M循环蒸发冷却空调技术的回顾与展望01.11

M循环蒸发冷却空调技术

的回顾与展望

摘要: 本文介绍了M循环蒸发冷却空调技术的历史、基本原理，对相关的研究工作及商业化产品等方面进行了回顾与总结，并对未来的研究发展方向提出了建议。

关键词: M循环，露点，蒸发冷却，空调，综述

A Review of M-cycle Evaporative Cooling

Technology for Air-conditioning

Abstract: The history and basic principle of M cycle evaporative cooling are

introduced. The up-to-date research work and achievements related to M cycle IEC,

including papers, patents, commercial products, are reviewed and analyzed. Some

promising areas and objectives for future research are advised conclusively.

Keywords: M cycle, Dew point, Evaporative cooling, Air-conditioning, Review

符号表

m 空气质量流量，kg/s 下标

RH 相对湿度 db 干球

t 温度，℃ dp 露点

u 空气流速，m/s in 进口

w 含湿量，g/kg p 干通道

η 效率 s 湿通道

V 空气体积流量，m3/h wb 湿球

0 引言

蒸发冷却（Evaporative Cooling）空调技术以可再生能源---干空气能作为制冷的驱动力，以水为制冷剂，不使用氟氯烃类等化学制冷剂。它具有显著的节能效果，具有良好的环境和经济效益，因此在世界范围内的应用越来越广泛，相关的研究也越来越多。

直接蒸发冷却(DEC-Direct Evaporative Cooling)和间接蒸发冷却(IEC-Indirect Evaporative

Cooling)是蒸发冷却技术的两种最基本形式，这两种方式都可以为空调房间提供冷量，而且两者送风温度的极限均为进风的湿球温度。但是，DEC方式是通过等焓加湿的方式处理送风，会导致房间的湿度增大；IEC虽不增加送风的含湿量，但是送风温度较高，湿球效率较低。这些不足限制了DEC与IEC技术的应用。

M循环间接蒸发冷却（MIEC-M Cycle IEC）的送风可突破进风的湿球温度，甚至逼近其露点温度（因此，也被称为露点间接蒸发冷却），且不增加送风的含湿量。由于MIEC的优势显著，近年来的相关研究逐渐增多。本文试对MIEC技术相关研究及实践进行回顾总结，并提出一些建议性的研究发展方向。

1 M循环蒸发冷却概述

通过总结文献发现，历史上有三位研究者所提出的蒸发冷却形式在理论上可达到进风的露点温度。理论上，这三种蒸发冷却形式RIEC、DPIEC和MIEC可以在不使用压缩机和制冷剂的情况下，将任何气体和液体冷却到接近露点温度。因此，它们又常被称为露点间接蒸发冷却。

1979年，Pescod提出了回热式间接蒸发冷却方式（RIEC-Regenerative Indirect Evaporative

Cooling）的工作原理，如图1所示。一次空气进入回热式间接蒸发冷却器被等湿冷却后在出风处分为两部分，约一半的一次空气返回湿通道加热加湿后排出，剩余的一次空气送入房间[1]。

图1 回热式间接蒸发冷却方式工作原理

1999年，于向阳发明了多级蒸发制冷空调机，如图2所示，将至少三个单级间接蒸发制冷空调机串联在一起，上一级单级间接蒸发冷却换热器的一次空气被冷却后在出风处分为两部分，一部分作为二次空气加热加湿后向上排出；剩余空气继续作为一次空气进入第二级间接蒸发冷却换热器，空气的流程与第一级相同。这样对一次空气实现多级等湿降温后的温度可低于当地空气的湿球温度，接近露点温度[2]。

图2 多级制冷蒸发空调机

2003年，Valeriy Maisotenko为了解决湿空气透平循环在实际应用中受限的问题提出了一种改进的间接蒸发冷却形式[3]，即M循环间接蒸发冷却。Valeriy Maisotenko提出M循环后，这种技术随之被迅速产业化，使这种送风或循环水能接近露点温度的间接蒸发冷却技术才在世界范围内引起广泛关注，相关研究迅速增多。因此，“M循环（M Cycle）”这个名称在国际上得到了较为广泛的使用（本文以下也主要沿用此名称）。M循环蒸发冷却技术原理如图3所示，一次空气1进入换热器干通道，沿途通过显热交换将热量传递至湿通道，自身温度降低。一次空气1在干通道末端被分成两部分，一部分作为送风2供应空调房间；另一部分空气作为二次空气被引入相邻的湿通道，其流动方向与一次空气1相反，沿途与水膜发生热质交换，带走干通道内一次空气1传递过来的显热，最终排出室外，即图中排风3；同时，因热质交换湿通道的水膜温度也在降低，若通过多次的循环与混合，循环水的温度也将逼近室外空气的露点温度，可以作为高温冷水提供冷量。

传统的蒸发冷却空调器供冷性能的评价指标有：湿球温度效率、能效比EER、送风温度及湿度等。对于M循环露点蒸发冷却器，因其送风温度会突破湿球温度，因此增加了露点温度效率这一重要指标，计算公式为[4-5]： ,,,,,,,,pdbinpdboutdppdbinpdpinttηtt （1）

图3 M循环蒸发冷却技术原理示意图

从上述分析可以看出，虽然三种蒸发冷却形式RIEC、DPIEC和MIEC的结构形式不同，但是采用的原理相同，都是利用水蒸发冷却原理，通过间接蒸发冷却一次空气，从被冷却的一次空气中分离一部分引入湿通道使湿表面蒸发制冷。这三种蒸发冷却方式都是利用空气的干球温度与露点温度之差作为冷却空气的驱动势，使一次空气送风温度接近甚至达到其露点温度。

2 关于M循环的研究

2.1 热力学分析

任承钦等人[6]采用室外空气的湿饱和状态作为参考状态点，对各种蒸发冷却方式进行分析，发现回热式蒸发冷却方式的性能最优，而且指出了各种蒸发冷却方式合理的使用原则及提高有用能利用率的发展方向。

陈俊萍等[7]对露点间接蒸发冷却器的实验研究，讨论了一次空气进口干球温度和相对湿度对效率和效比的影响，得到了该冷却器平均效率为58%，并与普通间接蒸发冷却器和回热式间接蒸发冷却器相比，分析了露点间接蒸发冷却器使有用能利用率得到提高的原因。

Hakan Caliskan等人[8]从能量和分析以及可持续性评价方面对M循环露点蒸发冷却系统和三种传统的间接蒸发冷却系统（见文献[6]，[9]，[10]）进行比较分析，参考温度取值为-5-50℃，当参考温度高于23℃时，M循环露点蒸发冷却系统的效率和可持续性评价指数高于三种传统的系统；当参考温度达到50℃，露点蒸发冷却系统效率达到最大值。在不同的参考温度下，作者还对不同动力驱动下的M循环露点间接蒸发冷却系统进行实验研究，在能源利用率和对环境的影响方面，结果表明以太阳能光伏电池为动力的系统优于传统电力驱动的系统[11]。

谢晓云和江亿[12]利用湿转化为显热且转换系数不变的原理，对不同结构的间接蒸发冷却制备冷水的流程进行分析，得到显热损失平衡原理，提出了改进的间接蒸发冷水机结构，从的角度对间接蒸发制备冷水的流程有了比较深入的认识。

陈群和袁芳[13]利用分析法和耗散热阻分析法研究了间接蒸发冷水机组性能优化问题，验证了当循环制冷量取最大值时，耗散热阻均取极小值而效率不是极大值，表明耗散热阻分析法更适合评价和分析间接蒸发冷却系统。作者基于理论提出了用全局优化方法对间接蒸发冷却系统的传热传质过程进行分析，利用耗散衡量系统中的不可逆性，结果表明对系统的最佳运行状况分析时，全局优化方法优于参数分析法[14]。

从以上文献可以看出，对于蒸发冷却过程的热力学分析，分析还是经常被采用的主要方法，效率被作为传热传质的性能评价指标来衡量蒸发冷却系统性能的优劣，以此寻找提高蒸发冷却性能的有效途径。但是从上述分析看出，分析仍然存在一定的问题，且没有找出统一的参考状态点的选取方法。而近几年随着湿、显热转换理论在传热传质过程中的提出和发展，在解决蒸发冷却问题上展现出了一定的优越性，给研究人员提供了一种全新的角度对间接蒸发冷却传热传质过程进行分析。

2.2 热工计算、分析及优化

M循环蒸发冷却的产出介质可以为冷风和冷水，按照产出介质或者获得冷量形式分为风侧利用和水侧利用[15]，下面从这两方面进行介绍。

2.2.1 风侧利用方面的研究

间接蒸发冷却器内的蒸发冷却过程是同时存在流动、传热和传质的复杂物理过程，要定性、定量的研究传热传质过程变化的影响因素以及合理地对冷却器进行优化分析，需要建立准确的数学计算模型。对已有的关于传热传质的理论计算模型进行分析，可以将理论计算模型分为两类：分析模型法和数值模拟法。

1）分析模型方法

Maclaine-cross和Banks[16]假设焓与湿球温度呈线性关系并且忽略水的热容量，建立了相应的传热传质计算模型，求解得到了一维的温度分布规律，计算结果表明改进的回热式蒸发冷却器的送风温度可以降低到进风的湿球温度以下。

Hsu和Lavan[17]忽略水膜厚度，假设水能自动补充，而且考虑了沿板方向的纵向导热，分别建立了适用于顺流、逆流及回热式间接蒸发冷却器的无量纲控制方程，通过与实验数据对比验证了模型的准确性并讨论了设计参数和NTU数对冷却效率的影响，研究表明回热式间接蒸发冷却器的效率最高。

Erens和Dreyer[18]对Popper模型和Merkel模型进行了比较，并且假定循环水温度为常数，建立了简化的计算模型。该模型可以较方便地用于小型系统的性能预测和初始设计计算，虽然计算结果精度有所下降，但可以缩短计算时间，提高计算效率。

Hasan[19]在传统的传热-单元数方法（ε-NTU）基础上，假设饱和湿空气的焓和温度呈线性关系，对势梯度、热容量和热传递系数重新定义，建立了通用的板式间接蒸发冷却器传热传质计算模型，并与前人的模拟和实验结果对比，证明了该计算模型不仅计算简单而且精度较高。