今天我們從直接蒸發(fā)冷卻空調技術、間接蒸發(fā)冷卻空調技術、蒸發(fā)冷卻與機械制冷復合空調技術以及應用蒸發(fā)冷卻空調技術的相關機組等方面系統(tǒng)地來介紹一下。
1、直接蒸發(fā)冷卻空調技術
空氣和水發(fā)生直接接觸時，空氣不斷地將顯熱傳遞給水降低自身溫度，同時水由于吸熱釋放出汽化潛熱，這種利用空氣的顯熱換得潛熱的過程就是直接蒸發(fā)冷卻過程。利用該原理的直接蒸發(fā)冷卻空調按照降溫形式可分為冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調和冷風式直接蒸發(fā)冷卻空調。
1.1 冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調
1.1.1 高壓微霧型
圖1所示為高壓微霧型冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調器，其工作原理是利用高壓柱塞泵將水壓提高至7 MPa，然后將加壓后的水經耐高壓管線輸送至專業(yè)噴嘴將其霧化，產生直徑為3~15 μm的微霧顆粒，使其能夠迅速從空氣中吸收熱量完成汽化并擴散，從而達到空氣加濕、降溫的目的。
高壓微霧型冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調器應用比較廣泛，不僅可以用于室內，戶外場所同樣適用，1992年西班牙塞維利亞世界博覽會歐洲大道上的噴霧塔內就設置了高壓霧化噴嘴（圖2）為游客進行降溫，且設計簡潔大方，與周圍建筑相得益彰。
圖1 高壓微霧型冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調器實物圖
圖2 塞維利亞世界博覽會歐洲大道噴霧塔
1.1.2 汽水混合
汽水混合型冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調器的加濕過程可分為引射和霧化2個部分。具有一定壓力（0.1~1.0 MPa）的壓縮空氣通過特制的噴嘴腔，進行合理的配置和導流，在噴嘴口形成負壓區(qū)，由于負壓作用，集水器中的水連續(xù)不斷地被引射到噴嘴腔內。被引射的水通過自動控水裝置集存于集水器內，為高壓空氣引射噴霧提供了無壓水源。壓縮空氣與被引射水的流速不同，2股流體在噴嘴腔內以設定的流量和流向有序地流動。
霧化過程中較高壓力的壓縮空氣能量傳遞給較低壓力的水，使水的能量增高。2股流體在噴嘴出口處混合噴出，混合過程中高壓空氣與水流發(fā)生動量交換，與水進行劇烈摩擦與碰撞，利用空化效應將水充分霧化成細小的水珠。當汽水混合流體從噴嘴高速噴出時，又與外界大氣中的空氣進行摩擦接觸，從而將水滴進一步撕碎，水滴的直徑可達5~10 μm，從而達到良好的霧化效果。圖3所示為汽水混合型冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調器。
圖3 汽水混合型冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調器實物圖
1.2 冷風式直接蒸發(fā)冷卻空調
1.2.1 蒸發(fā)式冷氣機（冷風扇）
蒸發(fā)式冷氣機是利用淋水填料層直接與待處理的室外空氣接觸，由于噴淋水的溫度一般都低于待處理空氣(即新風)的溫度，空氣不斷將自身顯熱傳遞給水而得以降溫；與此同時，部分噴淋水（循環(huán)水）會因不斷吸收空氣中的熱量而蒸發(fā)，蒸發(fā)后的水蒸氣被氣流帶入室內，于是，新風既得以降溫，又實現(xiàn)了加濕。所以，這種利用空氣的顯熱換得潛熱的處理過程，既可稱為空氣的直接蒸發(fā)冷卻，又可稱為空氣的絕熱降溫加濕。待處理空氣通過直接蒸發(fā)冷卻所實現(xiàn)的空氣處理過程為等焓加濕降溫過程，其極限溫度為空氣的濕球溫度。圖4和圖5所示分別為蒸發(fā)式冷氣機（冷風扇）的原理圖和實物圖。
圖4 蒸發(fā)式冷氣機工作原理圖
圖5 家用小風量蒸發(fā)式冷風扇
蒸發(fā)式冷氣機適用范圍：
1）在南方地區(qū)主要適用于紡織、服裝、制革、化工、冶金、食品等工廠以及一些有高溫熱源的生產場所；
2）在北方地區(qū)適用于商場、餐館、火鍋店、醫(yī)院門診大廳、車站候車廳、機場、學校等人口密集需要通風降溫的公共場所；
3）有污染性氣體或散發(fā)粉塵及有害氣體的場所；
4）已安裝傳統(tǒng)空調但新風量或含氧量不足的場所；
5）通信基站、機房降溫設備的節(jié)能改造。
目前，單獨采用直接蒸發(fā)冷卻空調技術的蒸發(fā)式冷氣機主要適用于允許室內溫度偏高、空氣流速大的場所。直接蒸發(fā)冷卻還可與崗位送風相結合，將冷風直接送至人員的工作區(qū)域，有利于提高工作效率。
1.2.2 窗式蒸發(fā)冷卻空調器
圖6所示為窗式蒸發(fā)冷卻空調器。隨著不斷地開發(fā)和完善，第二代窗式蒸發(fā)冷卻空調器的外形和功能不斷改進，較第一代更加美觀，還可以從房間內部拆卸外殼，檢修和更換填料，為安裝和維護提供了方便。圖7所示為第一代和第二代窗式蒸發(fā)冷卻空調器的對比圖。
圖6 窗式蒸發(fā)冷卻空調器實物圖
圖7 第一代和第二代窗式蒸發(fā)冷卻空調器對比圖
窗式蒸發(fā)冷卻空調器具有節(jié)能、環(huán)保、經濟、低碳、舒適等優(yōu)點，近年來已經在我國廣大西北地區(qū)得到了推廣和應用，尤其是在學生宿舍。學生宿舍多采用懸掛式電風扇進行降溫，少數采用機械壓縮式制冷空調進行降溫。窗式蒸發(fā)冷卻空調器降溫效果雖不如機械壓縮式制冷空調，但其具有送風量大、全新風運行的特點，可以滿足宿舍空間的舒適性要求，且在過渡季節(jié)，窗式蒸發(fā)冷卻空調器僅作為通風設備使用，可滿足室內的舒適性要求。使用窗式蒸發(fā)冷卻空調器能夠有效降低房間溫度，改善室內熱環(huán)境，送入宿舍的全新風改善了室內空氣品質，但同時要做好排風系統(tǒng)，以達到良好的通風降溫目的，避免室內濕度過大。
2、間接蒸發(fā)冷卻空調技術
間接蒸發(fā)冷卻空調技術，產出介質（空氣或水）與工作介質（空氣和水）間接接觸進行熱濕交換，產出介質與工作介質之間不存在質的交換，僅是顯熱的交換。作為間接蒸發(fā)冷卻空調技術的特殊形式，露點式間接蒸發(fā)冷卻空調技術是利用空氣的干球溫度與不斷降低的濕球溫度之差完成換熱，這不同于一般間接蒸發(fā)冷卻空調技術（利用空氣的干球溫度和固定的濕球溫度之差換熱）。
露點式間接蒸發(fā)冷卻器干濕通道之間被打上小孔，進入干通道的一次空氣被預冷后，流經小孔時一部分進入濕通道，作為二次空氣與濕通道的水膜發(fā)生熱濕交換，降低濕通道的溫度，拉大了干濕通道的換熱溫差，使得干通道內的一次空氣降溫幅度增大。露點式間接蒸發(fā)冷卻技術的驅動勢是一次空氣的干球溫度與二次空氣的露點之差，送風溫度的極限是一次空氣的露點，因此，可以提供送風干球溫度比室外濕球溫度低且接近露點的空氣，溫降較大。
2.1 露點式間接蒸發(fā)冷卻空調機組
露點式間接蒸發(fā)冷卻空調技術突破了直接蒸發(fā)冷卻空調技術受濕球溫度的限制，在干燥地區(qū)，露點式間接蒸發(fā)冷卻空調很接近傳統(tǒng)機械壓縮式制冷空調的送風溫度，相較于直接蒸發(fā)冷卻空調，舒適性得到提高。高溫冷水+盤管（AWA）的降溫模式是以冷風先制取冷水，再用冷水制取冷風，而露點式間接蒸發(fā)冷卻空調機組（AA）是用冷風直接制取冷風，如圖8所示，省卻了能量轉換帶來的無謂損耗，工程造價大幅降低，無表冷器，因此冬季無須考慮防凍問題。機組利用露點與干球溫度之間存在的溫差不斷對空氣進行冷卻，使送風逼近露點。
圖8 露點式間接蒸發(fā)冷卻空調機組與高溫冷水機組＋盤管送新風對比
圖9 露點式間接蒸發(fā)冷卻空調機組實物圖
如圖10所示，工作氣流通過芯體下部的干通道，被前一級濕側蒸發(fā)冷卻帶走顯熱，焓值降低，實現(xiàn)預冷后，經過節(jié)流孔進入另一側的濕通道進行等焓加濕。產出氣流通過芯體上部的干通道，絕對含濕量不變，干球溫度被另一側交叉布置的多級濕通道依次降低，然后送入室內。
圖10 露點式間接蒸發(fā)冷卻芯體工作原理圖
2.2 露點式間接蒸發(fā)冷卻冷水機組
蒸發(fā)冷卻冷水機組與常規(guī)的蒸發(fā)冷卻空調技術制取冷風所獲得冷量形式不同，是采用水側蒸發(fā)冷卻技術獲得冷水。機組由間接蒸發(fā)冷卻段、噴淋裝置、風機等組成。室外新風先經過間接蒸發(fā)冷卻過程預冷，預冷后的空氣進入填料塔與填料表面的水膜進行充分的熱濕交換制備冷水，然后空氣在排風機的作用下被排出冷水機組。間接蒸發(fā)冷卻段可以有多種形式，例如表冷式間接段、板翅式間接段、管式間接段、露點式間接段等。
圖11所示為露點式間接蒸發(fā)冷卻冷水機組的實物圖和原理圖，圖12所示為表冷式間接蒸發(fā)冷卻冷水機組的實物圖與原理圖。蒸發(fā)冷卻冷水機組的出水溫度低于常規(guī)冷卻塔的出水溫度，而又高于常規(guī)冷水機組的出水溫度，因此，蒸發(fā)冷卻冷水機組的應用方式由其自身的性能特點及建筑使用功能要求和空調對象的熱、濕負荷特點決定。
圖11 露點式間接蒸發(fā)冷卻冷水機組實物圖和工作原理圖
圖12 表冷式間接蒸發(fā)冷卻冷水機組實物圖和工作原理圖
3、蒸發(fā)冷卻與機械制冷復合空調技術
蒸發(fā)冷卻空調技術具有節(jié)能、低碳、經濟、健康的獨特優(yōu)勢，但單獨依靠該技術制取的冷風或冷水參數與室外空氣狀態(tài)緊密相關，不易控制且具有不穩(wěn)定性，自身性能有待提高。而機械制冷技術可以制取溫度較穩(wěn)定的冷風或冷水，但相比而言耗能較大。
將蒸發(fā)冷卻與機械制冷有機結合，可實現(xiàn)2種技術的協(xié)同運行與相互耦合，彌補單純采用其中一方法所存在的不足，有利于優(yōu)化蒸發(fā)冷卻設備，拓寬其使用范圍，同時提高機械制冷性能，促進節(jié)能減排，實現(xiàn)兩者優(yōu)勢互補。圖13所示為蒸發(fā)冷卻＋機械制冷（直膨式）組合式空調機組實物圖和工作原理圖。
圖13 蒸發(fā)冷卻＋機械制冷（直膨式）組合式空調機組實物圖和工作原理圖
該組合式空調機組有2種運行模式：①針對干燥工況，充分發(fā)揮蒸發(fā)冷卻空調技術的優(yōu)勢進行自然冷卻，只開啟直接蒸發(fā)冷卻段即可滿足設計要求，待處理空氣經由過濾段進入直接蒸發(fā)冷卻段被等焓加濕降溫后由風機送入室內；②針對高溫高濕工況，直接蒸發(fā)冷卻段關閉，開啟機械制冷段，室外空氣與室內回風進行混合，之后由機械制冷循環(huán)蒸發(fā)器進行減濕冷卻后由風機送入室內。
4、數據中心用雙冷源蒸發(fā)式冷氣機
出于對高能效的追求，人們對蒸發(fā)冷卻這一節(jié)能環(huán)保技術的接受度不斷增加，蒸發(fā)冷卻空調技術廣泛地應用到數據中心領域，圖14所示為數據中心用雙冷源蒸發(fā)式冷氣機實物。
圖14 數據中心用雙冷源蒸發(fā)式冷氣機實物圖
和工作原理圖圖和工作原理圖，既可以采用自身的循環(huán)水對填料進行噴淋冷卻待處理空氣，還可以采用深井水將自然環(huán)境中蘊含的豐富的冷源進行有效利用，從而有效降低運行功耗和費用。
5、閉式冷卻塔
5.1 多工況復合閉式冷卻塔
圖15所示為多工況復合閉式冷卻塔，該冷卻塔是在傳統(tǒng)閉式塔的基礎上增加一套開式冷卻系統(tǒng)的冷卻設備，盤管和填料采用不同的回路，兼具填料水冷的高效性及空冷的大風量特性，在深秋之時停止為填料供水，有效避免填料被冰凍，并針對我國華北及東北地區(qū)夏季極熱、冬季極冷的氣候特性設計了4段式運行策略。
圖15 多工況復合閉式冷卻塔實物圖
1）夏季：同時開啟閉式和開式循環(huán)，開式循環(huán)制取的冷水供給閉式循環(huán)使用，以滿足極高熱負荷的需求，如圖16（a）所示；
2）初秋：閉式塔不開機，開式塔全開，較夏季模式省電；
3）深秋：閉式塔全開，開式塔全關，可在低溫時防止填料冰封以及管排凍結；
4）冬季：閉式塔噴淋水關閉，只開風機，開式塔全關，有利于節(jié)能節(jié)水，如圖16（b）所示。
圖16 復合閉式冷卻塔運行模式
5.2 閉式混合型冷卻塔
圖17所示為閉式混合型冷卻塔。該冷卻塔增加了與冷凝盤管串聯(lián)的翅片管，具有3種運行模式，分別是干/濕式聯(lián)合模式、絕熱模式以及干式模式（見圖18），通過不同運行模式的選擇，可適用于要求連續(xù)可靠運行、水價高的區(qū)域，以及供水受限或需要消除白霧的場合。
圖17 閉式混合型冷卻塔
1）干/濕聯(lián)合運行模式（見圖18（a））
流體首先進入翅片管進行冷卻，然后進入冷凝盤管被進一步冷卻。噴淋水從集水盤由循環(huán)水泵送至冷凝盤管上方的噴淋裝置。噴淋水潤濕冷凝盤管表面，帶走管內流體熱量后下落至填料表面，在填料內被進一步冷卻后落入集水盤循環(huán)使用。空氣分別流過填料和冷凝盤管，吸收熱量達到飽和狀態(tài)后由軸流式風機排出。此時排風溫度比較低，安裝在軸流式風機上方的翅片管管內的流體能夠被排風顯著冷卻。
干/濕聯(lián)合運行模式利用了顯熱及蒸發(fā)潛熱。相比于傳統(tǒng)的冷卻塔，在極端天氣下，白霧趨勢極大降低，還可以節(jié)省大量的水。
2） 絕熱運行模式（見圖18（b））
在絕熱運行模式下，經翅片管冷卻的流體被全部旁通排出，冷凝盤管內無熱量交換，噴淋水僅用來預冷從外部進入的空氣。在大多數氣候條件下，周圍的空氣仍然具有相當大的潛力吸收水分，被絕熱冷卻的空氣溫度顯著降低，由軸流式風機排出時對翅片管管內的流體進行預冷，保證設計流體所需的溫度，使系統(tǒng)效率最大化。
3） 干式運行模式（見圖18（c））
在干式運行模式下，噴淋水系統(tǒng)關閉，節(jié)約水泵能耗。待冷卻的流體流經翅片管進入冷凝盤管，流量控制閥保持全開，以確保流體串聯(lián)流過2個盤管，最大限度地利用換熱面積。在這種模式下，沒有水的蒸發(fā)消耗，并且完全沒有白霧產生。在干式運行模式持續(xù)工作時間較長時，將集水盤內的水排空，這樣不需要考慮防凍及水處理問題。
圖18 閉式混合型冷卻塔運行模式
6、蒸發(fā)式冷凝器
6.1 填料型蒸發(fā)式冷凝器
圖19所示為填料型蒸發(fā)式冷凝器實物圖和工作原理圖，氣態(tài)制冷劑進入盤管將熱量通過盤管表面?zhèn)鬟f給翅片。室外空氣被位于頂部的風機吸入機組，經過位于盤管一側的濕填料時被等焓冷卻。之后，被預冷的空氣流過盤管和翅片表面時帶走管內制冷劑的熱量，使其冷凝為液態(tài)制冷劑。
圖19 填料型蒸發(fā)式冷凝器實物圖和工作原理圖
6.2 淋水型蒸發(fā)式冷凝器
淋水型蒸發(fā)式冷凝器主要是依靠水在空氣中蒸發(fā)吸熱帶走管內氣態(tài)制冷劑的熱量，使其冷凝為液態(tài)制冷劑。根據空氣流與噴淋水的方向，分為順流式蒸發(fā)式冷凝器和逆流式蒸發(fā)式冷凝器。
6.2.1 順流式蒸發(fā)式冷凝器
順流式蒸發(fā)式冷凝器(由于部分空氣是由盤管上方進入，與噴淋水的方向一致，所以稱為順流式)內設有噴淋裝置、冷凝盤管、填料、集水盤等。箱體外部設循環(huán)水泵、冷凝盤管側面頂部裝有軸流式風機。運行時，冷卻水由循環(huán)水泵送至冷凝盤管上面的噴淋裝置，均勻地噴淋在冷凝盤管的外表面，形成很薄的一層水膜。
經過軸流式風機的引風，空氣由盤管的上方和填料的側面進入設備，強化了空氣流動，形成箱內負壓，促使水的蒸發(fā)溫度降低，促進水膜蒸發(fā)，強化冷凝盤管的放熱。高溫氣態(tài)制冷劑從冷凝盤管的上部進入，被管外水膜冷凝后成為液態(tài)制冷劑，從冷凝盤管下部集管流出。水膜吸收制冷劑的熱量后，一部分蒸發(fā)變成水蒸氣被軸流式風機吸走排入大氣，其他經過填料時與空氣進行熱濕交換，隨后落入集水盤內循環(huán)使用。圖20所示為順流式蒸發(fā)式冷凝器實物圖和工作原理圖。
圖20 順流式蒸發(fā)式冷凝器實物圖和工作原理圖
6.2.2 逆流式蒸發(fā)式冷凝器
逆流式蒸發(fā)式冷凝器（空氣與噴淋水的方向相反，稱為逆流式）運行時，冷卻水由循環(huán)水泵送至噴淋裝置，在換熱盤管表面形成均勻的水膜。室外空氣由下部進入設備，與水膜發(fā)生熱濕交換，促進水膜蒸發(fā)速率，帶走換熱盤管內制冷劑的熱量，使氣態(tài)制冷劑冷凝為液態(tài)流出。圖21所示為逆流式蒸發(fā)式冷凝器實物圖和工作原理圖。
圖21 逆流式蒸發(fā)式冷凝器實物圖和工作原理圖
7、蒸發(fā)冷凝冷水機組/空調機組
7.1 蒸發(fā)冷磁懸浮機組
圖22所示為蒸發(fā)冷磁懸浮機組，該機組采用降膜式蒸發(fā)器、淋水型蒸發(fā)式冷凝器和創(chuàng)新控制邏輯，實現(xiàn)機組一體化設計。
圖22 蒸發(fā)冷磁懸浮機組實物圖7蒸發(fā)冷凝冷水機組/空調機組
制冷劑進入降膜式蒸發(fā)器后，經過布液器中的噴嘴均勻地滴落到蒸發(fā)換熱管的外側，制冷劑在換熱管的外表面呈膜狀流下，在換熱管的外側吸熱汽化，沿換熱管的周圍與換熱管內的流體進行熱交換，所形成的氣態(tài)制冷劑從換熱管的間隙由下向上運動，從蒸發(fā)器的蒸氣出口離開蒸發(fā)器。
淋水型蒸發(fā)式冷凝器將冷凝器與冷卻塔兩者高度集成，以空氣和水作為冷卻介質，利用水的汽化潛熱帶走制冷劑的凝結熱，實現(xiàn)制冷劑蒸氣的冷凝，因此對水的需求量大大減少，能夠節(jié)水55%。
7.2 蒸發(fā)冷凝式冷水機組
圖23所示為蒸發(fā)冷凝式冷水機組。蒸發(fā)冷凝式冷水機組是一種高能效的空調設備，目前已經在地鐵空調系統(tǒng)中得到應用，因其避免了冷卻塔設置問題，布置較為靈活，在滿足溫濕度要求的同時降低了系統(tǒng)能耗，對地鐵通風空調系統(tǒng)節(jié)能具有現(xiàn)實意義。
圖23 蒸發(fā)冷凝式冷水機組
圖24所示為板管式蒸發(fā)冷凝式冷水機組實物圖。板管式蒸發(fā)冷凝式冷水機組采用平面液膜換熱技術，布水均勻，換熱效率高。工作時，壓縮機吸入從蒸發(fā)器出來的高溫低壓的制冷劑蒸氣，使之壓力升高后送入蒸發(fā)式冷凝器，在管外循環(huán)水及室外空氣共同作用下被冷卻變?yōu)榈蜏馗邏旱闹评鋭┮后w，再進入節(jié)流裝置變?yōu)榈蜏氐蛪旱闹评鋭┮后w后送入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，冷卻高溫冷凍水，變?yōu)楦邷氐蛪旱闹评鋭┱魵?，再進入壓縮機，完成一個循環(huán)。
圖24 板管式蒸發(fā)冷凝式冷水機組
