使用天然废弃纤维填料作为商用填料低成本替代品的住宅蒸发式空气冷却器性能实验评估

《Next Energy》：Experimental evaluation of residential evaporative air cooler performance using natural waste fiber pads as low-cost alternatives to commercial pads

　　

摘要翻译：本研究探索了一种适用于炎热干燥地区的低成本冷却方案，这些地区不稳定的电力供应限制了对传统空调的获取。蒸发冷却被认为是减少电力生产产生的CO₂排放的可行策略。许多低收入家庭依赖蒸发冷却。在本研究中，研究人员考察了三种当地可获得的废弃材料——稻草、椰枣纤维和骆驼刺（*Alhagi maurorum*）——作为家用蒸发冷却器中商用纤维素填料的替代品。实验装置在真实的夏季条件下运行，每种填料进行了二十次测试。关键变量包括室外空气条件和送风体积流量。评估了冷却效果、冷却能力、饱和效率和能源效率比。在达到稳态条件后记录读数，这大约需要10–15分钟。之后，按固定时间间隔采集数据。结果表明，所测试填料之间存在明显的性能差异。就冷却能力而言，室外空气温度或送风体积流量的增加导致所有填料的冷却能力提高。纤维素填料始终表现出最佳性能，与稻草、椰枣纤维和骆驼刺相比，其平均增幅分别为9.2%、14.3%和19.2%。在效率方面，纤维素填料在所有填料材料中排名最高，分别超过稻草10.6%、椰枣纤维20.14%和骆驼刺27.36%。能源效率比也观察到类似的模式。总体而言，稻草表现出有前景的行为，可被视为商用填料的实际替代品。尽管商用纤维素填料的热性能更优，但稻草因其极低的制造成本，在冷却性能与总体成本之间提供了最佳平衡。此外，农业残余物实现的较低水分传递有助于减少季节性用水量，进一步提高了其在低成本蒸发冷却应用中的经济可行性。

论文解读文章：

**1. 研究背景与问题**
蒸发冷却（Evaporative Cooling, EC）是一种利用水蒸发潜热降低空气温度的古老空调技术，在炎热干燥气候下具有显著优势。与蒸汽压缩式制冷系统相比，EC系统能耗更低、结构更简单、维护成本更少，因此特别适用于电力供应不稳定或经济条件有限的地区。伊拉克的农村和小城镇广泛使用蒸发冷却器，但传统机械制冷设备的高能耗和高运维成本在当地构成实际挑战。蒸发冷却系统的性能很大程度上取决于湿帘（pad）材料的性质，如吸水能力、蒸发有效表面积、孔隙率、气流阻力及结构强度等。商用纤维素湿帘性能优异，但其生产和维护成本较高，在资源有限的环境中可能造成经济负担。同时，伊拉克拥有丰富的农业废弃物资源，如稻草、椰枣纤维和骆驼刺（*Alhagi maurorum*），这些材料通常被露天焚烧处理，造成环境污染。因此，利用当地天然废弃纤维作为低成本替代填料，既能降低冷却成本，又能减少废弃物焚烧带来的环境问题。

**2. 研究目的与意义**
本研究的科学贡献在于：第一，首次引入骆驼刺作为潜在的蒸发冷却填料材料，扩展了可持续冷却介质的种类；第二，不同于以往多在室内模拟环境中开展的实验，本研究在真实恶劣夏季条件（32℃、20%相对湿度至43℃、15%相对湿度）下，使用标准家用蒸发冷却器对替代填料进行严格测试；第三，通过将农业废弃物转化为有价值的环保工程产品，提出了一种替代露天焚烧的优化废弃物管理策略，有助于减少空气污染。

**3. 主要技术方法**
本研究使用一台商用家用蒸发冷却器（型号DKH-350，风量350 cfm）搭建实验台。填料尺寸为64×56×4 cm，分别制备商用纤维素、稻草、椰枣纤维和骆驼刺四种湿帘。实验在伊拉克卡尔巴拉的真实夏季条件下进行，设置四个室外干球温度水平（30、35、40、43℃）和五个送风速度（5、7、8、10、11 m/s），每种填料进行20次测试，共80组实验。关键测量仪器包括热电偶数据记录仪（±0.4℃）、湿度计（0.1% RH）、热式风速计（±(5%+0.5 m/s)）和功率计。评价指标包括冷却效果（ΔT）、冷却能力（Q_EC）、饱和效率（ε_sat）和能源效率比（EER），并采用Kline和McClintock方法进行不确定性分析。实验在稳态条件下记录数据，达到稳态需10–15分钟，之后每5分钟记录一次，持续50分钟。

**4. 研究结果**
**4.1 冷却效果的参数分析**
在恒定室外温度下，商用纤维素填料实现了最高的冷却效果，其次为稻草、椰枣纤维和骆驼刺，平均增幅分别为8.1%、13.4%和22.9%。增大送风体积流量对给定填料的冷却效果影响很小，仅导致轻微下降。冷却效果随室外干球温度升高而增加，因为较高温度增强了蒸发潜力。纤维素填料的最佳平均冷却效果为10.6℃，稻草为8.9℃，椰枣纤维为8.5℃，骆驼刺为7.7℃。

**4.2 冷却能力的参数分析**
冷却能力随送风体积流量和室外温度的增加而提高。较高的空气流量增大了空气质量流量，较高的室外温度增大了温差，从而增强热移除。纤维素填料达到最高冷却能力8.44 kW，其次为稻草（7.06 kW）、椰枣纤维（6.94 kW）和骆驼刺（6.87 kW）。纤维素填料性能领先的原因归因于其较高的润湿性，有助于均匀水分分布和增大有效蒸发面积。

**4.3 饱和效率的参数分析**
所有填料的饱和效率（冷却效率）都随气流速率增加而降低，因为空气与水接触时间缩短。纤维素填料效率最高，分别超过稻草10.6%、椰枣纤维20.14%和骆驼刺27.36%。稻草表现出与纤维素接近的竞争性效率，这与其良好的结构特性支持水分均匀分布有关。

**4.4 能源效率比（EER）分析**
EER随气流速率增加而降低（因功耗增加），但随室外温度升高而提高（因冷却能力增强）。纤维素填料表现出最佳EER，其次为稻草、椰枣纤维和骆驼刺，平均增幅分别为8.5%、13.6%和24.3%。由于电力输入基本不变，EER的改善主要源于有效冷却输出的增加。

**4.5 湿度比和蒸发率的参数分析**
湿度比增量（ΔW）随气流速率增加而轻微下降，因为接触时间缩短。纤维素填料的ΔW平均比稻草高6.7%，比椰枣纤维高8.3%，比骆驼刺高19.3%。当室外温度从32℃升至43℃时，纤维素、稻草、椰枣纤维和骆驼刺的ΔW平均增幅分别约为49%、47%、39%和37%。蒸发率随气流速率和室外温度增加几乎线性上升，纤维素填料的平均蒸发率分别超过稻草6.4%、椰枣纤维11.2%和骆驼刺17.9%。

**4.6 经济性评估**
经济评估包括初始制造成本和季节性水耗成本。稻草填料实现了最低的季节性单位冷却能量成本（0.686 ID/kWh），而商用纤维素填料为1.234 ID/kWh，椰枣纤维为0.688 ID/kWh，骆驼刺为0.733 ID/kWh。尽管纤维素填料热性能最佳，但其季节性总成本较高。稻草填料的制造成本极低，弥补了其略低的冷却效率，成为最具成本效益的天然替代材料。农业废弃物填料显著降低了总季节性成本，且不会导致冷却性能大幅下降。

**5. 讨论与结论**
研究表明，纤维素填料在冷却效果、冷却能力、饱和效率和EER方面均表现最佳，但稻草在所有天然材料中展现出最优的综合性能。稻草的高润湿性和有效蒸发面积使其性能接近商用纤维素，同时其极低的制造成本和较低的季节性水耗使其成为最具经济吸引力的替代方案。实验还发现，湿度比增量和蒸发率遵循相同的性能排序，证实水分传递特性在决定蒸发冷却填料整体热行为中起关键作用。研究结论指出，稻草可被视为商用纤维素填料的实用、低成本且环保的替代品，特别适用于成本和能耗受限的应用场景。该研究为农业废弃物的增值利用提供了新途径，并有助于减少露天焚烧带来的环境负担。