浅谈水空调
来源:原创   日期: 2012-5-5   点击: 4575

关键词:通风降温设备 厂房降温水帘 水冷空调 负压风机 时间表:2012.5.5  来源:www.bjsjjzzs.com
一、前言
  
  每年夏季来临时,总有媒体宣传一种节能型空调水空调,说它的耗电量仅相当于一台电风扇,但工作效果不比普通电空调差。水空调是如何实现制冷的?它真的节能么?在哪些场合适合使用?长期使用是否有损人的健康?本文将一一解决这些问题。
  目前,人们使用的水空调主要有两种形式:风机盘管水空调和直接蒸发水空调。
  
  二、风机盘管水空调
  
  风机盘管水空调是目前应用最多的也是应用最早的水空调。它主要是利用风机盘管将周围环境的天然冷源所蕴含的冷量送到空调房间。天然冷源可以是井水,山涧水,江河湖水,海水等,因为它们的温度在夏天都比较低。当它们的温度比人们要求的室内温度低时,就可以通过不同的形式吸收室内空气的热量,使室内空气降温,所以称它们为天然冷源。
  风机盘管的主要组成部分是风机和盘管。工作时用水泵将天然冷源水送入盘管,使盘管具有较低的表面温度,而风机的任务是循环室内空气,强制空气流经并冲刷盘管表面,从而将天然冷源水所蕴含的冷量转移至室内空气,实现对房间的空调降温。其工作原理如下图: 
                               
  (一)天然冷源
  如前所述,天然冷源可以是井水,山涧水,江河湖水,海水等。山涧水受到地理条件的限制,江河湖水以及海水的温度大多随环境气温改变较大,用得最多的还是井水,因为井水随处可取。我国大部分地区地下水的水温常年在20℃以下,江南地区的地下水水温常年在18~20℃左右,再加上地下水位较高,井水可以轻易获得,所以井水经常被选做水空调的天然冷源。
  当然也有特殊情况,如有些建筑物临近水库或深湖水,其水温常年较低,也是很好的水空调天然冷源。另外,新疆吐鲁番地区的坎儿井系统,利用暗渠将天山上融化的雪水引至山脚下供人们生活、生产、灌溉农作物使用。多数井水温度常年在10℃以下,而当地夏季气温又很高,直接使用低温井水会有各种负面影响,一般还要将井水提升至地面,让太阳暴晒一段时间,水温有所升高后再使用。其实这是对资源的浪费,10℃以下的井水是非常好的水空调冷源(中央空调的冷冻水温度是7~12℃),井水经过风机盘管机组后,水温会升高几度,然后再做生活、生产、灌溉农田等使用是两全其美的选择。
  (二)风机盘管机组
  风机盘管机组的主要组成部分是风机和盘管。风机一般采用离心式风机,盘管大多是铜管,为了提高换热效果,一般会采用铜管铝翅片来加大换热面积。目前国内的风机盘管机组有两排管、三排管和四排管等结构形式,其中以三盘管居多。其实,盘管的外形、内部结构、换热原理等都和家用空调室内机的蒸发器、室外机的冷凝器是一样的。风机盘管的工作任务是将天然冷源带来的冷量通过盘管表面换至空气,从而对空调房间降温。
  除了两大主要组成部分外,机组还有过滤网、集水盘、外壳等。
  风机盘管的外观形式很多,有壁挂式、立柜式、天花板嵌入式、落地式等。作为水空调的主机,风机盘管一般以壁挂式和立柜式出现。
  (三)水泵和管道
  水泵选用离心式清水泵,管路选用镀锌钢管或塑料管,有时候受条件限制甚至可以采用橡胶的软管。工作是水泵推动水,把水经管道送往室内的盘管,也就是将天然冷源送达室内。
  (四)节能效果
  综上所述,风机盘管式的水空调在工作时,消耗电能的是水泵和风机,功率都不大,相当于1.5匹的水空调功率在300W以内。而普通的1.5匹家用空调功率会在1000W左右,二者相比,水空调的节能效果是很明显的。
  (五)使用现状
  水空调的显著节能效果是多数人选择它的主要原因。地下水丰富的江南地区,城市的小店铺以及农村有很多的水空调在运行。这些水空调大多采用地下井水,从水空调出来的水还可以做生活用水使用。
  (六)局限性
  水空调在使用过程中,也存在隐患:如空调房间的湿度过大;地下井水的使用受到限制。
  1.湿度。人的舒适感是由温度、湿度、二氧化碳含量、氧气的含量、空气清新程度等共同决定的。其中温度和湿度是最基本的。也就是说,空调最基本的任务是保证房间空气温度和湿度,夏季舒适的室内空气温度是24~28℃,相对湿度也应维持在40~60%。
  风机盘管式的水空调和普通家用空调相比,除湿能力要弱很多,水空调创造的室内空气环境湿度比普通空调高,较高的湿度会让人产生不舒适感,也会对健康有影响。
  为什么水空调的除湿能力比较低呢?这要从除湿原理讲起。水空调和普通家用空调的除湿原理是一样的,即冷冻除湿,也就是让空气中的水蒸气在盘管表面结露。从工程热力学上讲当盘管表面温度低于空气的露点温度时,空气流经盘管表面时就会结露。这就相当于从冰箱里拿出的玻璃瓶在空气中放置一段时间后,其表面就会有很多露水,而且从冷冻室拿出的玻璃瓶表面结出的露水会更多,因为它的表面温度更低。
  前面讲过,水空调大多采用地下井水,水温在18~20℃左右,家用空调的室内机蒸发器内流经的不是水而是制冷剂,它的温度在2~3℃左右。因此,水空调的盘管表面比家用空调机的盘管表面温度高十几度,由此造成结露现象相差很多,除湿能力的差别也就显而易见了。

                                                  
  由于风机盘管的除湿能力有限,使得使用水空调的房间空气相对湿度过高,常常会偏离人的湿度舒适范围。我国南方由于夏季空气非常潮湿,使用水空气造成的室内湿度超标现象更明显。如果假定盘管的除湿过程很顺利,即结露很完全,接触温差取3℃。现查湿空气焓湿图并列表分析室内空气的相对湿度:见表一。
  从上表可以看出,在潮湿的空气环境中,水空调创造的室内空气湿度始终是超标的。但如果外界空气是比较干燥的,情况另当别论。
  在湿空气焓湿图上,25℃的温度线与60%的相对湿度线相交,交点对应的空气含湿量为12g/kg(g),可以得出:当空气的含湿量低于12g/kg(g)时较适宜采用水空调。文献[3]给出了我国各地最湿月平均空气含湿量分布图(如下图),其中的红线为含湿量12g/kg(g)的分界线。在线的左侧区域含湿量低于12g/kg(g),较适合用水空调,右侧区域含湿量高于12g/kg(g)不适宜用水空调。
                                            
  前面讲到,疆吐鲁番地区的坎儿井系统,利用暗渠将天山上融化的雪水引至山脚下供人们使用,多数井水温度常年在10℃以下;同时,夏季室外气温高,空气非常干燥。该地区应该是最适合采用风机盘管式水空调的,既可适当提高水温以备后用,又能降低室内空气温度,消耗电能也很少,值得提倡和推广。
  2.地下水的开采受限制。水空调虽然节能省电,但耗水量却很大,一台2匹的水空调耗水量是0.8 t/h。一个暑期以90天和每天10小时计算,一台2匹的水空调将耗去720吨的地下水,所以有人称之为“水老虎”。地下水的过度开采会造成地下水位下降、地表沉降,这是不争的事实,因此各地都有对地下水使用的各项规定。这些规定在一定程度上限制了水空调的推广和普及。
  过度浪费水资源以及政府对地下水的限制开采使得水空调的生存受到考验。有专家建议,可以为水空调加一个回灌系统。即用户抽取地下水利用其携带的冷量,同时还要向地下回灌水,来平衡地下水量和水位。其实井水回灌系统由来已久,许多大量使用地下水的企业早就有深井回灌系统。

  三、直接蒸发水空调
  
  直接蒸发水空调是利用蒸发冷却技术,蒸发冷却技术是人类最古老的冷却方法之一。蒸发冷却从热学原理上是利用水沸腾时所需的汽化潜热带走热量。这类似于涂抹在皮肤表面的酒精挥发后,皮肤有较凉的感觉。水直接蒸发空调的工作原理是让空气通过水的表面,表面的水吸取空气的热量蒸发为水蒸气,空气失去热量温度降低,从而实现制冷。当然空气在获得冷量降温的同时,也将蒸发的水蒸气一起带走,湿度增加。
                                           


  为了加速水的蒸发制冷,人们设法加大了水与空气的接触面积。比如可以让空气通过表面积很大的特种纸质波纹蜂窝状湿帘表面,迫使过帘空气的干球温度降至接近于机外空气的湿球温度,这种空调也称湿帘冷风机。湿帘冷风机的四周装有使用特种材料的蜂窝状湿帘,具有很大的表面积,通过水循环系统对湿帘不断增湿保证湿帘表面完全湿透;在湿帘冷风机内装有高效低噪节能风机,当风机运行时,湿帘冷风机的产生负压,使机外空气流经多孔湿润的湿帘进入机内,与湿帘表面的水分进行热交换,湿帘上的水蒸发吸收热量,使统经湿帘的空气降温。同时由于湿帘上的水向流经湿帘的空气蒸发,增大了空气的湿度,因此具有降温增湿的双重功能,其相对湿度可达75%左右。其工作原理如上图:
  或者直接把水雾化成小水滴喷向空气,让空气与所有小水滴的外表面接触增加换热面积,从而加速对空气的冷却降温。这种做法类似于工业空调的喷水室。
  由于水的汽化潜热(约2260×103kj/kg)要比水的比热(约4.2×103kj/(kg·℃)大很多,所以蒸发冷却的降温效果比风机盘管式水空调更为显著。但因为直接蒸发水空调在工作时是以连续地对空气加湿来使空气降温的,所以同样存在空气房间湿度过大的问题,而且更为严重。因此直接蒸发水空调仅限于工厂、车间的防暑降温,不能在民用建筑中使用,在此不再多述。
  
  四、结论
  
  综上所述,风机盘管式水空调应用比较广泛,但水源一定要有保证,同时室外空气的含湿量要低于12g/kg(g),这样才能在节能的同时创造舒适的室内环境。如果水源采用地下井水,还要注意防止违规过度开采,尽量做到井水回灌,保护地下水资源。另外,空气潮湿地区如果使用风机盘管式水空调,不适宜人长时间停留的场所,仅作短时间的防暑降温使用。
  直接蒸发式水空调,因其加湿过程明显,导致室内湿度过高,故不适合民用建筑。但在工厂、车间可以大规模使用,尤其是生产工艺要求湿度较高的场合,既可降温,又能加湿,而且节能效果显著。

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