干燥地區蒸發冷卻空調系統運行效果及能耗分析

金洋帆 黃 翔 吳 磊 寇 凡 褚俊杰

干燥地區蒸發冷卻空調系統運行效果及能耗分析

金洋帆1黃 翔1吳 磊1寇 凡1褚俊杰2

（1.西安工程大學 西安 710048；2.中國建筑科學研究院有限公司 北京 100013）

介紹了蒸發冷卻空調系統的形式，并進行了簡單的分類。提出蒸發冷卻空調系統分別從冷源側、輸配側、末端側的耗電量計算方法。通過對新疆某醫院采用空氣—水蒸發冷卻空調系統和干燥地區某機場配餐中心采用全空氣蒸發冷卻空調系統的室內溫濕度及整體耗電量實測數據對比分析，來評價蒸發冷卻空調系統的運行效果及能耗，得出實測的室內平均溫度均為23.6℃，都低于室內溫度的設計值；同時室外環境的濕球溫度對空調系統的耗電量影響較為明顯，當室外環境的濕球溫度升高時，空調系統的耗電量也隨之增大。并且給出了蒸發冷卻空調系統的優化建議。

干燥地區；空氣—水蒸發冷卻空調系統；全空氣蒸發冷卻空調系統；運行效果；能耗分析

0 前言

目前，蒸發冷卻空調系統在西部炎熱干燥地區已得到廣泛應用，然而在社會的能源消耗中，建筑能耗在總能耗所占的比重很大，約為20%~35%。而空調能耗大約占到整個建筑能耗的60%以上，以電力能源消耗為主，而且有逐年增大的趨勢[1]。為了應對建筑能耗中空調能耗所占比例不斷上升的現狀，在干燥地區，根據其氣候特點首選考慮使用可再生能源——干空氣能。

在空調系統中，冷源側機組能耗最高，末端側設備以及輸配側循環水泵和風機次之。由此可見，對于蒸發冷卻空調系統的節能，最有效且可行的方法是降低冷源側機組能耗，同時要兼顧冷量輸配系統的合理設計，即降低冷量輸配系統中的循環水泵和風機的能耗[2]。通過對蒸發冷卻空調系統耗電量的對比分析，提出科學合理的運行策略，來降低空調系統運行能耗顯得很有意義。

1 蒸發冷卻空調系統形式

1.1 空氣-水蒸發冷卻空調系統

空氣-水蒸發冷卻空調系統主要由蒸發冷卻冷水機組、蒸發冷卻新風機組、輸送系統及室內末端組成。該系統新風經蒸發冷卻新風機組集中處理后送入空調房間，高溫冷水由蒸發冷卻冷水機組制取后送入室內顯熱末端[3,4]?？諝?水蒸發冷卻空調系統的分類如表1所示。

表1 空氣—水蒸發冷卻空調系統的分類

1.2 全空氣蒸發冷卻空調系統

全空氣蒸發冷卻空調系統主要由蒸發冷卻空調機組和送排風系統組成。該系統的空調區室內負荷全部由經過蒸發冷卻空氣處理機組處理后的空氣來負擔的空調系統[5,6]。與傳統機械制冷空調系統相比，具有以下特點：（1）空氣處理機組增加了間接蒸發冷卻器和直接蒸發冷卻器，其中間接蒸發冷卻器形式又可分為外冷式和內冷式，而且間接蒸發冷卻器（段）的種類及級數視具體情況而定。（2）風系統形式多是直流全新風空氣系統，而傳統的全空氣系統多采用混合式系統。特殊建筑或特殊季節全空氣蒸發冷卻空調系統也會采用混合式或全回風系統，比如熱負荷較大的數據機房，夏季極端工況時蒸發冷卻空調系統也會采用混合式系統，可大大降低空調系統的能耗。（3）蒸發冷卻空調系統中既有一次空氣系統，又有二次空氣系統，而傳統的全空氣式空調系統中沒有一、二次空氣系統之分。全空氣蒸發冷卻空調系統的分類如表2所示。

表2 全空氣蒸發冷卻空調系統的分類

2 空調系統耗電量計算

2.1 冷源側

（1）蒸發冷卻冷水機組耗電量

根據供冷期內不同室外氣象條件下空調供冷能耗需求，通過控制間接蒸發冷卻冷水機組運行臺數來適應不同室外氣象條件下建筑冷負荷的需求，以提供所需制冷量。

蒸發冷卻冷水機組耗電量（P）計算

P=∑i···（1）

式中：為小時數，h；為滿負荷運行的間接蒸發冷水機組的臺數；為輸入功率修正系數，取0.9；為間接蒸發冷卻冷水機組額定功率，kW。

（2）蒸發冷卻空調機組耗電量（P）計算

P=∑P·i/(3600·1000·1·2) （2）

式中：P為第小時風機全壓；Q為第小時風機風量；1為風機效率；2為傳動效率；為電機容量安全系數。

2.2 輸配側

（1）供冷期冷水循環水泵累計耗電量（P）計算

P=∑[P·j] （3）

式中：P為冷水循環泵非名義工況下的輸入功率，kW；j為冷水循環泵運行臺數。

（2）排風機耗電量（P）計算

P=∑P·Q/(3600·1000·1·2) （4）

2.3 累計耗電量

夏季空調累計耗電量（總）是供冷期空調冷水機組耗電量、冷水循環水泵耗電量、空調機組、排風機耗電量之和。

總=P+P+P+P（5）

3 空調系統運行效果及能耗分析

為了評價空調系統運行效果及能耗，對空調系統制冷效果室內溫濕度及整體耗電量指標進行監測與分析。

3.1 新疆某醫院空氣—水蒸發冷卻空調系統

新疆某醫院采用空氣—水蒸發冷卻空調系統，空調系統冷源采用間接蒸發冷水機組，機組供回水溫度16～21℃，通過板換系統換熱，末端為室內干式風機盤管、蒸發冷卻空氣處理機組及地板輻射供冷系統提供高溫冷水[7]。

在空調系統運行期間（6月28日～9月24日）進行監測，該工程室、內外環境實測參數如表3所示。

表3 新疆某醫院室、內外環境實測參數

圖1 新疆某醫院室外日平均干球溫度與日累計耗電量關系圖

圖2 新疆某醫院室外日平均濕球溫度與日累計耗電量關系圖

系統主要耗能設備有間接蒸發冷水機組、供冷循環泵耗電量、蒸發冷卻空氣處理機組、干式風機盤管等空調系統設備，監測期間，新疆某醫院空氣—水蒸發冷卻空調系統運行84天，共計運行2016h，空調系統累計耗電量為321504.3kWh，每天每平米空調系統耗電量約為0.0717kWh，每平米的建筑耗電量約為6.311kWh。

空調運行期間室外日平均干球溫度與濕球溫度對日累計耗電量的關系如圖1和2所示。

3.2 干燥地區某機場配餐中心全空氣蒸發冷卻空調系統

干燥地區某機場配餐中心采用以復合式露點間接蒸發冷卻空調機組為冷源的全空氣蒸發冷卻空調系統，同時每臺空調機組對應1臺排風機，將室內濕熱空氣排出室外，完成相應的空調循環[8]。

在空調系統運行期間（6月19日～8月2日）進行監測，運行時間為每日09:30～17:30，每天空調系統運行時長為8h，累計運行45天?？照{系統運行期間，室內、外環境平均環境參數如表4所示。

表4 干燥地區某機場配餐中心室、內外環境實測參數

系統主要耗能設備有復合式露點間接蒸發冷卻空調機組、排風機等空調系統設備。干燥地區某機場配餐樓總擺盤間和熱廚夏季空調供冷面積為362m2，空調系統累計耗電量為1240kWh，每天每平米空調系統耗電量約為0.076kWh，每平米的建筑耗電量約為3.425kWh。該空調系統運行期間室外日平均干球溫度與濕球溫度對日累計耗電量的關系如圖3和4所示。

圖3 干燥地區某機場配餐中心室外日平均干球溫度與日累計耗電量關系圖

圖4 干燥地區某機場配餐中心室外日平均濕球溫度與日累計耗電量關系圖

3.3 對比分析

將空氣—水與全空氣蒸發冷卻空調系統分別各取兩種類型的建筑進行能耗對比分析，其結果如表5所示。由于不同項目的蒸發冷卻空調系統運行規律各不相同，用以一天為單位，對系統耗電量進行計算，最終得出各工程的每天每平米空調系統耗電量作為系統每天耗電指標[9]，通過對比得出以下結果：

（1）運行效果：室內環境溫濕度指標應滿足《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736-2012要求，供冷工況，溫度24～26℃，濕度40～60%[10]。新疆某醫院采用空氣—水蒸發冷卻空調系統和干燥地區某機場配餐中心全空氣蒸發冷卻空調系統的實測室內溫度均為23.6℃，都低于設計的室內溫度指標，且相差不多，總體不會影響空調系統的運行效果。

（2）運行能耗：新疆某醫院空氣—水蒸發冷卻空調系統每天每平米空調系統耗電量為0.0717kWh/(m2·d），干燥地區某機場配餐中心全空氣蒸發冷卻空調系統耗電指標為0.076kWh/(m2·d），兩者幾乎相等，但是新疆某醫院空氣—水蒸發冷卻空調系統每天的運行時間要比干燥地區某機場配餐中心全空氣蒸發冷卻空調系統多出16個小時，而在同一時間內空氣—水蒸發冷卻空調系統實際耗電量更少。

（3）對于空氣—水蒸發冷卻空調系統，室外日平均濕球溫度對空調系統日累計耗電量的影響較為明顯；對于全空氣蒸發冷卻空調系統，室外日平均干、濕球溫度與空調系統日累計耗電量沒有明顯的規律可循。

表5 空氣—水全與空氣蒸發冷卻空調系統能耗對比

4 優化建議

（1）室內溫濕度環境參數實測值與前期設計值存在一定的偏差，這往往是由于在設計過程中將系統的冷源設備選型過大，富裕值過高，這樣會增加設備的能耗，從而加大整個空調系統的耗電量。建議蒸發冷卻空調系統在前期設計時就應該正確計算、模擬以及校核，避免不必要的能源浪費。

（2）蒸發冷卻空調系統受室外環境的濕球溫度影響較大。因此，應該根據室外環境參數和負荷變化來調節系統運行策略，優化空調系統自動控制模式，從而降低整個空調系統的運行能耗，減少運行費用。

（3）針對不同形式的蒸發冷卻空調系統，應結合實際的運行情況科學地計算其耗電量及室內溫濕度評價指標，不同形式的空調系統應該用同一評價指標來進行全面分析，進而為評價不同形式的蒸發冷卻空調系統耗電量和室內溫濕度提供依據。

（4）為全面評價蒸發冷卻空調系統的運行效果及能耗，建議細化整個空調系統的每個耗能環節，可以從冷源側、輸配側和末端側分別進行評價，從而簡化整個系統的評價，為優化蒸發冷卻空調系統的運行效果和降低能耗都有一定的指導價值。

5 結論

（1）新疆某醫院采用空氣—水蒸發冷卻空調系統和干燥地區某機場配餐中心全空氣蒸發冷卻空調系統實測的室內平均溫度均為23.6℃，都低于室內溫度的設計值，雖然不會影響空調系統的運行效果，但從耗能的角度來說，額外增加了空調系統的能耗。

（2）通過實際測試數據對比分析，得出在干燥地區大型公用建筑中空氣—水蒸發冷卻空調系統相對于全空氣蒸發冷卻空調系統運行能耗較低，而全空氣蒸發冷卻空調系統因系統相對簡單、運行靈活，適用于中小型建筑。因此，針對不同的應用場所，選擇合適的蒸發冷卻空調系統形式是十分重要的。

（3）在干燥地區，蒸發冷卻空調系統充分利用可再生能源——干空氣能，大大降低了冷源側機組的能耗，對于空氣—水蒸發冷卻空調系統，室外環境的濕球溫度對空調系統的耗電量影響較為明顯，當室外環境的濕球溫度升高時，空調系統的耗電量也隨之增大。

[1] 2019中國建筑能耗研究報告[J].建筑,2020,(7):30-39.

[2] 嚴錦程,黃翔,周理,等.新疆某辦公樓蒸發冷卻空調系統應用及效益分析[J].制冷與空調,2020,20(3):1-9,22.

[3] 黃翔.空調工程[M].北京:機械工業出版社,2006:289- 291.

[4] 黃翔,白延斌,汪超,等.水-空氣蒸發冷卻空調系統的設計方法[J].流體機械,2014,42(03):76-80,52.

[5] 黃翔.蒸發冷卻空調原理與設備[M].北京:機械工業出版社,2019:30-32.

[6] 黃翔,白延斌,汪超,等.全空氣蒸發冷卻空調系統的設計方法[J].流體機械,2014,42(1):68-74.

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[8] 黃凱新.蒸發冷卻空調系統在機場的節能應用研究[D].西安:西安工程大學,2019:50-52.

[9] 王玉嬌,劉鳴.新疆辦公建筑能耗及其影響因素分析[J].暖通空調,2018,48(6):13-16.

[10] GB50736-2012,民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

Analysis of Operation Effect and Energy Consumption of Evaporative Cooling Air Conditioning System in Dry Area

Jin Yangfan1Huang Xiang1Wu Lei1Kou Fan1Chu Junjie2

( 1.Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048;2.China Academy of Building Research, Beijing, 100013 )

The form of evaporative cooling air-conditioning system is introduced, and simple classification is carried out. A calculation method for the power consumption of the evaporative cooling air-conditioning system from the cold source side, the transmission and distribution side, and the terminal side is proposed. Evaluate the operating effect of the evaporative cooling air-conditioning system by comparing and analyzing the measured data of indoor temperature, humidity and overall power consumption of an air-water evaporative cooling air conditioning system in a hospital in Xinjiang and an all-air evaporative cooling air conditioning system in an airport catering center in a dry area. And energy consumption, the measured indoor average temperature is 23.6℃, which is lower than the design value of the indoor temperature. At the same time, the wet bulb temperature of the outdoor environment has a significant impact on the power consumption of the air conditioning system. When it rises, the power consumption of the air conditioning system also increases. And the optimization suggestions of evaporative cooling air conditioning system are given.

Dry area; Air-water evaporative cooling air conditioning system; All-air evaporative cooling air conditioning system; running result; Energy consumption analysis

TU83

A

1671-6612（2021）01-064-06

“十三五”國家重點研發計劃項目（2016YFC0700404）；西安工程大學研究生創新基金資助項目（chx2020040）

金洋帆（1994.03-），男，在讀碩士研究生，E-mail：909084955@qq.com

黃 翔（1962.07-），男，教授，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2020-11-03