用正确的方式玩转空调扇——DIY一台能效比17的间接蒸发冷却空调

炎炎夏日又来了，今年的夏天格外的炎热，即使是我所在的大西北也天天发布各种35度高温预警。又热又无聊的我就开始想方设法的让日子过得凉快点。

作为一个特别热的日子不长而且又干燥冬天又有暖气的城市，装个空调实在是有点划不来。一向喜欢自己捣鼓东西的我就想着自己整一个空调。在搜索了一段时间的资料之后蒸发式冷却这个概念愈发的让我感到好奇，我很久以前就知道了空调扇冷风扇这个俗称智商税的东西，对它原理的了解也就仅仅停留在冰块冷水降温的层次上。在粗略的学习了一部分热力学知识和蒸发的焓湿变化后我大受震撼，原来这个东西潜力这么大。考虑到我所在的城市就是个干燥炎热的地区，是一个能完全发挥出蒸发制冷效应的好地方。所以直接就决定用这个原理作为基础做一台空调

原理介绍

我知道各位是有多么不想看到这个环节，但是真的没办法，不简单的了解一下什么是蒸发制冷原理大概率你会觉得我后面的一些分析都是在说天书

而且在我查资料的过程中我也发现，对空调扇冷风扇这种蒸发式冷却扇大家都存在着各式各样的理解偏差，虽然利用这个理解偏差来坑害消费者的商家们更是不要脸

但是我也希望各位能对这种环保的制冷方式有所了解，理解原理之后就更不会被商家的噱头带跑偏了呀

下面正式开始，IDEC101开课！

原则上，基本的蒸发冷却系统只使用水和一个鼓风机来冷却循环空气。

当温暖、干燥和不饱和的空气被拉过一个水饱和的介质时，水从介质中蒸发到空气中。蒸发的能量来自于被冷却的空气，之后空气湿度增加和空气温度降低。蒸发与沸腾不同，可以在低于水的沸腾温度下完成，因为它发生在液体蒸汽界面。

蒸发式冷却可以通过以下方式实现：

直接蒸发系统 Direct Evaporative Cooling（DEC）

间接蒸发系统 Indirect Evaporative Cooling（IDEC）

直接间接混合蒸发系统（DEC+IDEC）

直接蒸发式冷却系统，就是我们平时说的空调扇冷风扇，顾名思义水直接蒸发到气流中，在直接蒸发式冷却系统中外部空气被拉过水饱和介质（蒸发式空调里使用的湿帘）或空气被喷水（有些在风扇前加喷雾装置的风扇）并通过蒸发冷却，被冷却的空气由鼓风机进行循环。水分可以被添加到气流中，直到饱和。在这个过程中

干球温度降低

湿球温度保持不变

相对湿度增加

空气含水量增加

本来想用焓湿图来更“直观”的展示一下蒸发制冷的焓湿变化和对比与压缩机制冷（传统意义上的空调）的差别，但考虑到大部分人不想也看不懂这么枯燥的东西我就简单的总结一下

首先我们平时所说的温度是干球温度，就是直接测量出来的温度。在这个温度下的空气含有一定量的水，在这个温度下的空气所能容纳水的量也是固定的。就像是一个烧杯，烧杯里有的水越少，能继续容纳水的量就越大（这一点很关键）。蒸发这个过程就好比是我们在往烧杯里加水，水蒸发到空气里的过程中，水经过相变吸收空气中的热量，空气温度降低，同时空气中含水量增加，湿度增加。在这个温度降低湿度增加的过程中，空气的焓值是不变的，可以理解为空气所含有的绝对能量没有改变，因为没有外部能量输入或输出。因为这个过程焓值不变，所以有些人所谓的“没有内外界能量交换是不可能制冷的”从空气焓湿角度上来说是不正确的。

但是问题你们也猜到了，这个过程中牵扯到了空气含水量的增加，简单来说就是湿度增大。回到烧杯的例子，烧杯里有的水（当前空气的含水量）越少，我们能加进去的水越多，相当于能蒸发到空气里的水分越多，也就等于蒸发到空气饱和时吸收的热量更多，也就是降温幅度越大，相反则越少。但是湿度在不同地区是不同的，沿海地区夏季湿度经常保持90%以上，对于蒸发制冷来说能发挥的空间就非常小。所以很多南方朋友使用冷风扇的体验就非常差了，不仅降温幅度微乎其微，还进一步增加了空气的含水量。

而且直接蒸发式空调吹出的空气含水量极大，相当于是一个空气加湿器。在炎热的时候空气湿度越大，人的舒适感也就越差。而且跟加湿器一样，直接蒸发会将水中的一些有害物质带入室内空气，潮湿环境也极其容易滋生病菌，例如嗜肺军团菌这种杀伤力极强的细菌，所以直接蒸发系统不仅要使用高品质水源（蒸馏水最佳），还要定期更换湿帘消毒杀菌等。

所以，蒸发制冷（冷风扇空调扇）真的有制冷效果吗？回答是肯定的，有，但是限制条件非常多。

其次就是蒸发制冷的能量问题，1kg水在18摄氏度时蒸发所需要的能量大约是2458.3kJ，约等于682.86W。假定理想状态下这些热量全部传导到空气，想要达到1匹的冷量（约等于2500w），每小时需要蒸发总共3.66kg水。这还是最理想的状态下，对于实际工况这个值会更加离谱。所以那些水箱容量用ml算的冷风扇，谈制冷效果也真的是为难他们了

这就是为啥小空调扇都要加冰晶盒的原因，蒸发带走的热量实在是太少了。

在为大家揭露空调扇冷风扇之后的制冷原理之后，就可以进入这篇文章的主题了（才进入吗……）

在直接蒸发式冷却系统里，最大的问题就是增加了气流的含水量，那么有没有办法让空气在不增加含水量的情况下降温呢？

当然有，就是文章开头提到的另一种蒸发制冷方式——间接蒸发系统。

IDEC

这是一张间接蒸发系统原理的示意图，在这个系统中总共有两股气流，横向气流代表需要被冷却的空气，可以视为室内空气。纵向气流代表参与蒸发的湿气流，可以看作外部空气。上部的水滴代表水流，从上往下流动并蒸发。在这个系统中两股气流互相隔离，外部空气在蒸发降温之后将热量直接传递给室内的气流，室内气流温度下降同时保持含水量不变。

这张图从微观角度更好的描绘了这个过程，可以看到两股气流各自在不同的通道流动，由导热隔绝水分子的介质隔开（比如铝箔），水在外界空气的通道内蒸发，吸收铝箔另一边室内空气的热量，室内空气的气流温度随即降低。

间接式蒸发制冷完美解决了直接蒸发制冷的加湿问题，实际上这种制冷系统已经引起了相当程度的关注，尤其是在数据中心，机房等需要大规模制冷的领域。华为就推出了这种原理的制冷系统，FusionCol间接蒸发冷却。

实际上在很多间接蒸发冷却剂组里还也内置了压缩机制冷系统，为了保证在极端炎热天气和极度潮湿环境下的出风温度。

蒙特（Munters）集团IDEC机组

而且根据蒙特（Munters）集团的产品使用数据来看，即使理论上来说这种蒸发机组只能在低湿度的环境下使用，在高湿度环境下可能需要很长时间的压缩机机组介入保证出风温度，但是实际数据来看压缩机介入的时段在全年占比都很小，除了迪拜以外，其他地区的数据都还不错。

年度IDEC运行时间和需要压缩机介入的小时图

所以在克服加湿问题后的间接蒸发系统的确有相当的吸引力，而且成熟的工业产品也证明了这个理论的实际实用性。

那么下一步就是自己做一个

选材和组装

从原理上来说，这个整体的diy难度还算是中等，不需要很复杂的专用机械，难点就是换热核心。

换热芯

换热核心的选材还是比较简单的，铝箔就可以。在拼多多上买了最厚的切片铝箔，切好尺寸的铝箔极大的降低了搭建换热核心的难度。内部的结构也非常简单，用相同粗细的竹签井字交叉搭建，每层的两根竹签和热熔胶封闭出一个通道，相邻层分别为内外部气流通道，相间层为相同气流通道。

整个搭建工作耗时3天，考虑到外部收纳盒的容量后总共搭建了各37层总共74层，总换热面积约12.025㎡。

换热心框架——竹签

换热芯上方

有些小伙伴可能注意到我在湿通道里放了一些卫生纸，这是为了增加湿通道控水的能力，增大空气与水的接触面积的，因为铝箔本身不是亲水材质，所以自身控水能力很差，挂不住水珠会影响到蒸发效果。但实际上这些烂纸片有没有效果还有待对比试验

换热芯后方（室内空气进气口）

机箱

机箱就选择了大尺寸的可堆叠直角收纳箱，由于在搭建换热核心前就计算好了尺寸，所以这个环节挑好收纳箱即可，需要的数量是两个，一个做换热心另一个做水箱和外部空气输入口。

堆叠起来的收纳盒机箱

风扇

风扇选择让我考虑了很久，起初选定的是横流风机。但是考虑到横流风机的体积和排气管安装难度最后还是放弃了这个方案。最终选择的是传说中风扇品牌中的法拉利ebmpapst的17厘米轴流换气扇，由于是工控柜拆机翻新品所以价格非常便宜，一把仅需30元，因为是双滚珠轴承的风扇所以也不用担心寿命问题，并且还能调速。唯一的缺点就是噪音太大

水泵和喷淋系统

刚开始的时候完全没想到这个会是困扰我时间最长的问题。在这个系统里，高效的换热依靠的就是让水均匀的分布在铝箔表面，起初定下的方案是一套灌溉用的喷雾装置加一个鱼缸的小循环泵。实际证明我实在是太年轻了。喷雾头需要的水压远远超过小循环泵能提供的扬程，接上之后水泵直接堵转那种。没办法暂时只能用切开的水管勉强让水循环起来，但完全谈不上平均分布，90%以上的铝箔压根就沾不到水。

高压小水泵我也有，隔膜泵虽然压力很高但是那个噪音我实在是接受不能。所以就主要寻找流量和扬程合适的无刷叶轮潜水泵。但是事实十分残酷，能带动喷头的小无刷水泵基本上不存在。没办法，只能放弃喷雾方案使用喷淋。重新改进喷头和水泵之后，终于勉强让部分铝箔有均匀的水流了。但是喷淋方案其实非常不理想，想要让水流平均的分布在37个宽度为6mm的间隙里除了喷雾以外我实在想不到还有什么其他不需要很大额外功耗或者噪音就能达成的方案了。所以这一点是这个系统目前最大的缺陷所在，也是我一直想要尝试改进的地方，在此也希望各位小伙伴能给我支个招

不过实际表现要比我想象的好一些，从水的蒸发速度和制冷量上来看效率还是可以的。不过肯定还有提升空间就是了。

其他的杂项就是外界空气的进气排气管，大量热熔胶之类的。

正面

上面

整个系统的搭建耗时10天左右，后期水泵和密封之类的细微调整用了15天左右。到今天为止基本上已经到达一个目前我比较满意和细微调整能达到的最终状态了。

外部气流进风口

测试数据

简单介绍一下环境情况，外界气温平均35（白天）~20（晚上）度，早晚温差大，湿度30%左右。设备安装的房间朝东而且有很大的落地窗，每天上午气温直线上升，房间的隔热也非常好所以最热的时候室内气温35度以上，室内的湿度在40%左右。测试的设备也很简单，两个温度计读取室内进风口和出风口，风速计测出风口的风速，米家的智能插座来读取整机运行功率，手机用来简单测试运行噪音。

以下是过去的几天陆续记录的一些运行的测试数据汇总表，其中包括了简单的制冷量（单位W）和能效比COP计算。

测试数据

表格主要需要关注的数据我都用颜色和数据条标注出来了，出风口面积是用风扇有效出风面积计算的，即大圆面积减去内部定子转子的面积。冷量的计算公式采用风量*空气密度*空气比热容*（进风口温度-出风口温度），效能比计算公式采用冷量/功率。因为我所在的地方海拔大约1500米，所以空气密度取1.0586kg/m³。比热容取1.03kJ/kg/K。温度风速数据均采用多点取值求平均的方法。公式输入表格后分别得出在不同工况，微调之后的性能数据。

简单分析一下可以看出这套系统的制冷量与环境温度和室内空气循环速度的关系最大，室内温度越高制冷量越高，即白天室温高的时候制冷效果最好，晚上室温低的时候制冷效果最差。也符合在焓湿图中温度越高空气能容纳的水量越多的原理。循环风速度最低和最高都会影响到系统的制冷量，循环风速最低时没有足量的室内空气给需要蒸发的水提供能量，而水的露点温度又是定值，所以温降有最大值限制，此时限制制冷量的主要是室内气流的风速。循环速度越高，制冷量越高，温降越低，直到换热面积成为瓶颈时制冷量不再增加（实际上测试中一直没有摸到这个瓶颈，这也就是我断定这套系统还有很大提升空间的原因）。而对于风扇来说，最佳能效运行区间一般都在中转速左右，最高转速功耗非常大，这就造成了两次循环风扇全速运行中虽然冷量达到了最大，但COP狂跌的原因。排气风扇的转速对制冷量的影响很小，到一定转速之后再增加排气转速也不会增加制冷量，因为对于水蒸发的速度来说，影响蒸发速度的除了空气流速之外还有接触面积的大小。所以排气风扇的转速主要影响整个系统的COP。经过多次实验，室内循环风扇转速中高速，排气风扇中低速左右时系统COP最大

此时COP值达到了17.087，制冷量为1169.1W

总的来说，在整套系统在不同工况下的COP值都非常高，在摸清楚排气风扇和室内循环风扇分别对功率的影响和制冷量的影响之后，就能更加精确的调整系统的能耗比，17.09的COP确实是相当夸张了，压缩机空调的COP大家也都很清楚，我对于压缩机空调的节能变频什么的不是很精通，就不在这里献丑了

此外，我也做了整个系统的蒸发量计算，对应的数据是15行。向水箱中加入约2.2L自来水然后记录蒸发掉这些水所需的时间。

加水前

加2.2L水后

蒸发量测试数据

在当前工况下，蒸发掉2.2l水所需的时间大约为1小时，因为有一点点微小差异就按1小时为准，多出来的一点点水算100ml。所以在制冷量为913w时，系统的蒸发速度大约为2.1L/h。简单换算一下，水在22度时自然蒸发需要的能量大约为680.2W/kg，这个系统在这个工况下每小时蒸发所吸收的热量大约为1428.42W，同时我们测算的制冷量为913.8W，经过计算913.8/1428.42=63.97%，能得出有效利用率为63.97%

造价：

锡纸 30元

竹签 20元

水泵 50元

风扇 3*30元

收纳箱 2*50元

电源 30元

杂项 50元

总共 370元

总结

优点：

1、干湿空气隔离，不用担心因为水蒸发带来的各种问题，例如湿度病菌异味等。并且蒸发需要的水使用自来水甚至净化器处理后的废水就可以，水质要求低。

2、超高能效比，这点不用过多赘述，上面的数据分析已经说的很多了。相比起压缩机制冷方式，17.1的超高能效比和无任何有毒有害物质参与换热让压缩机制冷相形见绌。

3、 低金钱成本，diy一套系统的总价370元甚至比大部分成品风扇还便宜，而这套制冷系统同时还能提供1500w以上的制冷量和17.1的超高能效比。不计DIY和研究优化的时间成本来说 ，这套系统的性价比爆棚。

缺点：

1、DIY时间和复杂度太高。整套系统从设计完成开始采购到今天为止，历时将近一个月。期间从搭建换热芯到后期性能调整都是十分耗费精力的工作，而且直到今天从理论上来说这套系统还没有调整到最完美的状态，喷淋问题还得进一步优化。

2、噪音太炸裂了。为了降低制作难度和保证换气量，我用的这款17cm轴流风扇真的不是什么省油的灯，中速时在一米多外的桌子前都有53.2dB的噪音，在1169w制冷量时，噪音达到了65.2dB ，不过考虑到这么小的体积在全速运转时能提供总共936m³/h的循环风量，也确实很厉害了。

3、体积太大。我使用的是61*43*35.5的收纳箱，两个堆叠起来的尺寸达到了61*43*71.由于排风管的限制。只能把它放在靠近窗户的地方，再加上直径17cm的排风管，机器本身的占地面积有1平米多。

4、 这点不算我使用的缺点，但我还想再强调一遍，蒸发式制冷的性能和环境完全挂钩，又潮又热的地方效能有限，干燥炎热的地区才是它的用武之地。

5、虽然说是不需要任何维护，但实际上因为水一直在和外界空气交换，外界空气带进来的杂质和竹签自身因为潮湿而带来的一些异味还是有的。所以我在网上买了一些二氧化氯泡腾片，定期投入水箱中起到杀菌消毒的作用，这样一来彻底杜绝了细菌病毒滋生的风险

这套间接蒸发冷却系统克服了直接蒸发冷却系统的诸多缺点，例如增加湿度，水质维护，滋生细菌等问题，用换热芯将湿气流干气流完全隔离，并且继承了蒸发式制冷高能效比的优良传统。在很长时间的搜集资料过程中我也看出来这应该是国内外全网首个平板换热芯的IDEC的DIY项目，虽然制作过程中充满了坎坷，但目前还是非常满意的，虽然这点制冷量完全不能满足给整个屋子降温的需求（放设备的房间面积30平米左右），但是压制白天因为太阳直射而产生的热量还是勉强可以的，因为气流干爽所以直吹也没什么问题，运行功率也非常低，每天就只需要使劲加水即可，这货真的是在往窗外倒水

感谢各位读完的小伙伴，有什么问题尽管在评论区中提出来，我会尽力解答，如果有个赞或者打赏的话那就更好啦~