间接蒸发冷却能量回收传热传质机理与系统优化研究

The application of indirect evaporative cooling (IEC) for energy recovery in the central air-conditioning system has received much attention for its energy-efficient and environment-friendly features. As the wet-bulb temperature of the fresh air is high in humid regions, the condensation would occur in fresh air channels, thus the existing heat and mass transfer models about IECs cannot be applied. According to the inlet conditions of the fresh air, the condensation statues in the fresh air channels will be investigated on the commonly used plate-type IEC unit and the method for judging the wettability will be proposed accordingly; Based on the ε-NTU model, the analytical heat and mass transfer model will be established considering the condensation from fresh air. The influences of condensation on the heat and mass transfer process and cooling efficiency will be investigated. The developed analytical model will then be integrated into the building simulation software package for predicting the annual energy performance of the IEC heat recovery air –conditioning system. Besides, the numerical model of the IEC will be developed and solved by finite difference method (FDM). The numerical model will be used for parameters study, sensitivity analysis and configuration optimization for some key influential factors of the cooling efficiency. An experiment test rig will be set up to validate and modify the developed heat and mass transfer model. The research results will help to supplement and improve the heat and mass transfer model of the indirect evaporative cooling technology and provide the evaluation method with wider applicability, optimize the system configuration, enhance the operation efficiency and energy utilization efficiency.

集中空调间接蒸发冷却能量回收技术因其高效节能、环境友好的特点而备受瞩目，但由于高温潮湿气候条件下新风湿球温度高，新风通道发生凝结现象，而现有的传热传质模型不能全面表达该换热过程。本课题根据新风入口状态参数的变化规律，研究常用的板式冷却器新风通道凝结状态及壁面润湿度的判定方法；在ε-NTU模型基础上，开发新风通道凝结状态的间接蒸发冷却传热传质解析解模型，研究新风通道凝结状态对传热传质过程和冷却效率的影响；并开发将模型可嵌入建筑能耗模拟软件的程序，用于系统年度节能特性评价；开发采用有限差分格式的数值计算模型，对影响其冷却效率的多因素进行敏感性分析，优化冷却器与系统结构；通过实验测试与案例分析，验证与修改开发的传热传质模型。项目的研究成果有助于补充和完善间接蒸发冷却技术的传热传质模型，提供适用性强的间接蒸发冷却系统可行性评价方法，优化系统结构，提高系统的运行能效和能源利用率。

集中空调间接蒸发冷却能量回收技术因其高效节能、环境友好的特点而备受瞩目，但是在高温潮湿气候条件下新风湿球温度高，新风通道发生凝结现象，而现有的传热传质模型不能全面表达该换热过程。本课题根据新风入口状态参数的变化规律，研究了常用的板式冷却器新风通道凝结状态及壁面润湿度的判定方法；在ε-NTU模型基础上，开发了新风通道凝结状态的间接蒸发冷却传热传质解析解模型，研究新风通道凝结状态对传热传质过程和冷却效率的影响；并开发了将模型可嵌入建筑能耗模拟软件的程序，用于系统年度节能特性评价；同时开发了采用有限差分格式的数值计算模型，对影响其冷却效率的多因素进行敏感性分析，优化冷却器与系统结构；通过实验测试与案例分析，验证并完善了开发的传热传质模型。项目的研究成果有助于补充和完善间接蒸发冷却技术的传热传质模型，提供适用性强的间接蒸发冷却系统可行性评价方法，优化系统结构，提高系统的运行能效和能源利用率。.主要研究成果包括：课题组搭建了叉流板式间接蒸发冷却能量回收系统实验台，实验台运行状态良好，能够保证实验数据的精度，从而验证分析解和数值解，也更有利于开展进一步的实验研究。考虑新风侧凝结换热对其传热传质过程的影响，构建了用于表达其传热传质过程的二维偏微分方程组。利用MATLAB对所构建的方程组分析解进行编程求解，建立了具有较高精度的二维叉流分析解模型。将经验证的分析模型与TRNSYS相结合，提出了一种考虑新风冷凝的IEC混合冷却系统的动态仿真方法。对香港地区的一个湿货市场空调系统进行了案例研究，分析了蒸发冷却和机械制冷结合系统全年能效。根据实验系统建立了叉流板式间接蒸发冷却器三维数值模型，通过Gambit建立了IEC换热器几何模型，并划分了结构化网格，利用Fluent软件进行迭代求解。针对IEC两相换热模型中，湿空气中水蒸气非定温蒸发过程，编写了UDF接口程序，计算每个网格内实时蒸发温度。建立了考虑一次通道冷凝的IEC数值模型。课题组用正交试验进行了参数敏感度分析，基于参数敏感度的分析结果，优化了间接蒸发冷却器的板间距、传热单元数和板面高长比。