西安某工廠蒸發冷卻空調方案計算與分析

堯德華,黃 翔,吳志湘

(西安工程大學環境與化學工程學院,陜西西安710048)

0 引 言

目前,蒸發冷卻技術被廣泛的使用。本文針對西安某工廠生產車間,分別使用傳統機械制冷和蒸發冷卻,在達到人體舒適性區域的前提下,提出了多種空調方案,并對其進行了計算分析。

1 建筑概況

西安某工廠生產車間,坐南朝北,東西向50.7m,南北向16.8m,高5.2m,總空調面積852 m2。外墻下半部分1.4 m高是由240 mm的普通磚墻組成,該墻的傳熱系數為1.97 W/m2K。上半部分和屋頂由1 mm鋼板夾70 mm的泡沫塑料組成,其傳熱系數為0.98 W/m2K。外窗傳熱系數為5.79 W/m2K。照明發熱量為10W/m2,設備發熱量為25 W/m2,人員密度為5 m2/人。

2 空調方案及計算結果分析

該生產車間主要進行機械加工,安裝空調的目的是改善工人的工作環境,若按照傳統機械制冷空調,則投資太大,故又提出了蒸發冷卻與機械制冷結合空調方案和蒸發冷卻空調方案。

西安地區夏季室外計算干球溫度35.1℃,計算濕球溫度25.8℃。方案一和方案二的室內計算參數根據 《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005規定,取夏季干球溫度26.0℃,相對濕度60%,夏季空調冷負荷為163.1kW,濕負荷為8.72kg/h。方案三至方案六中的房間負荷是采用倒推方法計算的,即從室外狀態點出發,通過蒸發冷卻得到送風狀態點,在根據溫度要求,得出室內的狀態點,然后再計算房間負荷,方案三至方案六的房間熱濕負荷如表1所示。

表1 蒸發冷卻空調方案下的熱濕負荷

達到規范要求的夏季室內溫濕度時,根據該建筑的熱濕負荷確定了方案一和方案二,其中方案一采用傳統的機械制冷方式,方案二采用蒸發冷卻與機械制冷結合的方式。方案三、方案四、方案五和方案六則是采用蒸發冷卻方式,但都能滿足人體的舒適要求。其處理過程分別如圖1至圖6所示。

圖1 傳統空調夏季空氣處理過程

圖5 兩級間接+一級直接蒸發冷卻處理過程(b)

圖6 兩級間接+一級直接蒸發冷卻處理過程(c)

蒸發冷卻空調的設計計算與傳統空調的設計計算是不同的。傳統計算是先根據室內外狀態計算出房間的熱濕負荷,接著從室內點開始作熱濕比線,然后確定室內送風狀態,最后是計算送風量和制冷量;而蒸發冷卻空調計算是先從室外點開始,根據蒸發冷卻方式確定送風狀態點,接著根據送風狀態點確定合理的室內溫度,再根據室內外溫度計算房間的熱濕負荷,然后從送風狀態點開始作熱濕比線,與要求的等溫線相交于室內點,最后計算送風量和制冷量[3]。也就是說,在西安等中濕度地區適當放寬室內要求,應用蒸發冷卻是可行的,因為研究表明,溫度在 28～32℃,相對濕度在70%～90%,空氣流速在1.0～1.2m/s之間時,人體感覺仍然是滿意的[4]。

表2 上述六種空調方案的計算結果

從表2中的計算結果可以看出,用蒸發冷卻方式達到規定的室內溫度的方案三是不可取的,因為不僅其總的送風量是方案一和方案二5倍,而且其相對濕度過大。送風量增加太大使得風管尺寸也加大很多,布置困難。而方案四、方案五、方案六是適當放寬室內要求時的情況,即溫度和濕度不能同時達到規范要求的舒適度區域,但是仍在人們接受的范圍內時,其風量降低了,濕度也沒有超過80%。

3 能耗分析

從上文中可以看出,方案三的風量是方案一的風量的5倍多,故方案三是不現實的,只進行方案一、方案二、方案四、方案五、方案六的能耗分析。其中方案四至方案六的蒸發冷卻空調能效比是傳統空調能效比的6倍[5],方案二的能效比是通過兩種空調能效比的折算得出的。

表3 方案的能耗比較

方案一和方案四都達到了規范所要求室內的舒適溫度,從表3中可以看出雖然方案四的總風量比方案一增加了77%,但是方案四的制冷量是方案一的制冷量的1.8倍,而方案四的功率只有方案一的功率的30.4%,即應用蒸發冷卻空調和機械制冷空調滿足規范所要求的溫度范圍時,雖然蒸發冷卻空調總的送風量有所增加,但是蒸發冷卻空調的制冷量是傳統空調制冷量的1.8倍,而蒸發冷卻空調功率卻只有傳統空調功率的30.4%。

要注意的是蒸發冷卻空調的制冷量與傳統機械制冷空調的制冷量是不同的。傳統機械制冷的制冷量包括房間冷負荷、新風負荷和再熱負荷,其中房間負荷占主要部分;而蒸發冷卻空調由于采用的是全新風,部分制冷量直接排到室外去了,故蒸發冷卻空調的制冷量包括房間冷負荷和排風損失,占主要的是排風損失。因此選用蒸發冷卻設備的時候不能用傳統的方法選用蒸發冷卻設備,而要經過計算確定房間負荷與蒸發冷卻空調制冷量的比例。從表3可以看出,蒸發冷卻空調的制冷量是房間負荷的1.5～3倍,而傳統空調的制冷量是房間負荷的1.3倍,故在消除同等室內負荷時,蒸發冷卻空調設備的制冷量是傳統空調設備制冷量的2倍左右;蒸發冷卻空調能滿足人體基本的舒適性要求,其運行費用只有傳統空調的9%～30%,比傳統空調節能70%～91%。

4 結論

(1)蒸發冷卻空調的應用不僅與室外氣象條件有關,還與建筑物的用途和要求有關。在西安等中濕度地區,適當放寬室內要求,應用蒸發冷卻空調可以滿足人體舒適要求。

(2)在滿足人體舒適性的前提下,雖然蒸發冷卻空調較機械制冷空調的送風量有所增加,且蒸發冷卻空調的制冷量是傳統空調制冷量的1.8倍,但蒸發冷卻空調功率卻只有傳統空調功率的30.4%。

(3)蒸發冷卻空調能滿足人體基本的舒適性要求,其運行費用只有傳統空調的9%～30%,比傳統空調節能70%～91%。

[1]黃翔.空調工程[M].北京:機械工業出版社,2006

[2]黃翔,武俊梅等譯.蒸發冷卻空調技術手冊[M].北京:機械工業出版社,2009

[3]堯德華,黃翔,吳志湘.西安某綜合樓四級蒸發冷卻空調系統設計 [J].制冷空調工程技術,2009,4:13-15

[4]黃翔,梁才航,狄育慧.熱舒適與蒸發冷卻空調[J].建筑熱能通風空調,2004,23(2):13-17

[5]堯德華,黃翔,吳志湘.四級蒸發冷卻組合式空調機組能耗分析[J].建筑節能,2009,37(5):42-46