温控器温度显示来 控制水温分别在 12、14和 16。测得