蒸發(fā)冷卻與輻射供冷/熱復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)探討

閆振華

(1.中國煤炭科工集團(tuán)武漢設(shè)計研究院,武漢430064;2.西安工程大學(xué),西安710048)

0 引言

國家 “十二五”規(guī)劃綱要明確提出建立節(jié)能減排長效機(jī)制,節(jié)能減排已成為中央政府和社會各界普遍關(guān)注的焦點問題。蒸發(fā)冷卻與輻射供冷/暖正是適應(yīng)這一時代背景的復(fù)合空調(diào)技術(shù),目前已在我國西北地區(qū)逐步得到了應(yīng)用[1]。基于此,本文提出了蒸發(fā)冷卻與輻射供冷/暖相復(fù)合的空調(diào)系統(tǒng),并對該系統(tǒng)進(jìn)行初步研究。

1 蒸發(fā)冷卻與輻射供冷/熱復(fù)合式半集中空調(diào)系統(tǒng)形式

根據(jù)蒸發(fā)冷卻和輻射供冷/暖的特點,蒸發(fā)冷卻+輻射供冷/熱復(fù)合式半集中空調(diào)系統(tǒng)在干燥地區(qū)和中濕度地區(qū)的應(yīng)用形式存在一定的差異,其輻射末端形式基本一致,而采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)制取冷風(fēng)冷水時,冷源型式有差別,如圖1和圖2所示。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

(1)冷熱源

在我國西北干燥地區(qū),新風(fēng)送風(fēng)由蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組獲取。室外新風(fēng)依次經(jīng)過該機(jī)組的過濾段、表冷段 (預(yù)冷作用)、間接蒸發(fā)冷卻段、直接蒸發(fā)冷卻段、送風(fēng)段后,送風(fēng)能達(dá)到15-20℃之間 (根據(jù)氣象資料,西北大部分地區(qū),尤其是甘肅、新疆等地采用這種系統(tǒng)送風(fēng)溫度一般在15～20℃之間,對于舒適性空調(diào)尤為理想)[2]。另一方面,高溫冷水由冷卻塔 (或間接蒸發(fā)冷水機(jī)組)直接獲取,溫度可達(dá)18℃左右。

圖1 干燥地區(qū)蒸發(fā)冷卻與輻射供冷/熱相復(fù)合式半集中空調(diào)系統(tǒng)

圖2 中濕度地區(qū)蒸發(fā)冷卻與輻射供冷/熱復(fù)合式半集中空調(diào)系統(tǒng)

在我國中濕度地區(qū) (以西安為代表),空調(diào)系統(tǒng)的冷源獲取方式與西北干燥地區(qū)有所不同。由于中濕度地區(qū)的室外空氣濕球溫度偏高 (西安為26℃),干濕球溫差有限,采用傳統(tǒng)的蒸發(fā)冷卻技術(shù)時,夏季供給空調(diào)區(qū)的冷風(fēng)和冷水溫度都偏高于設(shè)計要求值,故夏季供冷時不能單獨采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)。目前蒸發(fā)冷卻技術(shù)在此區(qū)域應(yīng)用時,通常要和機(jī)械制冷相結(jié)合,在夏季炎熱季節(jié)由機(jī)械制冷來承擔(dān)一部分負(fù)荷,同樣也能達(dá)到滿意的空調(diào)效果。新風(fēng)送風(fēng)由蒸發(fā)冷卻組合式空調(diào)機(jī)組獲取。室外新風(fēng)依次經(jīng)過該機(jī)組的過濾段、間接蒸發(fā)冷卻段、機(jī)械制冷段、直接蒸發(fā)冷卻段、送風(fēng)段后,送風(fēng)能達(dá)到17～23℃之間 (通過調(diào)整機(jī)械制冷段的冷水參數(shù),可得到符合要求的送風(fēng)溫度)。另一方面,在夏季炎熱季節(jié),高溫冷水不能由冷卻塔 (或間接蒸發(fā)冷水機(jī)組)直接獲取,而是先由機(jī)械制冷設(shè)備(蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組)制取低溫冷水,然后通過高效板式換熱器進(jìn)行熱交換,于二次側(cè)產(chǎn)生高溫冷水。在夏季空調(diào)區(qū)非高負(fù)荷時,由機(jī)械制冷設(shè)備制取低溫冷水,間接換熱后與冷卻塔制取的高溫冷水進(jìn)行配水,然后通過高效板式換熱器進(jìn)行熱交換,于二次側(cè)產(chǎn)生高溫冷水。在春秋季可由冷卻塔直接制取高溫冷水,間接換熱后送入輻射末端。

系統(tǒng)的熱源的選擇應(yīng)本著節(jié)能環(huán)保的原則,根據(jù)各地不同的條件選擇合適的熱源。在條件許可的情況下,應(yīng)優(yōu)先考慮天然的熱源,如地下水、太陽能等,其它熱源,如鍋爐、風(fēng)冷熱泵等,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較后再行確定[3]。

(2)換熱設(shè)備

圖1中,為了防止冷卻水中灰塵以及通入輻射末端換熱管(特別是毛細(xì)管)后在內(nèi)表面產(chǎn)生水垢而阻塞,常采用高效板式換熱器進(jìn)行逆流換熱。冷卻水進(jìn)入板式換熱器,將由毛細(xì)管出來的冷水回水冷卻后,進(jìn)入蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組表冷段對室外新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷,同時輻射末端換熱管出來的冷水回水被冷卻后,進(jìn)入室內(nèi)輻射末端進(jìn)行冷輻射和對流換熱。

圖2中,采用兩個換熱器,其目的同樣是為了保持輻射末端循環(huán)水的潔凈度,防止輻射末端阻塞。另外由于機(jī)械制冷的工質(zhì)運行屬于閉式循環(huán)系統(tǒng),而冷卻塔的冷卻水運行是開式循環(huán)系統(tǒng),當(dāng)兩者同時運行時,采用換熱器I把二者隔開,采用換熱器II進(jìn)行二次換熱,這樣機(jī)械制冷和冷卻塔就能同時運行了。

(3)空調(diào)末端

輻射末端可采用輻射吊頂、輻射墻、輻射地板的任一種形式或組合形式,當(dāng)然這要根據(jù)空調(diào)區(qū)的具體情況而決定。送風(fēng)末端可采用混合送風(fēng),也可采用置換通風(fēng)方式。目前比較流行的空調(diào)末端形式是輻射末端+置換通風(fēng)器,該形式具有較好的舒適性和節(jié)能性,而且空調(diào)工作區(qū)空氣品質(zhì)極佳。

3 系統(tǒng)特點

(1)高效節(jié)能

充分利用了西北地區(qū)干燥空氣可再生能源和免費供冷提供的冷風(fēng)和冷水資源,大大降低空調(diào)系統(tǒng)運行費用[4]。

(2)初投資少

一套系統(tǒng),既能冬季供暖,又可夏季供冷,全年使用,大大降低空調(diào)系統(tǒng)初投資。

(3)舒適性強(qiáng)

采用輻射空調(diào)系統(tǒng),室內(nèi)垂直溫度梯度小,舒適性提高,供冷、供暖效果優(yōu)于傳統(tǒng)的對流空調(diào)方式。

(4)生態(tài)環(huán)保

采用水為制冷劑的蒸發(fā)冷卻制冷方式,降低了CFCs的排放及溫室效應(yīng),符合環(huán)保要求[5]。

4 應(yīng)用領(lǐng)域

該復(fù)合式半集中空調(diào)系統(tǒng),適合于我國廣大的干燥地區(qū)、中濕度地區(qū)的旅館飯店、寫字樓、醫(yī)院、住宅、高層 (檔)建筑等場所。

5 運行模式

蒸發(fā)冷卻技術(shù)與輻射供冷相復(fù)合時,在中濕度地區(qū)的夏季運行模式與在西北炎熱干燥地區(qū)的運行模式有著顯著的不同,蒸發(fā)冷卻需要機(jī)械制冷的配合才能達(dá)到除濕效果。下面以圖2為研究對象,分別說明空調(diào)系統(tǒng)四季運行模式。

圖3 干燥地區(qū)夏季運行空氣處理h-d圖

a.夏季運行模式

夏季運行時,輻射供冷末端承擔(dān)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、日照熱負(fù)荷、室內(nèi)設(shè)備、人員的瞬時顯熱負(fù)荷。室內(nèi)的濕負(fù)荷和部分顯熱負(fù)荷由蒸發(fā)冷卻組合式空調(diào)機(jī)組承擔(dān),新風(fēng)處理到機(jī)器露點Lx后,送入室內(nèi)與輻射供冷末端處理后的室內(nèi)循環(huán)風(fēng)混合達(dá)到室內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)點Ox。其空調(diào)過程如圖3、圖4所示,空氣處理流程如圖5所示。

圖4 中濕度地區(qū)夏季運行空氣處理h-d圖

圖5 中濕度地區(qū)夏季運行空氣處理過程

b.春秋季運行模式

春秋季節(jié)時,室外相對濕度偏低,室外空氣工況點在室內(nèi)設(shè)計工況點的左側(cè),空調(diào)運行時,負(fù)荷分配同夏季。新風(fēng)處理到機(jī)器露點L后,送入室內(nèi)與輻射供冷末端處理后的室內(nèi)循環(huán)風(fēng)混合達(dá)到室內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)點O。其空調(diào)過程如圖6所示,空氣處理流程如圖7所示。

c.冬季運行模式

在冬季運行時,輻射供熱末端承擔(dān)室內(nèi)顯冷負(fù)荷,室內(nèi)的濕負(fù)荷和部分顯冷負(fù)荷由蒸發(fā)冷卻組合式空調(diào)機(jī)組承擔(dān),室外新風(fēng)處理到Wd'或Wd”后,送入室內(nèi)與輻射供熱末端處理后的室內(nèi)循環(huán)風(fēng)混合達(dá)到室內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)點Od。其空調(diào)過程如圖8所示,空氣處理流程如圖9所示。

圖9 冬季運行空氣處理過程

6 結(jié)束語

本文在基于蒸發(fā)冷卻和輻射供冷/熱空調(diào)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)上,提出了基于蒸發(fā)冷卻輻射供冷/熱復(fù)合式半集中空調(diào)系統(tǒng)形式,分析了該空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)特點、應(yīng)用領(lǐng)域及其運行模式。在西北干燥地區(qū),該復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的冷源采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)提供,在中濕度地區(qū),冷源采用以蒸發(fā)冷卻為主,兼以蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷相結(jié)合的形式,而不是通過傳統(tǒng)的機(jī)械制冷獲取。系統(tǒng)輻射末端形式齊全,布置靈活。蒸發(fā)冷卻新風(fēng)送風(fēng)采用置換送風(fēng)方式,節(jié)能效果明顯。

[1] 王如竹,黃翔,楊昭等.制冷學(xué)科進(jìn)展研究與發(fā)展報告[M].北京:中國制冷學(xué)會科學(xué)出版社,2007

[2] 黃翔.國內(nèi)外蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)研究進(jìn)展 (3)[J].暖通空調(diào),2007,37(4):24-29

[3] 陳啟,馬一太,馬利蓉.輻射供暖、供冷系統(tǒng)冷熱源的研究[J].煤氣與熱力,2005,25(9):14-18

[4] 黃翔,徐方成,武俊梅.蒸發(fā)冷卻在節(jié)能減排中的重要作用[J].制冷與空調(diào),2008,8(4):17-21

[5] 黃翔,狄育慧,吳志湘,等.空調(diào)工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006