蒸發冷卻空調系統在昌吉州社會福利中心的應用

趙祺 孫梅

中旭建筑設計有限責任公司

蒸發冷卻空調系統在昌吉州社會福利中心的應用

趙祺 孫梅

中旭建筑設計有限責任公司

我國西部地區氣候干燥，蒸發冷卻空調系統是一種很有潛力的高溫冷源獲取途徑。伴隨著溫濕度獨立控制理念的提出，蒸發冷卻高溫冷源與THIC的結合應用前景更加值得在西部地區推廣。本文從一個實際工程出發，介紹了間接蒸發冷水機組作為冷源的串聯式系統從方案對比到選型計算的詳細設計步驟，可作為設計人員在適合條件下設計該系統的參考模版。

蒸發冷卻 串聯 干工況盤管 設計方法

1 工程概況

本工程位于新疆自治區昌吉州市，建筑面積19864m2，地上塔樓12層，裙房5層，地下1層。裙房為老年人活動中心，塔樓為社會福利中心。裙房建筑高度為22m，塔樓建筑高度為48m。

2 系統選擇

《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）在7.3.16、8.1.1中已分別規定“在夏季室外空氣設計露點溫度較低的地區，宜采用間接蒸發冷卻冷水機組作為空調系統的冷源；經技術經濟比較合理時，宜采用蒸發冷卻空調系統”。本工程在設計之初就空調系統為甲方提供過方案對比，三種方案分別是：①冷源為風冷冷水機組，熱源為市政熱力本工程自設換熱站，末端為風機盤管加新風系統；②多聯機系統供冷，熱源為市政熱力本工程自設換熱站，末端為散熱器或地暖；③冷源為干空氣能間接蒸發冷水機組，熱源為市政熱力本工程自設換熱站，末端為地板輻射供冷供暖共用盤管，新風為干空氣能外冷型多級蒸發制冷空氣處理機組提供。最終采用了方案③，該方案主要有以下幾個方面的考慮：

1）在干燥地區，只要有水就可獲得非常大的干空氣能，且利用方式簡便，可持續利用，清潔無任何污染。炎熱干燥的夏季室外空氣濕度非常小，合理地將可再生能源干空氣能用于空調制冷，以代替常規能源，能夠大幅度地節省空調系統的運行能耗和費用，綜合投資也得到了有效降低，在節能減排的同時，對優化和改善不合理的用能結構體系有著重要的現實意義。

2）傳統冷水機組的濕工況風機盤管+新風系統，冷水機組制取7℃低溫冷水對空氣溫度和濕度同時進行處理，將導致制冷系統效率低，且溫濕度難以同時精確調節，冷凝盤管表面滋生霉菌，嚴重影響室內空氣品質。該系統應用于干燥炎熱地區，在降溫的同時再進行除濕，是對能源的一種浪費。干空氣能間接蒸發冷水機組的水分，制取空調所需高溫冷水，完美地解決了在西北地區實現溫濕度獨立控制所需要的高溫冷源問題，能以最小的代價實現溫濕度獨立控制系統。

3）本地區地處嚴寒氣候區，而本工程的建筑性質屬于老年人養老服務，老年人冬季為了避免空調有吹風感，冬季常規也要求盡量采用散熱器或地暖系統。《暖規》中同時要求老年人建筑散熱器必須安裝或加防護罩，安裝和加裝防護罩會給建筑效果帶來一定影響。采用基于干空氣能的溫濕度獨立控制空調系統的典型應用方式：干空氣能間接蒸發冷卻冷水機組的地板輻射供冷+獨立新風系統，冬季地板輻射供暖系統，可以完全滿足上述所有要求。

3 輻射供冷盤管與新風機組串聯流程

受冷水機組供回水溫升的限制，獨立新風加風機盤管系統中的新風機組與風機盤管間一般采用并聯的形式。在間接蒸發冷水機組允許的最大供回水溫差范圍內，其供回水溫升可以較大，對于大溫差小流量型機組可以達到10℃。本工程將地板輻射供冷與新風機組采用串聯的形式，如圖1所示。

圖1 間接蒸發冷水機組串聯水系統圖

間接蒸發冷水機組制取的冷水（16℃）先進入輻射盤管，盤管的回水（19℃）再送入外冷型多級蒸發制冷空氣處理機組，對室外新風進行處理。為了保證地板盤管的水質，設板式換熱機組對一次冷水進行換熱后用于地板盤管。輻射供冷盤管系統溫差定為3℃，經換熱后的供回水溫度為17.5℃、20.5℃。

4 設計方法

4.1 確定夏季室內、外設計參數

夏季空調室外干球溫度tw=33.5℃，濕球溫度ts,w= 19.5℃，大氣壓力Pw=91940Pa，含濕量dw=10.2g/kg，空氣密度ρw=1.038kg/m3。室內空調設計參數：干球溫度26℃，相對濕度￠n=55%，含濕量dn=12.92g/kg，空氣比焓hn=59.19kJ/kg。

4.2 分別計算室內顯熱冷負荷、潛熱冷負荷（濕負荷）并匯總

以一層報告廳系統為例，面積360m2，熱負荷28.8kW，顯冷負荷為31.1kW，濕負荷為13.97kg/h。

4.3 初選空調系統形式和設備類型

干空氣能間接蒸發冷水機組的設計出水溫度隨使用地點的氣象參數不同而變化顯著，設計計算時需要查閱廠家提供的所選機組在使用地點的出水溫度值。本工程主要功能為辦公室和養老病房適合采用空氣-水系統，故選用地板輻射盤管與外冷型多級蒸發空氣處理機組串聯的空調系統。冷水機組選用大溫差型，在昌吉出水溫度為16℃，地板盤管溫升為3℃，空氣處理機組進水溫度為16℃+3℃=19℃。干空氣外冷型多級蒸發制冷空氣處理機組的水溫升按下式計算[1]：

式中：Δt為干空氣外冷型多級蒸發制冷空氣處理機組水溫升，℃；R為干空氣外冷型多級蒸發制冷空氣處理機組風水比，m3/kg；tw為干空氣外冷型多級蒸發制冷空氣處理機組進風干球溫度（室外干球溫度），℃；tp為干空氣外冷型多級蒸發制冷空氣處理機組間接蒸發制冷段后空氣干球溫度，℃；Cp為濕空氣的定壓比熱；Cpw為水的定壓比熱；ρ為空氣密度；

將參數代入式（1），得：Δt=1.5×1.2×1.01× (33.5-22.5)/4.186=4.8℃

總的用戶供回水溫升為3℃+4.8℃=7.8℃，小于間接蒸發冷機允許的最大用戶溫差10℃。

4.4 確定新風機組夏季出風參數

1）機組的使用地點，昌吉自治州。

2）確定機組的風水比。風水比是指通過機組間接蒸發制冷段表冷器的空氣流量和冷水流量的比值，其中風量和水量的單位分別為m3/h和kg/h。這個參數是由設備生產廠家在設計制造時就確定的，本工程選用的外冷型多級蒸發制冷空氣處理機組有4種風水比配置，本工程根據機組項目使用地點、進水溫度及水溫，選擇1.5:1。

3）確定選用的直接蒸發制冷效率為90%。

4）從樣本選取機組出風參數圖，如圖2所示。

圖2 昌吉地區干空氣能外冷型多級蒸發制冷空氣處理機組圖

5）確定進水溫度（橫坐標）與該出風干球溫度曲線（藍色曲線）的交點所對應的左縱坐標值即為出風干球溫度to＝15.6℃。

6）確定進水溫度（橫坐標）與該出風含濕量曲線（綠色曲線）的交點所對應右縱坐標值即為出風含濕量do=10.8g/kg。

同樣，利用該出風參數圖也可確定出間冷段后、直冷段前的空氣狀態。確定過程與上面的確定過程類似，只需要將這時的直冷效率設為0%即可。在本工程中，間冷段后的空氣狀態為：干球溫度為22.5℃，含濕量為8.0g/kg。

新風在I-d圖上處理過程見圖3，室外點經間冷蒸發冷卻段處理等濕冷卻到O1點，O1點經直冷蒸發冷卻段處理到O2點，O2點即為新風送風狀態點，即上述確定的to＝15.6℃，do=10.8g/kg。

圖3 新風處理I-d圖

4.5 確定需要的新風量

此設計方法的新風量計算方法不同于常規系統，它是通過比較消除房間顯熱所需風量、以及按照除濕要求的最小新風量和滿足衛生要求的最小新風量，取三者最大值確定的（一般以消除房間顯熱計算新風量為最大）。它不同于風機盤管干式情況的新風量選取是因為地板輻射供冷系統受地面面積及盤管間距限制所能提供的顯冷量有限，不足部分的顯冷量需由新風系統負擔。在設計時，應按如下步驟進行：

1）按冬季室內熱負荷確定盤管面積及間距，從而查表得到夏季輻射供冷量。多功能廳盤管采用PE-RT材質，熱負荷28.8kW，盤管間距150mm，夏季盤管供冷量為30W/m2，盤管可提供顯冷量為10.8kW。

2）室內總顯冷負荷為31.1kW，地板盤管提供10.8kW，需新風承擔20.3kW。

3）按消除室內顯熱求新風量。由QX=CpρGX(tn-tQ) =1.01×1.2×GX(26-15.6)=20.3，求得：GX=6090m3/h

4）按消除余濕要求的最小新風量。由GH=W/[ρ(dndQ)]=13.97/[1.2×(12.92-10.8)]，求得：GH=5491m3/h

5）按滿足衛生要求的最小新風量。G=360/4×30= 2700m3/h。

6）取上述計算三者最大值作為該系統最大新風量GX=6090m3/h。

4.6 確定空氣處理機組型號與臺數

按照計算所需的風量，根據廠家樣本所提供的性能參數和結構參數，確定需要的干空氣能外冷型多級蒸發制冷空調機組。選型時要在計算風量基礎上考慮一定的漏風系數，選型結果見表1。

表1 外冷型蒸發制冷新風機組選型

4.7 校核盤管水量與新風機組水量之間的平衡

對于串聯系統冷凍水先經過顯冷末端設備，然后再流入新風機組，因此需要使二者所需的水量基本平衡，一般應滿足[1]：

式中：GAHU為干空氣能外冷型多級蒸發制冷空氣處理機組需要的總冷凍水量，m3/h；GFC為串聯顯冷末端設備需要的總冷凍水量，m3/h。

GFC的計算方法與常規空調系統一樣，GFC= 0.86Q/Δt，而GAHU的計算則不同，它是利用新風機組的新風量與機組風水比求得。表1中已列出本工程所選新風機組各型號的水量。

總的GAHU=116.7m3/h，總的GFC=430×0.86/3= 123.2m3/h（注：式中430為本工程全部地板盤管所負擔的顯熱冷負荷）。計算結果滿足GAHU≤GFC≤1.2GAHU。

4.8 制冷機組選型

對于串聯式空氣-水系統，系統需要的水量為顯冷末端所需總水量與干空氣能外冷型多級蒸發制冷空氣處理機組所需總水量的最大值。將系統需要的總水量乘以1.1～1.2的安全系數，作為干空氣能間接蒸發冷水機組需要的總水量，根據此水量和之前已經確定的大溫差型機組類型，參考冷水機組樣本，確定機組的型號和臺數。本項目選用SZHJ-S-I-2-26型號5臺，每臺流量為26m3/h，系統可提供總流量為130m3/h。

5 結語

在高溫干燥地區，通常當室外空氣的露點溫度低于14～15℃時，采用間接蒸發冷卻方式，可以得到接近16℃的空調冷水來作為空調系統的冷源，極大地減少了人工制冷的能耗。文獻[2]對可再生干空氣資源的應用區域進行了詳細分析，符合條件的地區應優先推廣采用。但蒸發冷卻空調也存在自身的不足，如受室外氣候環境、水資源、室內濕度要求等因素的制約。在工程設計中應通過技術經濟比較，合理地應用蒸發冷卻技術。

[1]郝小禮,陳亞男,于向陽,等.基于間接蒸發冷水機組的串聯空調系統設計方法[J].暖通空調,2013,43(1):41-45

[2]江億,謝曉云,于向陽.間接蒸發冷卻技術-中國西北地區可再生干空氣資源的高效應用[J].暖通空調,2009,39(9):1-4

Applic a tion of Eva pora tive Cooling Air Conditioning Sys te m in Cha ngji Sta te Soc ia l We lfa re Ce nte r

ZHAO Qi,SUN Mei
Zhongxu Planning&Architecture Design Co.,Ltd.

The climate is dry in the west of China,evaporative cooling air conditioning system is a promising approach for obtaining high temperature cold source.With the idea of temperature and humidity independent control,the prospect of combined application of evaporative cooling with high temperature cooling source and THIC is worthy of spreading in the western region.The detailed design procedure of the indirect evaporative water chiller unit from the comparison to the selection of the type of the scheme as cold source of series system is described.It can be used as reference template for designers.

evaporative cooling,series connection,dry condition coil,design method

1003-0344（2015）05-097-4

2014-6-15

趙祺（1984～），男，本科，工程師；北京市西城區車公莊大街4號新華1949園區中旭建筑設計有限責任公司（100037）；E-mail:zhaoqi@cadg.cn