板式露点间接蒸发冷却器的三维薄层模型数值方法与分析

《Applied Sciences》：Numerical Method and Analysis of 3-Dimension Thin Layer Model for Plate Dew Point Indirect Evaporative Cooler

　　

露点间接蒸发冷却器（dew point indirect evaporative cooler, DIEC）单独或与其他冷却技术结合，将成为建筑冷却的首选方案。然而，关于DIEC性能的研究仍存在一些空白，其中之一是三维（3-D）模型和方法尚未被广泛用于全面揭示冷却机理。大多数现有的数值方法采用一维（1-D）或二维（2-D）模型。现有的3-D模型和方法要么忽略水膜和板片，要么由于计算区域间尺寸差异巨大而导致网格系统和数值计算过于复杂，从而吸引力较弱。研究人员首次提出了一种新的DIEC性能简化数值方法，并借助实验数据和数值结果验证了其有效性和比现有3-D数值方法更高的效率。最后，采用该方法及COMSOL Multiphysics 6.3软件分析了结构和运行参数对板式DIEC性能的影响，尤其是创新性地引入了η/η₀（强化因子）。得到了与现有文献相似的结果，进一步表明该简化方法的实用性。在本文涉及的条件中，推荐通道长度为1.5 m，宽度为4 mm，雷诺数（Re_in）为1483，空气比（a）为0.33。在本文建议的条件下，η/η₀接近1.2。在相同条件下，该方法在所报告的工作站条件下减少了约58%的网格单元数量和约52%的计算时间，对于更复杂的问题其优势将更加明显。

建筑能耗在社会终端能耗中占较高比例，传统蒸气压缩制冷驱动的空调系统是实现“双碳”目标的重要挑战。蒸发冷却器作为一种环保替代方案，尤其适用于干燥地区，通过水蒸发冷却空气，无需蒸气压缩机和化学制冷剂。传统间接蒸发冷却器（TIEC）的出风温度可接近入口空气的湿球温度，而露点间接蒸发冷却器（DIEC）的出风温度可非常接近入口空气的露点温度，相比TIEC可提高20–70%的能效。板式DIEC因其结构紧凑和高效而受到更多关注，但关于其传热传质机理和性能改进的研究仍在进行中。目前存在的主要问题是三维（3-D）模型和方法未被广泛用于揭示DIEC的传热传质机理。现有数值研究多采用一维（1-D）或二维（2-D）简化模型，而现有的3-D模型要么直接忽略板片和水膜，要么虽包括板片和水膜但因计算区域尺寸差异巨大导致网格系统和数值计算过于复杂，吸引力较弱。因此，亟需一种简化而有效的3-D模型和方法用于DIEC研究。

这篇发表在《Applied Sciences》上的论文，研究人员提出了一种新颖的简化数值方法，将板片和水膜简化为具有相同热阻的表面，而非完全忽略它们，从而避免了因计算区域尺寸差异对3-D DIEC模型网格系统的不利影响。借助B. Riangvilaikul（2007）的实验数据和Guangya Zhu（2020）的数值结果，验证了该方法的有效性和比现有3-D方法更高的效率。最后，采用该方法及COMSOL Multiphysics 6.3软件分析了结构和运行参数对板式DIEC性能的影响，并创新性地引入了强化因子η/η₀来评估改进措施的经济性。研究得出了与现有文献相似的结果，进一步证明了该简化方法的实用性。在涉及的条件中，推荐通道长度1.5 m、宽度4 mm、入口雷诺数（Re_in）1483、空气比（a）0.33，此时η/η₀接近1.2。该方法在相同工作站条件下减少了约58%的网格单元数量和约52%的计算时间，对于更复杂的问题优势更明显。

为开展研究，研究人员采用以下主要关键技术方法：1) 薄层简化方法：将板片（铝板，厚度0.5 mm，导热系数205 W/(m·K)）和水膜（厚度0.3 mm，导热系数0.6 W/(m·K)）简化为具有相同总热阻（0.0405 m²·K/W）的表面，忽略其厚度但保留热阻效应，总热阻由两侧表面对流热阻（约50 W/(m²·K)）、板片导热热阻和水膜导热热阻组成。2) 数值计算方法：使用COMSOL Multiphysics 6.1软件，采用有限元法和结构化六面体网格系统（最终选择150,000网格单元，基于网格独立性评估），假设空气为弱可压缩流体，密度和比热容随温度及湿度变化（25–45°C、6.9–26.4 g/kg湿度范围），流动为层流，忽略与环境的换热，水膜厚度和表面温度假设为稳态均匀。3) 验证方法：将计算结果与B. Riangvilaikul的实验数据（相同DIEC结构，表4中运行条件）及Guangya Zhu的现有3-D数值方法（包括实际板片和水膜）对比，验证模型可靠性和效率。

研究结果部分分为四个子节：

3.1 薄层数值方法的评估：通过对比简化方法与Guangya Zhu（包括10%干区的实际板片和水膜）的计算结果，发现两种方法在产品空气温度上一致性良好。在入口湿度6.9 g/kg、温度45°C时，简化方法的产品空气温度比现有方法高8.54%；在入口湿度11.2 g/kg、速度6 m/s时偏差最大为6.89%。简化方法采用150,000网格，而现有方法采用357,000网格，减少了约58%的网格单元和约52%的计算时间，验证了本方法在节省计算机资源方面的效率。

3.2 结构参数的影响：通过改变通道宽度（2–6 mm）和长度（0.5–3 m），在入口速度2.4 m/s、空气比a=0.33、参考兰州夏季气象参数（干球温度31.2°C，相对湿度38.39%RH）条件下，分析了结构对露点效率（η_dp）和单位面积冷却能力（q）的影响。通道宽度增大时，η_dp逐渐下降；通道长度增大时，η_dp增加但趋势变缓。η_dp最小值43.8%（长度0.5 m、宽度6 mm），最大值97.8%（长度3 m、宽度2 mm）。q随通道宽度增加而增大，但宽度超过4 mm后影响减弱；短通道的q较大，最大值158.6 W/m²（宽度6 mm、长度0.5 m）。强化因子η/η₀除长度0.5 m外均大于1，表明通道结构改进积极；推荐长度1.5 m、宽度4 mm时η/η₀最佳。

3.3 空气速度的影响：通过改变入口雷诺数（Re_in从371到2224，对应速度1–6 m/s）和空气比a（0.1–0.6），分析了速度对η_dp、q、ΔP和η/η₀的影响。η_dp随a增大而增加但趋势变平，最大值98.1%（a=0.6, Re_in=373）；随Re_in增大而下降，最小值32.9%（a=0.1, Re_in=2224）。q随Re_in增大而增加但趋势变平，在a=0.33、Re_in=2224时达最大值111.37 W/m²；a超过0.33后q下降。ΔP随Re_in和a增大而显著增加，最大值37,607 Pa（a=0.6, Re_in=2224）。η/η₀在a=0.33、Re_in=1483时达到最大值1.14，表明此运行条件综合性能最优。

3.4 入口空气湿度和温度的影响：在入口温度25–45°C、相对湿度10–60%RH条件下，分析了空气温湿度对η_dp和q的影响。q随入口湿度增加而下降，随温度升高而增大；在25°C、60%RH时q最小（28.77 W/m²）。η_dp随入口湿度增加而增大（因露点温度升高），低温低湿时η_dp较小（52.3%，10%RH/25°C），高温高湿时η_dp较大（98.7%，60%RH/45°C）。基于对称性，一个单元的性能可代表整体，在兰州条件下（干球31.3°C、湿球20.1°C），DIEC的露点效率约90%，阻力损失约200 Pa，单元处理风量约0.0128 m³/s，单位面积冷却能力约80 W/m²。

讨论部分：论文未设独立讨论章节，研究结论即第4部分结论。研究结论部分翻译如下：通过将DIEC的板片和水膜简化为具有相同热阻的表面（而非忽略），本文提出了一种新颖的数值方法，以避免计算区域间巨大尺寸差异对3-D DIEC模型网格系统的不利影响。借助B. Riangvilaikul（2007）的实验数据和Guangya Zhu（2020）的数值结果，验证了本文方法的有效性和效率。最后，对与B. Riangvilaikul（2007）和Guangya Zhu（2020）相同的DIEC模型进行了性能评估和分析，创新性地引入了强化因子η/η₀。主要结论总结如下：（1）本文提出的简化方法在DIEC的3-D数值计算中有效且高效，在所报告的工作站条件下减少了约58%的网格单元和约52%的计算时间，解决更复杂的类似问题时优势更明显。（2）获得的相似结果进一步验证了本文方法。在涉及的条件中，推荐通道长度1.5 m、通道宽度4 mm、Re_in=1483、a=0.33。（3）本文引入的强化因子η/η₀可指示原型改进措施的经济性。在本文建议的条件下，η/η₀接近1.2。该简化方法将促进DIEC的3-D数值计算，未来将进一步改进当前模型的局限性。