Охладители воздуха, работающие на испарении воды

Охладитель воздуха: принцип работы, преимущества и отличия от кондиционеров. Экономичное охлаждение через испарение воды – экологичная альтернатива!

22 мин чтения

100%

Источник: Evaporative cooler — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Устройство, охлаждающее воздух за счет испарения воды.
Кондиционирование воздуха.

Испарительный охладитель (также известный как испарительный кондиционер, болотистый охладитель, болотистый ящик, пустынный охладитель и влажный воздушный охладитель) – это устройство, охлаждающее воздух путем испарения воды. Испарительное охлаждение отличается от других систем кондиционирования воздуха, использующих циклы компрессионного или абсорбционного охлаждения. Испарительное охлаждение основано на том, что вода поглощает относительно большое количество тепла при испарении (то есть обладает высокой теплотой парообразования). Температура сухого воздуха может быть значительно снижена благодаря фазовому переходу из жидкого состояния в водяной пар (испарению). Это позволяет охлаждать воздух, потребляя гораздо меньше энергии, чем при использовании холодильного оборудования. В исключительно сухом климате испарительное охлаждение воздуха имеет дополнительное преимущество – увлажнение воздуха для комфорта находящихся в помещении людей. Потенциал охлаждения при испарительном охлаждении зависит от депрессии влажного термометра, то есть разницы между температурой сухого и влажного термометров (см. относительную влажность). В засушливом климате испарительное охлаждение может снизить энергопотребление и общую потребность в оборудовании для кондиционирования, являясь альтернативой охлаждению на основе компрессора. В климате, не относящемся к засушливому, непрямое испарительное охлаждение позволяет использовать процесс испарительного охлаждения без повышения влажности. Пассивные стратегии испарительного охлаждения могут обеспечить те же преимущества, что и механические системы испарительного охлаждения, без сложности оборудования и воздуховодов.

История

Более ранняя форма испарительного охлаждения, ветроловка, впервые использовалась в Древнем Египте и Персии тысячи лет назад в виде ветровых шахт на крыше. Они улавливали ветер, пропускали его через подземные воды в канате и выпускали охлажденный воздух в здание. Современные иранцы широко используют принудительные испарительные охладители (coolere âbi). Испарительный охладитель был объектом многочисленных патентов США в 20-м веке; многие из них, начиная с 1906 года, предлагали или предполагали использование наполнителя из древесной шерсти (excelsior) в качестве элементов, обеспечивающих контакт большого объема воды с движущимся воздухом для осуществления испарения. Типичная конструкция, показанная в патенте 1945 года, включает в себя резервуар для воды (обычно с уровнем, контролируемым поплавковым клапаном), насос для циркуляции воды через древесношерстяные подушки и центробежный вентилятор для подачи воздуха через подушки и в помещение. Эта конструкция и этот материал остаются преобладающими в испарительных охладителях на юго-западе Америки, где они также используются для повышения влажности. В Соединенных Штатах использование термина "болотный охладитель" может быть связано с запахом водорослей, выделяемым ранними моделями. Внешние устройства испарительного охлаждения (автомобильные охладители) использовались в некоторых автомобилях для охлаждения воздуха в салоне — часто как дополнительное оборудование — до широкого распространения современных компрессионных кондиционеров. Пассивные методы испарительного охлаждения в зданиях на протяжении веков были характерной чертой пустынной архитектуры, но западное признание, изучение, внедрение инноваций и коммерческое применение относительно недавние. В 1974 году Уильям Геттл заметил принцип работы технологии испарительного охлаждения в засушливом климате, предположил, что комбинированное устройство может быть более эффективным, и изобрел "Систему высокой эффективности Astro Air Piggyback" — комбинированный холодильник и испарительный кондиционер. В 1986 году исследователи из Университета Аризоны У. Каннингем и Т. Томпсон построили пассивную башню испарительного охлаждения, а данные о производительности этого экспериментального объекта в Тусоне, штат Аризона, стали основой для разработки рекомендаций по проектированию башен испарительного охлаждения, разработанных Барухом Гивони.

An earlier form of evaporative cooling, the windcatcher, was first used in ancient Egypt and Persia thousands of years ago in the form of wind shafts on the roof. They caught the wind, passed it over subterranean water in a qanat and discharged the cooled air into the building. Modern Iranians have widely adopted powered evaporative coolers (coolere âbi). The evaporative cooler was the subject of numerous US patents in the 20th century; many of these, starting in 1906, suggested or assumed the use of excelsior (wood wool) pads as the elements to bring a large volume of water in contact with moving air to allow evaporation to occur. A typical design, as shown in a 1945 patent, includes a water reservoir (usually with level controlled by a float valve), a pump to circulate water over the excelsior pads and a centrifugal fan to draw air through the pads and into the house. This design and this material remain dominant in evaporative coolers in the American Southwest, where they are also used to increase humidity. In the United States, the use of the term swamp cooler may be due to the odor of algae produced by early units. Externally mounted evaporative cooling devices (car coolers) were used in some automobiles to cool interior air—often as aftermarket accessories—until modern vapor compression air conditioning became widely available. Passive evaporative cooling techniques in buildings have been a feature of desert architecture for centuries, but Western acceptance, study, innovation, and commercial application are all relatively recent. In 1974, William H. Goettl noticed how evaporative cooling technology works in arid climates, speculated that a combination unit could be more effective, and invented the "High Efficiency Astro Air Piggyback System", a combination refrigeration and evaporative cooling air conditioner. In 1986, University of Arizona researchers W. Cunningham and T. Thompson built a passive evaporative cooling tower, and performance data from this experimental facility in Tucson, Arizona became the foundation of evaporative cooling tower design guidelines developed by Baruch Givoni.

Физические принципы

Испарительные охладители снижают температуру воздуха, используя принцип испарительного охлаждения, в отличие от типичных систем кондиционирования воздуха, которые используют охлаждение сжатием пара или абсорбционное охлаждение. Испарительное охлаждение – это преобразование жидкой воды в пар с использованием тепловой энергии воздуха, что приводит к снижению температуры воздуха. Энергия, необходимая для испарения воды, отбирается из воздуха в виде ощутимого тепла, влияющего на температуру воздуха, и преобразуется в скрытое тепло, энергию, содержащуюся в водяном паре в воздухе, при этом энтальпия воздуха остается постоянной. Это преобразование ощутимого тепла в скрытое известно как изоэнтальпийный процесс, поскольку оно происходит при постоянной энтальпии. Таким образом, испарительное охлаждение вызывает снижение температуры воздуха пропорционально уменьшению ощутимого тепла и увеличение влажности пропорционально увеличению скрытого тепла. Испарительное охлаждение можно визуализировать на психометрической диаграмме, определив начальное состояние воздуха и перемещаясь по линии постоянной энтальпии к состоянию с более высокой влажностью. Простым примером естественного испарительного охлаждения является потоотделение, выделяемое организмом, испарение которого охлаждает тело. Количество теплопередачи зависит от скорости испарения, однако на каждый килограмм испаренной воды передается 2257 кДж энергии (около 890 БТЕ на фунт чистой воды при 95 °F (35 °C)). Скорость испарения зависит от температуры и влажности воздуха, поэтому в сырые дни потоотделение усиливается, поскольку оно не испаряется достаточно быстро. Охлаждение сжатием пара использует испарительное охлаждение, но испаренный пар находится в герметичной системе и затем сжимается для повторного испарения, с затратой энергии. Вода из простого испарительного охладителя испаряется в окружающую среду и не рециркулируется. В помещении испаренная вода поступает в пространство вместе с охлажденным воздухом; в испарительной башне испаренная вода уносится в выхлопном потоке воздуха.

Evaporative coolers lower the temperature of air using the principle of evaporative cooling, unlike typical air conditioning systems which use vapor compression refrigeration or absorption refrigeration. Evaporative cooling is the conversion of liquid water into vapor using the thermal energy in the air, resulting in a lower air temperature. The energy needed to evaporate the water is taken from the air in the form of sensible heat, which affects the temperature of the air, and converted into latent heat, the energy present in the water vapor component of the air, whilst the air remains at a constant enthalpy value. This conversion of sensible heat to latent heat is known as an isenthalpic process because it occurs at a constant enthalpy value. Evaporative cooling therefore causes a drop in the temperature of air proportional to the sensible heat drop and an increase in humidity proportional to the latent heat gain. Evaporative cooling can be visualized using a psychrometric chart by finding the initial air condition and moving along a line of constant enthalpy toward a state of higher humidity. A simple example of natural evaporative cooling is perspiration, or sweat, secreted by the body, evaporation of which cools the body. The amount of heat transfer depends on the evaporation rate, however for each kilogram of water vaporized 2,257 kJ of energy (about 890 BTU per pound of pure water, at 95 °F (35 °C)) are transferred. The evaporation rate depends on the temperature and humidity of the air, which is why sweat accumulates more on humid days, as it does not evaporate fast enough. Vapor compression refrigeration uses evaporative cooling, but the evaporated vapor is within a sealed system, and is then compressed ready to evaporate again, using energy to do so. A simple
evaporative cooler's water is evaporated into the environment, and not recovered. In an interior space cooling unit, the evaporated water is introduced into the space along with the now cooled air; in an evaporative tower the evaporated water is carried off in the airflow exhaust.

Другие типы фазового охлаждения

Тесно связанный процесс, сублимационное охлаждение, отличается от испарительного охлаждения тем, что происходит фазовый переход из твердого состояния в газообразное, а не из жидкого в газообразное. Сублимационное охлаждение наблюдается в планетарном масштабе на планетоиде Плутон, где его называют антипарниковым эффектом. Другое применение фазового перехода для охлаждения – "самоохлаждающаяся" банка с напитком. В отдельном отсеке внутри банки содержится осушитель и жидкость. Непосредственно перед употреблением оттягивается язычок, чтобы осушитель вступил в контакт с жидкостью и растворился. В процессе этого он поглощает количество тепловой энергии, называемое скрытой теплотой плавления. Испарительное охлаждение использует фазовый переход жидкости в пар и скрытую теплоту испарения, а самоохлаждающаяся банка использует переход из твердого состояния в жидкое и скрытую теплоту плавления для достижения того же результата.

Приложения

До появления современных холодильников испарительное охлаждение использовалось на протяжении тысячелетий, например, в канатах, ветроуловителях и машрабиях. Пористая глиняная емкость охлаждала воду за счет испарения через ее стенки; фрески, датируемые примерно 2500 годом до н.э., изображают рабов, обмахивающих банки с водой, чтобы охладить помещения. В качестве альтернативы, миску с молоком или маслом можно было поместить в другую миску, наполненную водой, и все это накрыть влажной тканью, лежащей в воде, чтобы молоко или масло оставались как можно свежее (см. zeer, botijo и Coolgardie safe). Испарительное охлаждение – распространенный способ охлаждения зданий для обеспечения теплового комфорта, поскольку оно относительно дешево и требует меньше энергии, чем другие методы охлаждения. Диаграмма с данными о погоде в Солт-Лейк-Сити представляет типичный летний климат (с июня по сентябрь). Цветные линии иллюстрируют потенциал стратегий прямого и косвенного испарительного охлаждения для расширения диапазона комфорта летом. Это объясняется, главным образом, сочетанием более высокой скорости воздуха, с одной стороны, и повышенной влажности в помещении, когда регион позволяет использовать стратегию прямого испарительного охлаждения, с другой. Стратегии испарительного охлаждения, включающие увлажнение воздуха, следует применять в сухих условиях, где увеличение содержания влаги остается в пределах рекомендуемых значений для комфорта и качества воздуха в помещении. Пассивные охлаждающие башни не обеспечивают такого контроля, как традиционные системы ОВКВ. Однако дополнительное движение воздуха в помещении может повысить комфорт находящихся в нем людей. Испарительное охлаждение наиболее эффективно при низкой относительной влажности, что ограничивает его популярность в сухих климатических зонах. Испарительное охлаждение значительно повышает влажность в помещении, что может быть оценено жителями пустыни, поскольку влажный воздух увлажняет сухую кожу и слизистые оболочки. Поэтому оценка типичных климатических данных является важной процедурой для определения потенциала стратегий испарительного охлаждения для здания. Три наиболее важных климатических показателя – температура сухого термометра, температура влажного термометра и депрессия влажного термометра в типичный летний день. Важно определить, может ли депрессия влажного термометра обеспечить достаточное охлаждение в течение летнего дня. Вычитая депрессию влажного термометра из температуры сухого термометра наружного воздуха, можно оценить приблизительную температуру воздуха, выходящего из испарительного охладителя. Важно учитывать, что способность температуры сухого термометра наружного воздуха достигать температуры влажного термометра зависит от эффективности насыщения. Общая рекомендация по применению прямого испарительного охлаждения – реализовывать его в местах, где температура влажного термометра наружного воздуха не превышает… Простые устройства испарительного охлаждения, такие как испарительные охлаждающие камеры (ECC), глиняные горшки-охладители или холодильники типа «горшок в горшке», являются простыми и недорогими способами сохранить овощи свежими без использования электричества. Многие жаркие и сухие регионы мира могут потенциально извлечь выгоду из испарительного охлаждения, включая Северную Африку, регион Сахель в Африке, Африканский Рог, южную Африку, Ближний Восток, засушливые регионы Южной Азии и Австралию. Преимущества испарительных охлаждающих камер для многих сельских общин в этих регионах включают сокращение потерь урожая после сбора, экономию времени на поездки на рынок, денежную экономию и повышение доступности овощей для потребления. Испарительное охлаждение широко используется в криогенных приложениях. Пары над резервуаром криогенной жидкости откачиваются, и жидкость непрерывно испаряется, пока давление паров жидкости остается значительным. Испарительное охлаждение обычного гелия создает 1 К-пот, который может охлаждаться до температуры не менее 1,2 К. Испарительное охлаждение гелия-3 может обеспечить температуры ниже 300 мК. Эти методы можно использовать для изготовления криокулеров или в качестве компонентов криостатов с более низкой температурой, таких как холодильники разбавления. По мере снижения температуры давление паров жидкости также падает, и охлаждение становится менее эффективным. Это устанавливает нижний предел температуры, достижимой с данной жидкостью. Испарительное охлаждение также является последним этапом охлаждения для достижения сверхнизких температур, необходимых для конденсации Бозе-Эйнштейна (BEC). Здесь так называемое принудительное испарительное охлаждение используется для селективного удаления высокоэнергетических («горячих») атомов из атомного облака, пока оставшееся облако не будет охлаждено ниже температуры перехода BEC. Для облака из 1 миллиона щелочных атомов эта температура составляет около 1 мкК. Хотя роботизированные космические аппараты используют почти исключительно тепловое излучение, многие пилотируемые космические аппараты имеют короткие миссии, которые допускают использование открытого цикла испарительного охлаждения. Примеры включают космический челнок, командный и служебный модуль (CSM) «Аполлона», лунный модуль и переносную систему жизнеобеспечения. CSM «Аполлона» и космический челнок также были оснащены радиаторами, а челнок мог испарять аммиак, а также воду. Космический корабль «Аполлон» использовал сублиматоры – компактные и в основном пассивные устройства, которые сбрасывают отходящее тепло в виде водяного пара (пара), который выбрасывается в космос. При воздействии жидкой воды на вакуум она интенсивно кипит, унося достаточно тепла для замораживания остальной части в лед, который покрывает сублиматор и автоматически регулирует подачу воды в зависимости от тепловой нагрузки. Расходуемая вода часто доступна в избытке от топливных элементов, используемых многими пилотируемыми космическими аппаратами для производства электроэнергии.

Before the advent of modern refrigeration, evaporative cooling was used for millennia, for instance in qanats, windcatchers, and mashrabiyas. A porous earthenware vessel would cool water by evaporation through its walls; frescoes from about 2500 BCE show slaves fanning jars of water to cool rooms. Alternatively, a bowl filled with milk or butter could be placed in another bowl filled with water, all being covered with a wet cloth resting in the water, to keep the milk or butter as fresh as possible (see zeer, botijo and Coolgardie safe). Evaporative cooling is a common form of cooling buildings for thermal comfort since it is relatively cheap and requires less energy than other forms of cooling. The figure showing the Salt Lake City weather data represents the typical summer climate (June to September). The colored lines illustrate the potential of direct and indirect evaporative cooling strategies to expand the comfort range in summer time. It is mainly explained by the combination of a higher air speed on one hand and elevated indoor humidity when the region permits the direct evaporative cooling strategy on the other hand. Evaporative cooling strategies that involve the humidification of the air should be implemented in dry condition where the increase in moisture content stays below recommendations for occupant's comfort and indoor air quality. Passive cooling towers lack the control that traditional HVAC systems offer to occupants. However, the additional air movement provided into the space can improve occupant comfort. Evaporative cooling is most effective when the relative humidity is on the low side, limiting its popularity to dry climates. Evaporative cooling raises the internal humidity level significantly, which desert inhabitants may appreciate as the moist air re hydrates dry skin and sinuses. Therefore, assessing typical climate data is an essential procedure to determine the potential of evaporative cooling strategies for a building. The three most important climate considerations are dry bulb temperature, wet bulb temperature, and wet bulb depression during a typical summer day. It is important to determine if the wet bulb depression can provide sufficient cooling during the summer day. By subtracting the wet bulb depression from the outside dry bulb temperature, one can estimate the approximate air temperature leaving the evaporative cooler. It is important to consider that the ability for the exterior dry bulb temperature to reach the wet bulb temperature depends on the saturation efficiency. A general recommendation for applying direct evaporative cooling is to implement it in places where the wet bulb temperature of the outdoor air does not exceed Simple evaporative cooling devices such as evaporative cooling chambers (ECCs) and clay pot coolers, or pot in pot refrigerators, are simple and inexpensive ways to keep vegetables fresh without the use of electricity. Several hot and dry regions throughout the world could potentially benefit from evaporative cooling, including North Africa, the Sahel region of Africa, the Horn of Africa, southern Africa, the Middle East, arid regions of South Asia, and Australia. Benefits of evaporative cooling chambers for many rural communities in these regions include reduced post harvest loss, less time spent traveling to the market, monetary savings, and increased availability of vegetables for consumption. Evaporative cooling is commonly used in cryogenic applications. The vapor above a reservoir of cryogenic liquid is pumped away, and the liquid continuously evaporates as long as the liquid's vapor pressure is significant. Evaporative cooling of ordinary helium forms a 1 K pot, which can cool to at least 1.2 K. Evaporative cooling of helium 3 can provide temperatures below 300 mK. These techniques can be used to make cryocoolers, or as components of lower temperature cryostats such as dilution refrigerators. As the temperature decreases, the vapor pressure of the liquid also falls, and cooling becomes less effective. This sets a lower limit to the temperature attainable with a given liquid. Evaporative cooling is also the last cooling step in order to reach the ultra low temperatures required for Bose–Einstein condensation (BEC). Here, so called forced evaporative cooling is used to selectively remove high energetic ("hot") atoms from an atom cloud until the remaining cloud is cooled below the BEC transition temperature. For a cloud of 1 million alkali atoms, this temperature is about 1μK. Although robotic spacecraft use thermal radiation almost exclusively, many crewed spacecraft have short missions that permit open cycle evaporative cooling. Examples include the Space Shuttle, the Apollo command and service module (CSM), lunar module and portable life support system. The Apollo CSM and the Space Shuttle also had radiators, and the Shuttle could evaporate ammonia as well as water. The Apollo spacecraft used sublimators, compact and largely passive devices that dump waste heat in water vapor (steam) that is vented to space. When liquid water is exposed to vacuum it boils vigorously, carrying away enough heat to freeze the remainder to ice that covers the sublimator and automatically regulates the feedwater flow depending on the heat load. The water expended is often available in surplus from the fuel cells used by many crewed spacecraft to produce electricity.

Конструкции

Большинство конструкций используют тот факт, что вода обладает одной из самых высоких известных энтальпий испарения (скрытой теплоты испарения) среди распространенных веществ. Благодаря этому испарительные охладители потребляют лишь малую часть энергии по сравнению с компрессионными или абсорбционными системами кондиционирования воздуха. За исключением очень сухих климатических условий, одноступенчатый (прямой) охладитель может повысить относительную влажность (ОВ) до уровня, создающего дискомфорт для находящихся в помещении людей. Непрямые и двухступенчатые испарительные охладители поддерживают более низкую относительную влажность.

Прямое испарительное охлаждение

Прямое испарительное охлаждение (открытый цикл) используется для понижения температуры и повышения влажности воздуха за счет скрытой теплоты испарения, превращая жидкую воду в водяной пар. В этом процессе энергия воздуха не изменяется. Теплый сухой воздух преобразуется в прохладный влажный. Тепло наружного воздуха используется для испарения воды. Относительная влажность повышается до 70–90%, что снижает охлаждающий эффект потоотделения человека. Влажный воздух необходимо постоянно удалять наружу, иначе воздух насытится и испарение прекратится. Механический прямой испарительный охладитель использует вентилятор для подачи воздуха через смоченную мембрану или панель, которая обеспечивает большую площадь поверхности для испарения воды в воздух. Вода распыляется сверху на панель, чтобы она стекала в мембрану и постоянно поддерживала ее насыщенность. Избыток воды, стекающий с нижней части мембраны, собирается в поддон и рециркулируется обратно наверх. Одноступенчатые прямые испарительные охладители обычно имеют небольшие размеры, поскольку состоят только из мембраны, водяного насоса и центробежного вентилятора. Минеральный состав водопроводной воды вызывает образование накипи на мембране, что приводит к ее засорению в течение срока службы. В зависимости от содержания минералов и скорости испарения требуется регулярная очистка и техническое обслуживание для обеспечения оптимальной производительности. Как правило, приточный воздух от одноступенчатого испарительного охладителя необходимо выводить непосредственно (однопроходный поток), как и при прямом испарительном охлаждении. Разработано несколько конструктивных решений для использования энергии воздуха, например, направление вытяжного воздуха через два листа двойного остекления, тем самым снижая поглощение солнечной энергии через стеклопакет. По сравнению с энергией, необходимой для достижения эквивалентной холодопроизводительности компрессором, одноступенчатые испарительные охладители потребляют меньше энергии. Экономия энергии при использовании пассивной стратегии прямого испарительного охлаждения зависит от климата и тепловой нагрузки. Для засушливых климатов с большой разницей между температурой сухого и влажного термометра градирни могут обеспечить достаточное охлаждение в летних проектных условиях для достижения нулевого энергопотребления. Например, магазин площадью 371 м² (4000 футов²) в Тусоне, штат Аризона, с ощутимым тепловым приростом 29,3 кДж/ч (100 000 БТЕ/ч) может быть полностью охлажден двумя пассивными градирнями, обеспечивающими производительность 11 890 м³/ч (7000 куб. футов/мин) каждая. Для центра для посетителей Национального парка Зайон, который использует две пассивные градирни, удельная энергоемкость охлаждения составила 14,5 МДж/м² (1,28 кБТЕ/фут²), что на 77% меньше, чем в типичном здании на западе Соединенных Штатов, которое потребляет 62,5 МДж/м² (5,5 кБТЕ/фут²). Исследование результатов полевых испытаний в Кувейте показало, что энергопотребление испарительного охладителя примерно на 75% ниже, чем энергопотребление традиционного блочного кондиционера.

Direct evaporative cooling (open circuit) is used to lower the temperature and increase the humidity of air by using latent heat of evaporation, changing liquid water to water vapor. In this process, the energy in the air does not change. Warm dry air is changed to cool moist air. The heat of the outside air is used to evaporate water. The RH increases to 70 to 90% which reduces the cooling effect of human perspiration. The moist air has to be continually released to outside or else the air becomes saturated and evaporation stops. A mechanical direct evaporative cooler unit uses a fan to draw air through a wetted membrane, or pad, which provides a large surface area for the evaporation of water into the air. Water is sprayed at the top of the pad so it can drip down into the membrane and continually keep the membrane saturated. Any excess water that drips out from the bottom of the membrane is collected in a pan and recirculated to the top. Single stage direct evaporative coolers are typically small in size as they only consist of the membrane, water pump, and centrifugal fan. The mineral content of the municipal water supply will cause scaling on the membrane, which will lead to clogging over the life of the membrane. Depending on this mineral content and the evaporation rate, regular cleaning and maintenance are required to ensure optimal performance. Generally, supply air from the single stage evaporative cooler will need to be exhausted directly (one through flow) as with direct evaporative cooling. A few design solutions have been conceived to utilize the energy in the air, like directing the exhaust air through two sheets of double glazed windows, thus reducing the solar energy absorbed through the glazing. Compared to energy required to achieve the equivalent cooling load with a compressor, single stage evaporative coolers consume less energy. Energy savings from using a passive direct evaporating cooling strategy depends on the climate and heat load. For arid climates with a great wet bulb depression, cooling towers can provide enough cooling during summer design conditions to be net zero. For example, a 371 m2 (4,000 ft2) retail store in Tucson, Arizona with a sensible heat gain of 29.3 kJ/h (100,000 Btu/h) can be cooled entirely by two passive cooling towers providing 11890 m3/h (7,000 cfm) each. For the Zion National Park visitors' center, which uses two passive cooling towers, the cooling energy intensity was 14.5 MJ/m2 (1.28 kBtu/ft2;), which was 77% less than a typical building in the western United States that uses 62.5 MJ/m2 (5.5 kBtu/ft2). A study of field performance results in Kuwait revealed that power requirements for an evaporative cooler are approximately 75% less than the power requirements for a conventional packaged unit air conditioner.

Косвенное испарительное охлаждение

Косвенное испарительное охлаждение (замкнутое контурное охлаждение) — это процесс охлаждения, который использует прямое испарительное охлаждение в сочетании с теплообменником для передачи холода в приточный воздух. Охлажденный влажный воздух, полученный в результате прямого испарительного охлаждения, никогда не контактирует напрямую с кондиционированным приточным воздухом. Влажный воздушный поток выбрасывается наружу или используется для охлаждения других внешних устройств, например, солнечных панелей, эффективность которых повышается при более низкой температуре. Это необходимо для предотвращения избыточной влажности в закрытых помещениях, что нежелательно для жилых систем.

Цикл Майсоценко

Производитель косвенных охладителей использует цикл Маисоценко (M Cycle), названный в честь изобретателя и профессора доктора Валерия Маисоценко, применяет итеративный (многоступенчатый) теплообменник, изготовленный из тонкой перерабатываемой мембраны, который способен снижать температуру подаваемого воздуха ниже температуры влажного термометра и приближаться к точке росы. Испытания, проведенные Министерством энергетики США, показали, что гибридный M Cycle в сочетании со стандартной компрессионной холодильной системой значительно повышает эффективность на 150–400%, однако это возможно только в сухой западной части США, и не рекомендуется его использование во влажной восточной части США. Оценка показала, что водопотребление системы в 2–3 галлона на тонну охлаждения (12 000 БТЕ) сопоставимо по эффективности с водопотреблением новых высокоэффективных электростанций. Это означает, что повышенная эффективность может быть использована для снижения нагрузки на электросеть без необходимости в дополнительном водоснабжении и даже может снизить потребление воды, если источник энергии не имеет высокоэффективной системы охлаждения. Система на основе M Cycle, разработанная Coolerado, в настоящее время используется для охлаждения центра обработки данных Национального центра данных о снеге и льде НАСА (NSIDC). В помещении воздух охлаждается ниже 70 градусов по Фаренгейту, а система Coolerado используется при более высоких температурах. Это возможно благодаря тому, что воздухообрабатывающее устройство системы использует свежий наружный воздух, что позволяет автоматически использовать прохладный наружный воздух при благоприятных условиях. Это позволяет избежать работы холодильной системы, когда она не требуется. Система питается от солнечной панели, которая также служит резервным источником питания в случае отключения основного электроснабжения. Система обладает очень высокой эффективностью, но, как и другие испарительные системы охлаждения, ограничена уровнем влажности окружающей среды, что ограничивает ее применение в жилых помещениях. Ее можно использовать в качестве дополнительного охлаждения в периоды экстремальной жары, не создавая значительной дополнительной нагрузки на электрическую инфраструктуру. Если в регионе имеются избыточные запасы воды или избыточные мощности опреснения, ее можно использовать для снижения чрезмерного спроса на электроэнергию за счет использования воды в доступных установках M Cycle. Из-за высокой стоимости традиционных кондиционеров и серьезных ограничений многих систем электроснабжения, установки M Cycle могут быть единственным подходящим решением для охлаждения малообеспеченных районов в периоды экстремально высоких температур и высокого спроса на электроэнергию. В развитых регионах они могут служить дополнительными резервными системами в случае перегрузки электросети и использоваться для повышения эффективности существующих традиционных систем. Цикл M не ограничивается системами охлаждения и может применяться к различным технологиям, от двигателей Стирлинга до генераторов атмосферной воды. Для охлаждения он может использоваться как в конфигурации с перекрестным потоком, так и с противотоком. Было установлено, что противоточная конфигурация обеспечивает более низкие температуры, более подходящие для домашнего охлаждения, в то время как поперечная конфигурация имеет более высокий коэффициент производительности (COP) и, следовательно, лучше подходит для крупных промышленных установок. В отличие от традиционных методов охлаждения, COP небольших систем остается высоким, поскольку им не требуются подъемные насосы или другое оборудование, необходимое для градирен. Система охлаждения мощностью 1,5 тонны/4,4 кВт требует всего 200 Вт для работы вентилятора, что дает COP 26,4 и рейтинг EER 90. Это не учитывает энергию, необходимую для очистки или подачи воды, и отражает исключительно мощность, необходимую для работы устройства после подачи воды. Хотя опреснение воды также требует затрат, скрытая теплота испарения воды почти в 100 раз превышает энергию, необходимую для ее очистки. Кроме того, максимальная эффективность устройства составляет 55%, поэтому его фактический COP значительно ниже этого расчетного значения. Однако, несмотря на эти потери, эффективный COP все равно значительно выше, чем у традиционной системы охлаждения, даже если воду сначала необходимо очистить путем опреснения. В районах, где вода недоступна в любой форме, ее можно использовать с осушителем для регенерации воды с использованием доступных источников тепла, таких как солнечная тепловая энергия.

Indirect cooler manufacturer uses the Maisotsenko cycle (M Cycle), named after inventor and Professor Dr. Valeriy Maisotsenko, employs an iterative (multi step) heat exchanger made of a thin recyclable membrane that can reduce the temperature of product air to below the wet bulb temperature, and can approach the dew point. Testing by the US Department of Energy found that a hybrid M Cycle combined with a standard compression refrigeration system significantly improved efficiency by between 150 and 400% but was only capable of doing so in the dry western half of the US, and did not recommend being used in the much more humid eastern half of the US. The evaluation found that the system water consumption of 2–3 gallons per cooling ton (12,000 BTUs) was roughly equal in efficiency to the water consumption of new high efficiency power plants. This means the higher efficiency can be utilized to reduce load on the grid without requiring any additional water, and may actually reduce water usage if the source of the power does not have a high efficiency cooling system. An M Cycle based system built by Coolerado is currently being used to cool the Data Center for NASA's National Snow and Ice Data Center (NSIDC). The facility is air cooled below 70 degrees Fahrenheit and uses the Coolerado system above that temperature. This is possible because the air handler for the system uses fresh outside air, which allows it to automatically use cool outside ambient air when conditions allow. This avoids running the refrigeration system when unnecessary. It is powered by a solar panel array which also serves as secondary power in case of main power loss. The system has very high efficiency but, like other evaporative cooling systems, is constrained by the ambient humidity levels, which has limited its adoption for residential use. It may be used as supplementary cooling during times of extreme heat without placing significant additional burden on electrical infrastructure. If a location has excess water supplies or excess desalination capacity it can be used to reduce excessive electrical demand by utilizing water in affordable M Cycle units. Due to high costs of conventional air conditioning units and extreme limitations of many electrical utility systems, M Cycle units may be the only appropriate cooling systems suitable for impoverished areas during times of extremely high temperature and high electrical demand. In developed areas, they may serve as supplemental backup systems in case of electrical overload, and can be used to boost efficiency of existing conventional systems. The M Cycle is not limited to cooling systems and can be applied to various technologies from Stirling engines to Atmospheric water generators. For cooling applications it can be used in both cross flow and counterflow configurations. Counterflow was found to obtain lower temperatures more suitable for home cooling, but cross flow was found to have a higher coefficient of performance (COP), and is therefore better for large industrial installations. Unlike traditional refrigeration techniques, the COP of small systems remains high, as they do not require lift pumps or other equipment required for cooling towers. A 1.5 ton/4.4 kW cooling system requires just 200 watts for operation of the fan, giving a COP of 26.4 and an EER rating of 90. This does not take into account the energy required to purify or deliver the water, and is strictly the power required to run the device once water is supplied. Though desalination of water also presents a cost, the latent heat of vaporization of water is nearly 100 times higher than the energy required to purify the water itself. Furthermore, the device has a maximum efficiency of 55%, so its actual COP is much lower than this calculated value. However, regardless of these losses, the effective COP is still significantly higher than a conventional cooling system, even if water must first be purified by desalination. In areas where water is not available in any form, it can be used with a desiccant to recover water using available heat sources, such as solar thermal energy.

Теоретические конструкции

В новом, но еще не вышедшем в коммерческую эксплуатацию проекте "холодного SNAP" от Гарвардского института Wyss, 3D-печатная керамика проводит тепло, но наполовину покрыта гидрофобным материалом, служащим влагозащитным барьером. Хотя влага во входящий воздух не добавляется, относительная влажность (RH) незначительно повышается согласно формуле "температура-RH". Тем не менее, относительно сухой воздух, получаемый в результате непрямого испарительного охлаждения, облегчает испарение пота, повышая относительную эффективность этой технологии. Непрямое охлаждение – эффективная стратегия для жаркого и влажного климата, где увеличение влажности подаваемого воздуха нежелательно из-за требований к качеству воздуха в помещении и тепловому комфорту людей. Пассивные стратегии непрямого испарительного охлаждения встречаются редко, поскольку они требуют наличия архитектурного элемента, выполняющего функцию теплообменника (например, крыши). Этот элемент может орошаться водой и охлаждаться за счет ее испарения. Такие стратегии редки из-за высокого расхода воды, а также риска проникновения влаги и повреждения конструкции здания.

Двухступенчатое испарительное охлаждение или косвенно-прямое

В первой стадии двухступенчатого охладителя теплый воздух предварительно охлаждается косвенно, без повышения влажности (путем прохождения внутри теплообменника, который охлаждается за счет испарения снаружи). На прямой стадии предварительно охлажденный воздух проходит через влажный фильтр и, охлаждаясь, насыщается влагой. Поскольку подача воздуха предварительно охлаждается на первой стадии, на прямой стадии передается меньше влаги для достижения требуемой температуры охлаждения. По утверждению производителей, это обеспечивает более холодный воздух с относительной влажностью от 50 до 70%, в зависимости от климата, по сравнению с традиционными системами, которые производят около 70–80% относительной влажности в охлажденном воздухе.

Испаряющий + обычный резервный

В другой гибридной конструкции прямое или косвенное охлаждение комбинируется с парокомпрессионным или абсорбционным кондиционированием воздуха для повышения общей эффективности и/или снижения температуры ниже температуры по влажному термометру.

Испаряющая + пассивная дневная радиационная + теплоизоляция

Испарительное охлаждение может быть объединено с пассивным радиационным охлаждением в дневное время и теплоизоляцией для увеличения мощности охлаждения при нулевом энергопотреблении, хотя и требует периодической "подзарядки" водой, в зависимости от климатической зоны установки. Система, разработанная Лу и др., "состоит из солнечного отражателя, слоя, богатого водой и излучающего в инфракрасном диапазоне для испарения, а также паропроницаемого, инфракрасно-прозрачного и солнечно-отражающего изоляционного слоя", при этом верхний слой обеспечивает "отвод тепла как за счет испарения, так и за счет излучения, одновременно сопротивляясь нагреву от окружающей среды". Система продемонстрировала мощность охлаждения окружающей среды на 300% выше, чем у пассивного радиационного охлаждения в дневное время, используемого самостоятельно, и может увеличить срок хранения продуктов на 40% в прохладном и влажном климате и на 200% в сухом климате без использования холодильного оборудования.

Обезвлаживание мембраны и испарительная охлаждение

Обычное испарительное охлаждение эффективно только с сухим воздухом, например, при отношении влажности ниже ~0,02 кг воды/кг воздуха. Оно также требует значительного расхода воды. Для преодоления этих ограничений, охлаждение до точки росы можно комбинировать с мембранной осушкой, используя мембраны, пропускающие водяной пар, но непроницаемые для воздуха. Гофрированный картон также иногда используется в качестве материала.

Использование воды

В засушливых и полузасушливых климатах дефицит воды делает вопрос потребления воды важным при проектировании систем охлаждения. По данным установленных водомеров, в 2002 году двумя пассивными градирнями в центре для посетителей Национального парка "Сион" было израсходовано 420 938 литров (111 200 галлонов) воды. Однако специалисты отмечают, что для производства электроэнергии обычно требуется значительное количество воды, а испарительные охладители потребляют гораздо меньше электроэнергии и, следовательно, в целом сопоставимое количество воды, при этом общая стоимость их эксплуатации ниже, чем у чиллеров.

Теневое покрытие

Допускание прямого солнечного воздействия на любую поверхность, способную передавать избыточное тепло в любую часть воздушного потока внутри устройства, приведет к повышению температуры воздуха. Если тепло передается воздуху до прохождения через охлаждающие панели, или если солнечный свет нагревает сами панели, испарение усилится, но дополнительная энергия, необходимая для этого, будет поступать не от энергии, содержащейся в окружающем воздухе, а от солнца, что приведет не только к повышению температуры, но и к увеличению влажности, как и повышение температуры входящего воздуха любыми способами, или нагрев воды перед распределением по панели любыми способами. Кроме того, солнечный свет может привести к деградации некоторых материалов и других компонентов охладителя. Поэтому затенение рекомендуется во всех случаях, хотя вертикальная ориентация охлаждающих панелей и изоляция между внешними и внутренними горизонтальными (обращенными вверх) поверхностями для минимизации теплопередачи могут быть достаточными.

Механические системы

Помимо вентиляторов, используемых в механическом испарительном охлаждении, насосы – единственное другое механическое оборудование, необходимое для процесса испарительного охлаждения как в механических, так и в пассивных системах. Насосы могут использоваться для рециркуляции воды в увлажняющий модуль или для подачи воды под высоким давлением в систему распыления для пассивной градирни. Характеристики насоса будут зависеть от скорости испарения и площади увлажняющего модуля. В центре для посетителей Национального парка Сион используется насос мощностью 250 Вт (1/3 л.с.).

Выхлопная труба

Выхлопные каналы и/или открытые окна должны использоваться постоянно для обеспечения непрерывного выхода воздуха из охлаждаемого помещения. В противном случае создается избыточное давление, и вентилятор или воздуходувка в системе не смогут эффективно прогонять воздух через охлаждающую среду и подавать его в охлаждаемое помещение. Испарительная система не может функционировать без постоянного удаления воздуха из охлаждаемого помещения наружу. Оптимизация расположения воздухозаборника охлажденного воздуха, а также планировка помещений, дверей и окон, позволит наиболее эффективно направлять охлажденный воздух в нужные зоны. Хорошо продуманная планировка может эффективно удалять горячий воздух из желаемых зон без необходимости установки воздуховодов над потолком. Непрерывный поток воздуха необходим, поэтому вытяжные окна или вентиляционные отверстия не должны ограничивать объем и прохождение воздуха, подаваемого испарительным охладителем. Важно также учитывать направление ветра: например, сильный горячий южный ветер может замедлить или ограничить вытяжку воздуха из окна, обращенного на юг. Всегда лучше открывать окна по направлению ветра, а окна, расположенные против ветра, закрывать.

Типичные установки

Как правило, бытовые и промышленные испарительные охладители используют прямое испарение и могут быть описаны как закрытая металлическая или пластиковая коробка с вентилируемыми сторонами. Воздух перемещается центробежным вентилятором или вентилятором (обычно приводимым в действие электродвигателем со шкивами, известными как "шкивы" в терминологии HVAC, или прямым осевым вентилятором), а водяной насос используется для смачивания испарительных охлаждающих панелей. Охлаждающие установки могут быть установлены на крыше (вытяжной, или нисходящий поток) или на внешних стенах или окнах (боковой, или горизонтальный поток) зданий. Для охлаждения вентилятор забирает наружный воздух через вентиляционные отверстия на боках установки и через влажные панели. Тепло в воздухе вызывает испарение воды из панелей, которые постоянно увлажняются для продолжения процесса охлаждения. Затем охлажденный, увлажненный воздух подается в здание через вентиляционное отверстие в крыше или стене. Поскольку охлаждающий воздух поступает извне здания, необходимо наличие одного или нескольких больших вентиляционных отверстий для перемещения воздуха изнутри наружу. Воздух должен проходить через систему только один раз, иначе охлаждающий эффект снизится. Это происходит из-за достижения воздуха точки насыщения. Обычно в помещениях, обслуживаемых испарительными охладителями, происходит около 15 воздухообменов в час (ACH), что является относительно высокой скоростью воздухообмена.

Башни для испарения (мокрых) охлаждения

Башни охлаждения – это сооружения для охлаждения воды или других теплоносителей до температуры, близкой к температуре влажного термометра окружающей среды. Мокрые градирни работают по принципу испарительного охлаждения, но оптимизированы для охлаждения воды, а не воздуха. Градирни часто можно встретить на крупных зданиях или промышленных объектах. Они отводят тепло в окружающую среду от чиллеров, промышленных процессов или, например, цикла Ранкина.

Системы для выделения тумана

Системы распыления работают, подавая воду под высоким давлением через насос и трубопровод в форсунку из латуни и нержавеющей стали с отверстием около 5 микрометров, тем самым создавая мелкодисперсный туман. Капли воды, образующие туман, настолько малы, что мгновенно испаряются. Быстрое испарение может снизить температуру окружающего воздуха до 20 °C всего за несколько секунд. Для уличных систем оптимально монтировать линию распыления на высоте примерно 2,4–3,0 м над землей для достижения максимального охлаждения. Распыление используется в таких областях, как цветники, для домашних животных, сельскохозяйственных животных, питомников, борьба с насекомыми, контроль запахов, зоопарки, ветеринарные клиники, охлаждение сельскохозяйственной продукции и теплицы.

Вентиляторы для туманности

Распылительный вентилятор похож на увлажнитель воздуха. Вентилятор создает в воздухе мелкий водяной туман. Если воздух недостаточно влажный, вода испаряется, поглощая тепло из воздуха, благодаря чему распылительный вентилятор может также работать как охладитель воздуха. Распылительный вентилятор можно использовать на улице, особенно в сухом климате. Его также можно использовать в помещении. Небольшие портативные вентиляторы на батарейках, состоящие из электрического вентилятора и ручного распылителя воды, продаются в качестве сувениров. Их эффективность при повседневном использовании неясна.