水蒸发相变冷却技术特性及节能性研究

水蒸发相变冷却技术特性及节能性研究§1水的相变及相图概述1.水蒸气是热力工程中最为常见的工质在18世纪发明的蒸气机，水蒸气是唯一的工质，直到内燃机发明，才有了燃气工质。尽管在各种热力设备或系统中，已采用了其他物质作为工质，如空气、各种制冷剂、燃气等等，但水蒸气目前仍是暖通、火力发电、核电、化工等行业热力设备或系统中最为普遍采用的工质。作为工质，水蒸气具备：来源丰富，耗资少，无毒无味，比热容大，传热好，良好的膨胀和载热性能等优点。2.水蒸气是实际气体水蒸气在工程应用中，一般处于离液态不远的状态，是一种实际气体。只有在空气中，由于其含量极小，可视作理想气体处理。在热力设备或系统工作过程中，涉及到物质的聚集态主要是液态和气态。那么，对于非理想气体的性质及其热力过程如何分析呢？本章将以水蒸汽为例，说明实际气体热力性质的基本特点和确定方法、参数计算以及基本热力过程分析的基本方法。重点内容：了解实际气体热力性质的基本特点，与理想气体的区别所在。

一、纯物质聚集态的变化纯物质通常以三种聚集态固相、液相及气相状态存在。1.纯物质聚集态的变化融解与凝固→固态与液态；汽化与凝结→液态与气态；升华与凝华→固态与气态。2.聚集态变化的影响因素纯物质种类、压力、温度二、纯物质的p-t相图1.p-t相图指在p-t图上，纯物质在发生聚集态变化时压力及温度的变化规律。如图1所示。注意：(1)三相点是三条相平衡曲线的交点。(2)临界点以上区域（虚线以上区域，即温度及压力均高于临界点温度及压力）为气液相不分或共存区域，只体现流体的特性。(3)多数物质压力增大将使凝固点温度增加。但对于水等少数物质，压力的增大将使其凝固点温度降低。图1纯物质的p-t相图2.几个基本概念

(1)三相点与临界点（每种纯物质的三相点与临界点的压力和温度都是唯一确定的。）临界状态(临界点)：临界点（状态）是气-液共存的状态，而且气、液的状态参数值相同，例如具有相同的比容、密度等等。▲任何纯物质都有自己唯一确定的临界状态，而且临界参数是唯一确定的，分别为临界温度Tc、临界压力pc和临界比容vc，是实际气体性质的重要参数。▲在p≥pc下，定压加热过程不存在汽化段，水由未饱和态直接变化为过热态。▲当t>tc时，无论压力多高都不可能使气体液化。▲在临界状态下，可能存在超流动特性。▲在临界状态附近，水及水蒸气有大比热容特性。三相点：在一定的温度和压力下，气相、液相和固相三相共存而处于平衡的状态，称为三相点，对应的温度和压力称为三相点温度和压力。▲三相点为实现气相和液相转变的最低点▲三相点是出现固相物质直接转变为气相物质的升华现象的起始点。▲对于每种物质，其三相点的温度及压力都有确定的数值，是实际气体性质的重要参数之一。(2)相平衡曲线：包括融解线（或与凝固线）；汽化线（或凝结线）；升华线（或凝华线）。(3)单相区：固相区、液相区及气相区。3.水的临界点水临界点：pc=22.129MPa，tc=374.15℃。4.水的三相点水三相点：pA=611.2Pa，tA=0.01℃。部分纯物质的三相点参数见表1。可以看出常温常压下为气态物质的三相点温度极低，而固态物质的三相点温度较高。部分纯物质的三相点参数mercury—汞，水银。zinc—锌(Zn)。三、汽化与凝结的微观解释1.汽化与凝结汽化是由液态变成气态的物理过程，其中工质需要吸收热量。而凝结则是由气态变成液态的物理过程，在此过程中工质需要放出热量。液体汽化有两种形式：蒸发和沸腾。蒸发是在液体表面进行的汽化现象。由于液体分子处于无规则的热运动状态，每个分子的动能大小不等，在液体表面总会有一些动能大的分子克服邻近分子的引力而逸出液面，形成蒸气，这就是蒸发。蒸发可以在任何温度下进行，但温度愈高，能量较大的分子愈多，蒸发愈强烈。与蒸发不同，在给定的压力下，沸腾是在某一特定温度（饱和温度）下发生、在液体内部和表面同时进行并且伴随着大量汽泡产生的剧烈的汽化现象。液体沸腾时，尽管对其继续加热，但液体的温度保持不变。凝结是汽化相反的过程，同沸腾现象相同只能在某一特定温度（饱和温度）下发生。2.微观解释

(1)密闭容器中的汽化与凝结当液体在有限的密闭空间内汽化时，则不仅有分子逸出液体表面而进入蒸气空间，而且也会有分子从蒸气空间落到液体表面，回到液体中。开始时，单位时间从液面逸出的分子多于返回液面的分子，蒸气空间中的分子数不断增加。但当蒸气空间中蒸气的密度达到一定程度时，在同一时间内逸出液面的分子就会与回到液面的分子数目相等，则气、液两相达到了动态平衡。见图2。

图2密闭容器中物质汽化与凝结的微观机理(2)具有自由液面的汽化

无论蒸发还是沸腾，如果液面上方是和大气相连的自由空间，那么一般情况下汽化过程可以一直进行到液体全部变为蒸气为止。(3)饱和状态上述液面上蒸气空间中的蒸气和液体两相达到动态平衡的状态称为饱和状态。使未饱和液体达到饱和状态的途径：3.饱和蒸气压曲线饱和温度与饱和压力存在一一对应关系，据两者的函数关系ps＝f(ts),绘出的曲线称为饱和蒸汽压曲线，如图3所示。对于水饱和蒸汽压函数关系为：，其中压力ps的单位为MPa。四、H2O的“五态”水蒸气的“五态”包括：未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽五种状态图3部分物质的饱和蒸气压曲线状态▲未饱和液体（Unsaturated-liquid）：t<ts(ps)，过冷度ts-t描述了远离饱和状态的程度。▲饱和液体(Saturated-liquid)、饱和湿蒸汽(Saturated

Wet-vapor)、饱和蒸汽(Saturated-Vapor)：均为饱和状态。其中的汽相称为饱和蒸汽，液相称为饱和液体，汽液共存则为饱和湿蒸汽。▲过热蒸汽（Supersaturated-vapor）：t>ts(ps)，过热度t-ts描述了远离饱和状态的程度。五、H2O的p-v-t热力学面以压力p、温度T及比容v的三维坐标系表示水的各种状态的曲面，称为p-v-T热力学面，如图4所示。图4

H2O的p-v-t热力学面前述的纯物质的p-t相图实际上是p-v-t热力学面在p-t坐标面上的投影，而p-v相图则是p-v-t热力学面在p-v坐标面上的投影，见图5图5p-v-t热力学面与p-t相图间的关系应该注意p-v-t热力学面包括：一个点：临界点；四个线：三个饱和线和一个三相线；六个区：三个单相区和三个两相区。§2蒸发冷却技术在数据中心的应用探讨随着电子信息行业的飞速发展，数据中心的发展也进入到一个新的阶段。根据工业和信息化部联合国家发展和改革委员会、国土资源部、国家电力监管委员会、国家能源局发布的《关于数据中心建设布局的指导意见》，数据中心将会朝着超大型和资源节约型的方向发展。数据中心中空调系统能耗是影响数据中心能耗的重要因素，空调系统的节能技术直接影响数据中心的PUE值（数据中心能效指标）。据悉，我国数据中心的能耗中约有40%用于空调系统，在合适的气候条件下，利用自然冷源替代人工冷源可以大大降低数据中心空调系统的能耗。蒸发冷却技术是一种利用干空气制取冷风或冷水的技术，可以根据末端的需要提供冷风或者冷水，为数据中心供冷。由于不需要使用传统的压缩机，所以其能耗较低，将这项技术应用在全年需要提供冷量的数据机房空调系统中，并配合人工冷源使用，节能潜力巨大；1蒸发冷却空调在我国数据中心的应用蒸发冷却技术是一项利用水蒸发吸热制冷的技术。蒸发冷却技术分为直接蒸发冷却（DEC）空调技术和间接蒸发冷却（IEC）技术。蒸发冷却空调具有节能、环保、经济和可提高室内空气质量的优点。我国GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》第5.3.24条规定：在满足使用要求的前提下，对于夏季空气调节室外计算湿球温度较低、温度的日较差大的地区，空气的冷却过程，宜采用直接蒸发冷却、间接蒸发冷却或直接蒸发冷却与间接蒸发冷却相结合的二级或三级冷却方式。现有的工业建筑工程中，蒸发冷却技术产生的冷风或者冷水不仅改善了人员的工作环境，而且可通过改进工艺流程可满足其他需求。蒸发冷却技术可以根据使用的环境和用户的需求灵活改变出风温度和出水温度，可以采用直接蒸发冷间接蒸发冷却、间接-直接两级蒸发冷却或间接-直接多级蒸发冷却等设备形式。1.1直接蒸发冷却在数据中心的应用（1）直接蒸发冷却在数据中心应用的气候分区

直接蒸发冷却（IEC）空调技术的核心元件是填料，水泵将蓄水池中的水提升至填料的顶部，通过布水器均匀地将水布置在填料上。在风机的作用下，空气与水在填料中充分接触，空气被等焓冷却，填料上多余的水最终回到位于填料底部的蓄水池中。填料也会起到一定的过滤作用，并在一定程度上可以过滤对电子设备有害的SO2气体。

在标准大气压力（101325Pa）下绘制焓湿图，以固定的室内状态点N（干球温度tdb=30℃，相对湿度φ=30%，露点温度tdp=10℃）和送风状态点O（干球温度tdb=20℃，相对湿度φ=53%，露点温度tdp=10℃）为例，分成了5个区域，如图6所示，蒸发式冷气机在不同区域以不同的模式运行。区域Ⅰ：室外空气干球温度和含湿量都低于送风状态点（室外空气干球温度≤20℃，露点温度≤10℃）。由于数据机房既需要冷却又需要加湿。此范围内的室外空气和室内回风混合，引入新风量从最小值变化到100%，通过蒸发式冷气机冷却加湿，提供了送风温度和湿度都合适的工况。

b.区域Ⅱ：室外空气的焓值低于送风状态点的焓值，且室外空气干球温度高于送风状态（干球温度＞20℃），含湿量低于室内回风状态点的含湿量（露点温度≤10℃）。此时，室外空气通过蒸发式冷气机加湿冷却即可满足要求。值得注意的是，图中的区域Ⅱ，在没有蒸发式冷气机的情况下，直接引入室外新风并不适合，需要机械制冷和加湿。

c.区域Ⅲ：室外空气的焓值介于送风状态点和室内回风状态点之间（室外空气的湿球温度介于14.1℃和17.5℃之间），且含湿量低于室内回风状态点的含湿量（露点温度≤10℃）。在此范围内，如果室外空气的温度低于室内温度，蒸发式冷气机不喷淋水，直接通入室外新风，有助于减少对机械制冷的需求。

d.区域ⅢA：室外空气的焓值低于室内回风状态点（湿球温度≤17.5℃），且含湿量高于于室内回风状态点的含湿量（露点温度＞10℃）。此范围内使用蒸发式冷气机需要更仔细的分析。此区域内的室外空气焓值小于室内回风焓值，蒸发式冷气机直接引入室外新风不但不喷淋水，还需要除湿，此时机房专用空调用于除湿的能耗费用可能会超过单独运行机房专用空调所需要的费用，使用蒸发式冷气机与机房专用空调联动控制方案的COP可能低于单独使用机房专用空调的COP（用机械制冷可获得显热冷却过程）。

e.区域Ⅳ：室外空气焓值高于室内回风状态点（湿球温度＞17.5℃）。此范围内，室外空气调节风阀应设定在最小位置，使得制冷能耗降到最低。引入的室外新风满足工作人员所需的最小新风量或室内正压即可。

（2）直接蒸发冷却技术在数据机房中的应用情况

直接蒸发冷却技术发展时间较长，直接蒸发式冷气机在数据机房中已经得到广泛应用，主要的应用形式有两种：一种是直接在数据机房中设置蒸发式冷气机，并且增加排风系统，与蒸发式冷气机配合。与此同时，将蒸发式冷气机与数据机房专用空调进行联动使用，达到节能目的；另一种是在使用蒸发式冷气机的同时，让一部分回风与冷气机处理后的空气混合（如图7），这种形式可以增加冬季数据机房的加湿量;图7哥伦比亚大学数据中心应用蒸发式冷气机在我国福建省，蒸发式冷气机在各大通信运营商的电子信息内机房中也得到广泛应用，并且节能潜力明显。截至2010年10月，中国联通福建分公司在全省共完成535个基站的节能改造，安装535台通信基站专用直接蒸发式冷气机，每年节省电费约375万元，年节能率在30%~90%图8福建联通应用蒸发式冷气机1.2间接蒸发冷却在数据机房中的应用间接蒸发冷却（IEC）空调技术是产出介质（空气或水）与工作介质（空气和水）间接接触进行热湿交换，产出介质与工作介质之间不存在质的交换，仅是显热的交换，以获取冷风或冷水的技术。管式间接蒸发冷却技术以其较高的效率和不宜堵塞的特点，在我国的部分数据机房已经得到应用。（1）管式间接蒸发冷却技术管式间接蒸发冷却器中，一次空气在管内流过，在管组上方由布水装置淋水，在管外壁形成水膜，二次空气自下而上横掠管束，与管外水膜发生热、湿交换（图8）。传热管可以采用圆管或椭圆管，材料为聚氯乙烯等高分子材料或铝箔。管外可以包覆吸水性纤维材料，使管外侧保持均匀的水膜，以增强蒸发冷却的效果。尽管管式间接蒸发空气冷却器的紧凑性不及板式，但它能弥补板式的不足：管式间接蒸发冷却器通过合理设计布水装置，做到布水均匀，形成稳定水膜，有利于蒸发冷却的进行；流道较宽，不会产生堵塞，因而流动阻力小；容易清洗；成本低。目前蒸发冷却空调工程中越来越多地使用管式间接蒸发空气冷却器。图8管式间接蒸发冷却器结构图及实物管式间接-直接蒸发冷却空气处理机组的产出空气温度理论上可以达到入口空气的亚湿球温度（湿球温度以下，露点温度以上）。管式间接-直接蒸发冷却空气处理机组的产出空气处理过程（直流式系统）如图9所示，入口空气W经过间接蒸发冷却至W1，W1点的空气经过直接蒸发冷却至O点，送入机房完成处理过程至N。图9管式间接-直接蒸发冷却空调机组空气处理（直流式）焓湿图（2）管式间接蒸发冷却技术在数据机房中的应用情况

a.工程案例

西安某数据机房建筑面积440m2，该机房的空调冷负荷为454W/m2。采用全空气空调系统，配备有1台额定风量为42000m3/h的蒸发冷却与机械制冷联合空气处理机组，该企业为了响应国家节能减排的号召，将该数据机房室内热环境可以接受的温度上限调整为30℃。

该空气处理机组由初效过滤段、管式间接蒸发冷却段、混合段、中效过滤段、低温表冷段、直接蒸发冷却段和送风段组成，机组结构组成如图10所示，机组实物照片如图11所示。图10蒸发冷却优化后空气处理机组结构示意图图11蒸发冷却优化后空气处理机组实物照片b.系统运行模式

如图12所示，该套空气处理机组在过渡季节关闭阀门2，开启阀门3和阀门1（见图13），采用直流式系统运行。过渡季节中室外温度低于室内温度，利用室外的一部分自然冷源，通过间接-直接蒸发冷却机组处理，送入室内，以保证室内的温湿度要求。该系统处理空气的过程如图13所示，室外空气由Wg经过管式间接段处理至W’，然后通过直接蒸发冷却段处理为O点，满足要求送入室内至N（ε为热温比，下同）。图12蒸发冷却优化后的空气处理系统图图13过渡季节系统处理过程在夏季,开启管式间接-表冷器的运行模式，采用新回风混合系统，这种模式是在通信机房有新风要求或者夏季个别时间室外温度较低的情况下开启，管式间接段可以对室外进入的新风进行预冷，从而达到节能的目的。系统处理的过程见图14，室外新风Wx经过间接蒸发冷却至W’点，与回风混合至C，经过低温表冷器和直接蒸发冷却处理至O，送入室内至N。图14夏季运行模式处理过程冬季室外温度远低于室内温度，而且通信机房内相对湿度较低，所以在冬季应只开启直接蒸发冷却段的运行模式，新风进入混合段后与一部分回风混合再经过直接蒸发冷却段，这种运行模式的原理如图15所示，室外自然新风Wd与室内回风混合至C点，经过直接蒸发冷却至O点，送入室内至N点。图15冬季运行模式的处理过程c.过渡季节测试结果分析

在过渡季节该空调机组开启间接蒸发冷却段和直接蒸发冷却段，系统采用直流运行方式。运行间接-直接蒸发冷却空调机组时，实测室内送风量为31590m3/h，室内的机械排风量为13472m3/h，机械排风量占送风量的42.6%，由于该数据机房空调系统为后期改造而成，原空调系统的排风是根据工艺排风设计的，所以排风量设计较小，在使用蒸发冷却全新风运行时，室内正压较大，导致送风量相应减小，并未达到设计送风量。单独开启蒸发冷却空调系统时，管式间接蒸发冷却段的全热制冷量约为89.5kW，直接蒸发冷却段的显热制冷量约为84.9kW，总显热制冷量为175kW。管式间接段的工作空气（二次空气）风量为22572m3/h，二/一次空气比约为0.71。

d.能效分析

在进行上述测试的同时，对蒸发冷却系统中的所有用电设备的输入电流进行测量，根据额定电压计算出其实际的输入功率，然后计算出系统的能效比，运行管式间接+直接两级蒸发冷却空气处理系统时，系统的能效比为10.7。运行机械制冷系统时，系统能效比约为2.5。

西安属于中等湿度地区，所以蒸发冷却空气处理机组间接蒸发冷却段的冷却效率取0.65，蒸发冷却空气处理机组直接蒸发冷却段的冷却效率取0.9。对西安地区管式间接-直接蒸发冷却空气处理机组的出风温度进行统计，统计的基础气象数据来自《中国建筑热环境分析专用气象数据集》的逐时气象参数，全年共有8760组数据，在对这些数据进行计算后，统计西安地区管式间接-直接蒸发冷却空气处理机组风温度0～14℃区间的小时数，西安地区管式间接-直接蒸发冷却空气处理机组出风温度能够保证的小时数统计结果如图12所示。全年管式间接-直接蒸发冷却空气处理机组能够保证送风温度在0～14℃的小时数为3400小时。在过渡季节测试结果的基础上，根据间接+直接两级蒸发冷却空调系统和机械制冷的能效比进行计算，蒸发冷却空调系统全年耗电55420kW/h，机械制冷空调系统在这3400小时内的耗电量为234600kW/h。蒸发冷却空气处理机组耗电量占到原有机械制冷空调系统耗电量的23.6%。图16间接+直接蒸发冷却空气处理机组出风0～14℃小时数（h）

2蒸发冷却系统在数据机房应用中的问题

2.1设备组成形式

管式间接+直接蒸发冷却系统与机械制冷联合空气处理系统在数据机房已经有了应用的先例。在该项目中混合段设置在管式间接段后，使得管式间接段不能处理数据机房中的回风，多数数据机房室内回风干球温度较高，湿球温度较低，干湿球温差较大，蒸发冷却技术适合处理干湿球温差较大的空气，所以应该将混风段设置在管式间接段前，如图17所示。图17一种数据机房蒸发冷却空气系统该系统可在新风湿度较高的时候，于管式间接段前可以混合一部分回风，以充分发挥管式间接段的作用。在夏季，室外温度高于室内回风的时候，室内回风可以先通过管式间接段预冷，再进入低温表冷段，减少机械制冷段的显热负荷。在冬季寒冷的室外新风与室内回风先混合再处理的工况，一方面可以避免新风口处结冰造成风量过小的隐患。另一方面提高了空气容纳水蒸气的能力，提供了湿度适宜的送风。防止了冬季室外空气的含湿量比较低，直接引入新风的方式造成的室内空气越来越干燥，且过低的相对湿度产生的静电可能击穿机房电路板的危险。

2.2蒸发冷却系统形式

在现有的数据机房工程中，多采用蒸发冷却空气处理机组，而空气的比热容是非常小的，在一些IDC（InternetDataCenter）机房冷负荷已经超过1000W/m2，在这类数据机房中空气处理机组已经不能满足室内的热环境要求。蒸发冷却冷水机组在很多项目中已经得到应用，所以开发一种蒸发冷却冷水机组与机械制冷联合制冷系统显得尤为重要。

如图18所示，该系统是一种数据机房用外冷式蒸发冷却与机械制冷复合空调系统，特点是将蒸发冷却冷水机组放置于空调机房外，可根据数据机房冷负荷需求配备较大型的蒸发冷却设备。图18一种数据机房用外冷式蒸发冷却与机械制冷复合空调系统2.3蒸发冷却与机械制冷联动模式

蒸发冷却空调技术越来越多的应用到数据机房中，但蒸发冷却空调并不能取代机械制冷空调的作用，这两种空调技术应该是相辅相成的，即采取蒸发冷却与机械制冷的联动模式在过渡季节以及能够使用蒸发冷却空调的时候尽量采用蒸发冷却空调，充分发挥它的节能优势，为运营商节省运营成本。当蒸发冷却空调提供的冷量不能满足机房热环境需求的时候，关闭蒸发冷却空调系统，开启机械制冷。但在一些时候，联动系统会频繁地切换蒸发冷却空调和机械制冷空调，由于蒸发冷却空调还有增加空气湿度的作用，所以当刚刚开启机械制冷空调的时候，蒸发冷却空调为室内增加的湿量就成为机械制冷空调的湿负荷，增加了能耗。如何优化蒸发冷却空调与机械制冷空调之间的联动关系，成为蒸发冷却在数据机房中更好地应用所需解决的一个问题。

3结语

蒸发冷却在我国的数据机房中的应用已经得到一部分用户的认可，比如西安某数据机房采用的蒸发冷却与机械制冷联合空气处理机组已经得到肯定。当前，实际项目中的蒸发冷却设备多为节能改造后所添加，如果能在数据机房空调系统设计时考虑采用蒸发冷却技术，根据工程实际情况，充分的考虑设备组成形式、蒸发冷却系统形式和蒸发冷却与机械制冷系统的联动模式，可以将蒸发冷却技术的节能环保优势发挥的更好，从蒸发冷却在数据机房应用的效果来看，该技术应该在电子信息行业得到推广。§3水直接蒸发冷却空调与压缩制冷节能性对比分析节约能源是我国经济和社会发展的一项战略任务。建设节能型社会，促进经济可持续发展，是实现全面建设小康社会宏伟目标，构建和谐社会的重要基础保障。中央空调是现代建筑中不可缺少的能耗运行系统，其在给人们提供舒适的生活和工作环境的同时，又消耗掉了大量的能源。近期，出现了一种新型的节能空调，它的耗电量仅为传统压缩式中央空调的八分之一，那就是水直接蒸发冷却空调。中国高峰时段电力供需缺口达2000万千瓦～3000万千瓦，而目前空调能耗已占全国耗电量的15％左右，在夏季用电高峰时期，空调用电负荷甚至高达城镇总体用电负荷的40％。另据业内人士分析传统的中央空调系统普遍存在着30％以上的无效能耗，换句话说，中央空调系统一般都存在着30％的节能空间。在此基础上进行的空调节能一般也只能减少30％左右的能耗。可以肯定，在这样的大背景下，作为耗电大户的中央空调首当其冲地成为建立资源节约型社会所必须提倡节能的产品，既可以缓解能源紧张，又能够节省费用。目前，水直接蒸发冷却的空调分为两种：1．填料式循环水泵不间断地把水槽内的水抽出，并通过水分布器均匀地将水分布在蜂窝过滤网层上。周围空气经过外壳百叶进入蜂窝过滤网层，在蜂窝过滤网内与水进行充分的湿热交换。因水蒸发而降温的清凉洁净的空气由低噪声离心风机加压送入室内，这就是填料式的水直接蒸发冷却的原理。如澳大利亚的喜来尔冷气机，瑞典的奈特的加湿降温器。2．无填料式一方面，当进入的热水(低于周围空气的温度)通过旋转喷嘴喷射，使水雾化；另一方面，由于作用、反作用力而使