溫濕度獨立控制+蒸發(fā)冷卻技術在西寧某辦公建筑的應用分析

武佳琛

溫濕度獨立控制+蒸發(fā)冷卻技術在西寧某辦公建筑的應用分析

武佳琛

（澳希工程顧問（上海）有限公司 上海 200063）

以西寧某高層辦公建筑為對象，基于風機盤管+新風系統(tǒng)的空調形式，結合當?shù)貧夂蛱攸c，尋求該樓夏季空調的較優(yōu)方案，探索溫濕度獨立控制和蒸發(fā)冷卻技術在其中的應用，并對各方案進行技術經(jīng)濟對比分析。經(jīng)分析，對新風采用間接+直接蒸發(fā)冷卻處理并結合加大新風量的方案是較優(yōu)的方案，其綜合機電成本最優(yōu)，且運行費用較常規(guī)方案節(jié)省約25%，這對具有相似氣候特點的空調系統(tǒng)設計具有一定借鑒意義。

辦公建筑；風機盤管；新風除濕；溫濕度獨立控制；蒸發(fā)冷卻；經(jīng)濟性

0 引言

隨著我國東西部的協(xié)同發(fā)展，西部重要城市的辦公寫字樓需求逐年增加，越來越多的高層乃至超高層建筑在城市中出現(xiàn)，并成為城市地標。我國西北五省，氣候干燥，夏季干熱，濕球溫度低，運用蒸發(fā)冷卻技術有顯著的技術優(yōu)勢和節(jié)能潛力[1-3]；得益于其布置靈活、控制方便和成本節(jié)省等優(yōu)勢，風機盤管是目前辦公建筑中應用較為廣泛的空調末端[4,5]；但基于風機盤管末端的辦公建筑蒸發(fā)冷卻技術應用研究相對較少[6]，溫濕度獨立控制系統(tǒng)在西北地區(qū)的應用也較為缺乏[7]。本文依托西寧某高層辦公建筑的設計，探究溫濕度獨立控制和蒸發(fā)冷卻技術在其中的應用，對其夏季空調方案及冷源形式進行技術經(jīng)濟分析，以確定較優(yōu)方案，進而希望對具有相似氣候特點的空調設計起到一定參考意義。

1 概況

1.1 建筑概況

該辦公地上建筑面積約8萬m2，建筑高度約120m。根據(jù)項目定位和實際條件等因素，確定該辦公樓空調熱源采用市政熱力，空調水系統(tǒng)采用兩管制，辦公區(qū)域采用“風機盤管+新風”的空調末端形式。

1.2 當?shù)啬茉磧r格

根據(jù)當?shù)卣l(fā)布數(shù)據(jù)，西寧商業(yè)電價按1.2元/kWh計，自來水價格按3.65元/m3計。

2 設計參數(shù)

2.1 辦公區(qū)域室內(nèi)設計參數(shù)

辦公區(qū)域夏季室內(nèi)設計參數(shù)如表1所示。

表1 辦公區(qū)域夏季室內(nèi)設計參數(shù)

2.2 西寧室外氣象參數(shù)

西寧的夏季空調室外設計參數(shù)如表2[8]所示。

表2 西寧夏季空調室外設計參數(shù)

圖1 西寧夏季辦公空調運行時段室外干濕球溫度變化曲線

由表2，并結合圖1[9]，西寧夏季室外的干濕球溫度整體較低，室外空氣含濕量明顯低于室內(nèi)空氣含濕量，這使得室外新風具備了“天然”的除濕能力，并為蒸發(fā)冷卻技術提供了應用潛力。

3 空調負荷統(tǒng)計

3.1 建筑負荷統(tǒng)計

利用華電源負荷計算軟件對空調負荷進行詳細計算，在設計工況下，整個辦公區(qū)域的全熱冷負荷約為3970kW，顯熱冷負荷約為4179kW，室外新風的低濕低焓貢獻了“負值”的新風潛熱，從而使得建筑全熱負荷低于顯熱負荷。

3.2 基準房間負荷統(tǒng)計

為便于對各空調比選方案分析，現(xiàn)設定一個120m2的基準辦公房間，依第2節(jié)室內(nèi)設計參數(shù)和室外設計參數(shù)計算其空調負荷，該房間的負荷統(tǒng)計列于表3。

表3 基準房間負荷統(tǒng)計表

注：房間最小新風量2.2節(jié)確定的按30m3/h·P新風標準計算。

綜合考慮設備布置條件、送風氣流組織和房間噪聲（≤45dB（A））等要求，對該基準辦公房間進行風機盤管末端的配置，選取4臺8號風機盤管（三排管）作為基準房間的室內(nèi)末端，配置風機盤管的臺數(shù)、型號和盤管排數(shù)均是常規(guī)范圍內(nèi)的較大值，保證了充足的末端換熱面積。該風機盤管配置的制熱能力亦滿足房間冬季熱負荷需求，后文將在此風機盤管選型的基礎上，確定各空調方案的空調冷水供回水溫度。

4 新風除濕可行性分析

針對由室外新風承擔房間全部濕負荷的可行性，本小節(jié)將對該問題進行具體分析計算：即能夠滿足房間濕負荷的“除濕”新風需要多少。根據(jù)房間濕量守恒，計算承擔房間濕負荷的新風量[9]：

式中，為新風量，m3/h；為室內(nèi)濕負荷，g/h；d為室內(nèi)空氣含濕量，g/kg干空氣；d為室外空氣含濕量，g/kg干空氣；為空氣密度，kg/m3，西寧地區(qū)取0.92；

按上式計算可得，在設計工況下滿足房間除濕要求的新風量為393.2m3/h，小于房間的最小新風量450m3/h，即在最小新風標準條件下，房間新風量足夠承擔房間的全部濕負荷。按照以上關系式反推最小新風標準下，滿足室內(nèi)設計濕度要求的室外最大允許含濕量約為12g/kg干空氣。根據(jù)西寧夏季室外空氣含濕量的變化，整個夏季中含濕量超過12g/kg干空氣且干球溫度超過22℃的小時數(shù)不足50小時，即在夏季空調的運行時間內(nèi)，室外新風可以滿足室內(nèi)濕負荷的處理需求，利用室外新風對室內(nèi)進行除濕具有可行性。

5 空調比選方案

設定基準方案A，即采用常規(guī)的電制冷冷水機組作為空調冷源，供給風機盤管和新風空調機組冷水，空調冷水供回水溫度為7/12℃。按上小節(jié)的分析，房間濕負荷全部由新風承擔具備可行性，基于此，再提出方案B和方案C，各方案的主要特點及空調冷源形式如表4，理論上風機盤管的冷源也可采用間接蒸發(fā)冷水機組，但按設計工況，該設計不能滿足室內(nèi)的負荷需求，故不將其納入比選方案，此處不再贅述。

表4 各比選方案匯總對比表

以下對方案B和方案C進行闡述。

5.1 比選方案B：新風免費除濕

方案B空調新風按最小新風標準，即30m3/h·P，室外新風不進行冷卻處理，只進行必要的空氣凈化后送入室內(nèi)，按上小節(jié)分析，該狀態(tài)下的新風可以承擔室內(nèi)的全部濕負荷；房間全部的顯熱負荷由室內(nèi)的風機盤管承擔，風機盤管的冷水由冷水機組提供。這實際形成一套溫濕度獨立控制的空調系統(tǒng)，將房間熱濕的處理過程解耦后，風機盤管不處理房間濕負荷，其供回水溫度可進行一定提升，從而使空調冷源的運行能效得到提升。

應當注意，直接送入室內(nèi)的新風在滿足室內(nèi)濕負荷處理需求的同時，也將新風的顯熱負荷帶入了室內(nèi)，這部分的顯熱負荷和室內(nèi)的顯熱負荷由室內(nèi)的風機盤管一并承擔。按下式（2）計算新風帶入室內(nèi)的顯熱負荷：

式中，1為新風顯熱負荷，kW；C為空氣定壓比熱容，J/(kg·℃)，取1.01；T為室外設計干球溫度，取26.5℃；T為室內(nèi)設計干球溫度，取25℃；

按設定基準房間，計算得新風所帶入室內(nèi)的顯熱負荷約為0.17kW，房間的總顯熱負荷為9.6+0.17=9.8kW。圖2為8號風機盤管顯熱處理能力隨冷水供水溫度變化（供回水溫差均為5℃）的變化曲線[10]，當冷水供回水溫度為7/12℃時，單臺風機盤管的顯熱處理能力約為6.1kW，相較于房間顯熱負荷，該末端處理制冷能力顯然“富富有余”；按基準房間9.8kW的總顯熱負荷，并考慮合適的安全系數(shù)，在本方案中選取的冷水機組供回水溫度為11/16℃。

圖2 8號風機盤管（三排管）顯熱處理能力隨冷水供水溫度變化

5.2 比選方案C：對新風進行兩級蒸發(fā)冷卻處理

在方案B中，房間顯熱負荷均由風機盤管承擔，為進一步利用室外干燥空氣的節(jié)能潛力，方案C引入蒸發(fā)冷卻技術，由外冷型兩級蒸發(fā)冷卻空氣處理機組對新風進行處理，仍由新風承擔室內(nèi)的全部濕負荷，處理過的新風同時也將承擔一部分房間的顯熱負荷，室內(nèi)其余的顯熱負荷由風機盤管承擔，風機盤管的冷水由冷水機組提供。外冷型兩級蒸發(fā)冷卻空氣處理機組的示意圖如圖3所示，進入機組室外新風先經(jīng)過間接蒸發(fā)冷卻段的冷卻處理，該段的冷水由間接蒸發(fā)冷水機組提供，再經(jīng)過一段直接蒸發(fā)冷卻段，將新風處理至送風狀態(tài)點。

圖3 外冷型兩級蒸發(fā)冷卻空氣處理示意圖

間接蒸發(fā)冷水機組的原理示意圖如圖4所示。

圖4 間接蒸發(fā)冷水機組示意圖

方案C中新風的空氣處理過程如圖5所示：即室外新風先經(jīng)過表冷段的等濕冷卻，處理到W1點，再經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻段，將空氣處理到送風狀態(tài)點O，直接蒸發(fā)冷卻是近似的等焓加濕降溫的過程。送風狀態(tài)點O為不低于室內(nèi)的露點溫度要求（16.7℃）和1.5℃的風機溫升的設計結果，空氣相對濕度按95%。

圖5 方案C中新風處理過程

各處理狀態(tài)點的參數(shù)如表5所示。

表5 方案C中新風處理各狀態(tài)點參數(shù)

經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻段的空氣處理過程，新風的送風溫度進一步的降低，對處理室內(nèi)的顯熱負荷有利，但新風增加的含濕量降低了新風的除濕能力。因此，為滿足房間全部濕負荷的要求，需加大房間的新風送入量；按公式（1）的濕量守恒原理，計算可得基準房間的新風量約為760m3/h，相當于房間的人均新風標準提升至50m3/P。考慮方案的可操作性，方案C的新風量取最小新風量的2倍，即人均新風標準按60m3/P，這樣可利用雙速風機實現(xiàn)新風空氣處理機組冬夏工況的切換。

增大新風量會增加額外的新風輸送能耗，但新風的顯熱處理能力會進一步增強，按下式（3）計算可得，本方案下基準房間的新風能夠承擔的房間顯熱負荷約為1.92kW。這樣，室內(nèi)風機盤管所承擔的顯熱負荷得到一定程度的削減，按基準房間，室內(nèi)風機盤管承擔的顯熱負荷約為7.9kW，選取經(jīng)濟合理的冷水機組供回水溫度為13/18℃。

式中，2為新風承擔的室內(nèi)顯熱負荷，kW；T為室內(nèi)設計干球溫度，取25℃；T為新風送風溫度，取15.2℃。

6 各方案經(jīng)濟性對比

對各比選方案A、B和C的進行綜合經(jīng)濟性對比分析，確定其中較優(yōu)方案。

6.1 主要設備配置及初投資估算

按照設計總負荷，對方案A、B和C，空調冷源的主要設備進行選型，并估算其設備初投資費用，結果如表6和表7所示。

表6 方案A&B空調冷源主要設備選型及初投資費用

表7 方案C空調冷源主要設備選型及初投資費用

6.2 運行費用估算

空調系統(tǒng)全年或季節(jié)能耗的計算，有度日法、當量滿負荷運行時間法、負荷頻率法等[12]，其中負荷頻率法簡稱BIN法，該方法計算不同負荷下的能耗，并根據(jù)負荷頻率數(shù)，累加可得全年或季節(jié)的總能耗。運用負荷頻率法估算各夏季空調方案的運行費用，結果如表8、表9和表10所示。

表8 方案A空調冷源運行費用

表9 方案B空調冷源運行費用

表10 方案C空調冷源運行費用

在方案C中加大新風量運行，新風進行間接蒸發(fā)冷卻+直接蒸發(fā)冷卻的空氣處理，新風能夠承擔的室內(nèi)總顯熱負荷約為930kW，占室內(nèi)總顯熱負荷的23%。保守認為：當室內(nèi)顯熱負荷≤設計工況的23%時，僅開啟空調新風及其相關的間接蒸發(fā)冷水機組和直接蒸發(fā)冷卻段（不需開啟冷水機組）即可滿足負荷需求；當室內(nèi)顯熱負荷>設計工況的23%時，需開啟相應冷水機組系統(tǒng)，承擔其余的室內(nèi)顯熱負荷。

6.3 各方案經(jīng)濟性對比

匯總各方案的經(jīng)濟性計算結果如表11所示。

表11 各方案經(jīng)濟性匯總結果

7 結論

綜合以上分析，可得結論如下：

（1）西寧地區(qū)的室外新風本身已具備了相當?shù)某凉衲芰Γ?0m3/h·P的新風標準，室外新風可承擔室內(nèi)的全部濕負荷，不需再考慮其它除濕手段；方案B采用溫濕度獨立控制的空調方案，由室外新風直接承擔房間的濕負荷，由風機盤管承擔房間全部的顯熱負荷；該方案較好的匹配了西寧地區(qū)的氣候特點，其夏季空調的運行費用較方案A節(jié)省約12%。

（2）方案C的空調方案進一步利用蒸發(fā)冷卻技術，由間接蒸發(fā)冷水機組+兩級蒸發(fā)冷卻空氣處理機組對空調新風進行處理，承擔房間全部的濕負荷和約20%的顯熱負荷，由風機盤管承擔其余的顯熱負荷；該方案在夏季相當?shù)臅r間段內(nèi)，不需要開啟電制冷冷水機組就可以滿足房間的制冷需求；方案C主要設備初投資較方案A和方案B節(jié)省約2%，夏季空調運行費用較方案A節(jié)省約25%，較方案B節(jié)省約13%。

（3）方案C同時還降低了冷水機組的容量，其用電功率需求最低，可間接降低變壓器容量，其綜合機電成本最優(yōu)；此外，在方案C中，房間的新風量倍增，提高了室內(nèi)的空氣品質和舒適度，對辦公檔次的提升也大有裨益；雖然增大空調新風量會對建筑核心筒的管井面積及避難層機房的面積產(chǎn)生一定影響，但本案均可處理解決，最終選用方案C作為其夏季空調方式。

（4）“風機盤管+新風”是辦公建筑中廣泛應用的末端空調形式，本文推薦的空調方案對于其它類似氣候地區(qū)具有一定的參考意義。空調系統(tǒng)的設計需要密切結合當?shù)氐臍夂颦h(huán)境特點，因地制宜“訂制”的空調系統(tǒng)往往能事半功倍，實現(xiàn)舒適性和經(jīng)濟性的兼而有之。

[1] 黃翔,徐方成,武俊梅.蒸發(fā)冷卻空調技術在節(jié)能減排中的重要作用[J].制冷與空調,2008,4(8):17-20.

[2] 張登春,陳煥新.蒸發(fā)冷卻空調技術在我國干燥低區(qū)的應用研究[J].建筑熱能通風空調,2001,20(3):12-14.

[3] 顏蘇芊,黃翔,文力,等.蒸發(fā)冷卻技術在我國各區(qū)域適用性分析[J].制冷空調與電力機械,2004,25(3):25-28.

[4] 沈列丞.風機盤管干工況運行空調系統(tǒng)在辦公建筑中的應用[D].上海:同濟大學,2006.

[5] 王華平,周翔,林忠平,等.風機盤管加新風系統(tǒng)在高層辦公建筑中的應用[C].上海市制冷學會1997年學術年會論文集,1997.

[6] 李建霞,阿麗華.蘭州地區(qū)蒸發(fā)冷卻技術在辦公建筑中的應用分析[J].制冷,2010,29(4):82-84.

[7] 陳偉青,張良明,金紅波,等.溫濕度獨立控制空調系統(tǒng)在某高層寫字樓中的應用[J].制冷,2014,33(1):59-63.

[8] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[9] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[10] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊（第二版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[11] 馬樹連.風機盤管機組冷、熱量綜合表達式與應用[J].暖通空調,1988,(3):9-15.

[12] 劉東,潘志信,賈玉貴.常見能耗分析方法簡介[J].河北建筑工程學院學報,2005,23(4):29-32.

Application Analysis of Independent Temperature-humidity Control and Evaporative Cooling in an Office Building in Xining

Wu JIiachen

( LC-MEP Consultant, Shanghai, 200063 )

This article takes a high-rise office building in Xining as an object, the air conditioning terminal unit is FCU+PAU. Combining the characteristics of the local climate, the independent temperature & humidity control and evaporative cooling technology is applicated; Depending on the economic analysis, a better plan of air conditioning scheme is obtained. After comparison, the plan which uses the indirect + direct evaporative cooling treatment for fresh air increasing fresh air volume is a better plan. In the plan, the overall mechanical and electrical cost is the best, and the operating cost is about 25% less than the conventional plan. This research result can be used for reference by other buildings in the similar climate region.

office building; fan coil unit; fresh-air-dehumidification; independent temperature and humidity control; evaporative cooling; economic analysis

1671-6612（2021）03-412-07

TU831

A

武佳琛（1987.10-），男，碩士，工程師，E-mail：pslwty@163.com

2021-01-14