综述：间接蒸发冷却领域的最新进展与优化策略：提升蒸发效率及传热传质性能

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Recent advances and optimization strategies in indirect evaporative cooling: Enhancing evaporation efficiency and heat-mass transfer

本文系统综述了间接蒸发冷却（IEC）湿通道优化策略，分析喷嘴系统、材料特性及结构设计对传热传质效率的影响，提出多目标协同优化框架，为高性能IEC技术发展提供理论指导。

　　随着全球对能源消耗和环境影响的关注不断加深，高效且可持续的冷却技术正成为研究的热点。间接蒸发冷却（IEC）技术因其通过水蒸发来实现空气冷却的能力，展现出显著的优势，包括较低的环境影响和较高的能源效率。IEC技术的核心在于湿通道中形成的水膜，其有效热质量和水分迁移对于整体系统性能具有决定性作用。因此，本文旨在全面概述IEC技术中的喷雾系统，同时探讨当前湿通道结构和材料的设计状况，以及优化湿膜形成和蒸发效率的策略。

IEC技术的广泛应用源于其在建筑环境中的高效性。特别是在高能耗的建筑行业中，空气调节（AC）系统占据了相当大的比例。以香港为例，空气调节系统在建筑总能耗中占比约为30%，而这些系统通常依赖非可再生能源，导致较高的碳排放和能源成本。因此，转向可持续的冷却方式，如IEC技术，对于缓解建筑行业的能源危机和推动碳中和目标具有重要意义。IEC技术通过利用水蒸发的潜热进行冷却，不仅降低了能源消耗，还减少了对环境的负面影响，使其成为一种具有前景的解决方案。

IEC技术的基本原理是通过湿通道中的水膜蒸发来实现空气冷却。在IEC系统中，湿通道中的水膜与干燥通道中的空气进行热交换，使得干燥通道中的空气被冷却至接近湿球温度，而不会改变其湿度。这种特性使得IEC技术特别适用于需要保持空气湿度的场合，例如办公空间、医院和数据中心等。此外，IEC系统通过使用热交换器来实现这一过程，从而避免了直接蒸发冷却（DEC）系统中空气湿度增加的问题。DEC系统虽然能够有效降低空气温度，但其局限性在于只能将空气冷却至接近湿球温度，且在高湿度环境下效果不佳。相比之下，IEC系统通过间接热交换方式，能够在不增加空气湿度的前提下实现更有效的冷却效果。

在IEC系统的设计优化方面，近年来的研究主要集中在如何提高冷却效率和系统性能。例如，Kabeel等人提出了一种独特的IEC结构，通过在干燥空气通道中加入不同数量的内部挡板，从而增强冷却效果并提升热传递效率。研究结果表明，随着挡板数量的增加，冷却空气的出口温度显著下降。同样，Tejero-González等人对两种不同热交换面积和截面形状的间冷器进行了比较分析，发现较大的截面面积能够提升蒸发冷却的效率，但过大的热交换面积可能导致空气流动受限，从而降低整体性能。Mohammed等人则提出了一种改进的常规露点蒸发冷却器（DPEC）设计，通过优化喷雾系统和热交换结构，使得冷却空气的温度降低了3.1°C，同时提高了系统的能源效率12.2%。此外，Li等人对水平和垂直布置的热交换器进行了热性能对比，发现垂直布置的热交换器能够显著降低出口空气温度，并提高冷却能力，这是由于水平布置的热交换器中存在较大的干燥区域，阻碍了有效热传递。

除了结构优化，材料的选择也是提升IEC系统性能的关键因素。Min等人提出了一种改进的IEC方法，即在主空气通道表面应用疏水性纳米颗粒，以增强冷凝热传递和除湿能力。实验可视化结果显示，疏水涂层能够促进更小的液滴冷凝，从而提高对流热传递效率。此外，疏水涂层的使用还带来了8.5%至17.2%的能源节约，显示出其在除湿型空气调节系统中的巨大潜力。这些研究不仅推动了IEC技术的性能提升，还为未来的设计提供了新的思路。

然而，优化IEC系统的设计也伴随着一定的挑战。例如，湿通道的冷却效率高度依赖于其高度和长度的合理设计，这使得结构优化需要在多个参数之间进行权衡。此外，湿通道中的水膜蒸发过程受到多种因素的影响，包括喷雾系统的类型、喷雾特性以及布置方式，同时还需要考虑环境条件如温度和湿度的变化。因此，为了实现最佳的冷却效果，必须对这些因素进行综合分析和优化。

在喷雾系统设计方面，研究者们关注如何提高水膜的均匀分布和蒸发效率。喷雾系统的优化不仅涉及喷嘴类型的选择，还包括喷雾角度、喷雾密度以及喷雾路径的设计。例如，一些研究指出，采用多孔喷嘴可以提高水膜的均匀性，从而增强蒸发效率。此外，喷雾路径的设计也需要考虑空气流动的方向和速度，以确保水膜能够充分接触空气并实现高效的热交换。

在材料选择方面，研究者们探索了多种新型材料和涂层，以提高湿通道的性能。例如，疏水材料的应用能够减少水膜在表面的积聚，提高蒸发效率，同时降低水的消耗。此外，亲水材料的使用可以增强水膜的附着能力，确保其在湿通道表面的均匀分布。这些材料的优化不仅提升了IEC系统的冷却能力，还减少了运行成本和维护需求。

在数值建模方面，研究者们利用计算机模拟技术来优化IEC系统的性能。数值模拟能够快速测试多种条件和配置，从而提供更全面的分析。例如，一些研究通过模拟不同喷雾参数对水膜形成和蒸发的影响，揭示了最佳的喷雾条件。此外，数值模型还可以用于预测不同材料和结构对系统性能的影响，为实际设计提供理论支持。

尽管IEC技术在建筑冷却领域展现出巨大潜力，但其实际应用仍面临一些挑战。例如，在高湿度环境下，湿通道的冷却效率可能会受到限制。此外，系统的复杂性和维护成本也是影响其推广的重要因素。因此，未来的优化方向需要在提高系统效率的同时，降低其复杂性和运行成本。

为了推动IEC技术的进一步发展，研究者们正在探索新的优化策略，包括结合先进材料和智能算法的综合优化方法。例如，一些研究提出利用机器学习技术进行多目标优化，以找到最佳的喷雾系统设计和材料选择。这种方法能够更高效地分析大量数据，并预测不同参数组合对系统性能的影响，从而为实际工程应用提供更精准的指导。

此外，IEC技术的未来发展还需要关注其在不同应用场景中的适应性。例如，在高温和高湿地区，IEC系统需要具备更强的冷却能力和更高效的水蒸发机制。而在低湿度地区，IEC系统的性能可能会受到影响，因此需要进行相应的调整。同时，随着建筑能源需求的不断增长，IEC技术的应用也需要与智能建筑管理系统相结合，以实现更高效的能源利用和环境控制。

综上所述，IEC技术作为一种高效且可持续的冷却方式，正逐步成为建筑行业的首选。通过优化喷雾系统设计、改进湿通道结构和材料选择，以及结合数值模拟和智能算法，可以进一步提升其性能和应用范围。然而，要实现IEC技术的全面推广，还需要克服一些技术和经济上的挑战。未来的研究应继续探索新的优化策略，推动IEC技术在更多领域的应用，以应对全球能源和环境问题。