間接蒸發與機械制冷冷水機組協同運行策略*

0 引言

我國西部干熱氣候地區適合采用節能、環保的蒸發冷卻空調方式。間接蒸發冷水機組是蒸發冷卻技術應用形式之一，可制取高溫冷水，其出水溫度介于室外空氣濕球溫度與露點溫度之間[1]。不同地區應用間接蒸發冷水機組時，由于空調室外計算濕球溫度存在差異，濕球溫度較高地區所得到的冷水溫度較高。同一地區應用間接蒸發冷水機組時，冷水溫度也會因氣象參數變化有較大波動。

采用高溫冷水的空調系統需配置顯熱末端裝置，如干工況風機盤管，毛細管網輻射頂、墻、地面，金屬輻射頂板，冷梁等。空調冷水溫度越高，與室內溫差越小，即換熱溫差變小，顯熱末端裝置單位風量或單位輻射面積供冷能力越低，空調系統經濟性越差，空調系統設計冷水溫度應低于18 ℃[2]。我國西部較多地區間接蒸發冷水機組設計出水溫度在18 ℃以上，顯熱末端裝置一次投資較大，制約了蒸發冷卻技術的廣泛應用。采用間接蒸發冷水機組與機械制冷冷水機組復合式冷水系統，可降低系統設計供水溫度。室外濕球溫度較低、間接蒸發冷水機組可制取較低溫度冷水時，利用間接蒸發冷水機組單獨供冷；室外濕球溫度較高、間接蒸發冷水機組制取的冷水溫度較高時，間接蒸發冷水機組與機械制冷冷水機組聯合供冷。這種方式可以促進西部更多地區應用蒸發冷卻，從而縮短機械制冷的使用時間。

1 間接蒸發冷水機組運行工況分析

1.1 間接蒸發冷水機組運行工況分析

間接蒸發冷水機組(以下簡稱“高溫機組”)與機械制冷冷水機組(以下簡稱“低溫機組”)協同運行時需要確定3種工況：一是高溫機組出水溫度較低時，可獨立承擔空調冷負荷的單獨供冷工況；二是高溫機組出水溫度較高時，高、低溫機組共同承擔空調冷負荷的聯合供冷工況；三是高溫機組出水溫度高時，低溫機組單獨供冷工況。這3種工況對應的室外參數分布時間可反映出蒸發冷卻節能優勢是否得到充分發揮，亦是制定高、低溫機組協同運行策略的重要依據。

高溫機組設計出水溫度比室外設計露點溫度高3～5 ℃時，機組經濟性較好[1]。高溫機組出水溫度tL≤20 ℃時，才具有用作空調冷源的經濟合理性[1]。高溫機組出水溫度為15 ℃左右的工況分布時數較多時，空調系統顯熱末端的經濟性可得以明顯改善[2-3]。如果高、低溫機組復合式冷水系統設計供水溫度為15 ℃，高溫機組出水溫度tL≤15 ℃區間就是高溫機組單獨供冷工況，高溫機組出水溫度15 ℃20 ℃區間就是低溫機組單獨供冷工況。

以烏魯木齊、蘭州、銀川為例，由室外露點溫度tDP可推算出高溫機組的出水溫度tL(tL=tDP+4 ℃)。利用典型氣象年數據[4]，可統計出3個干熱氣候地區代表城市供冷季(6—8月)室外露點溫度tDP≤16 ℃的分布時數，即高溫機組出水溫度tL≤20 ℃的可供冷時數。同時統計了室外露點溫度tDP≤11 ℃的分布時數，即高溫機組出水溫度tL≤15 ℃的單獨供冷時數。統計結果見表1。

表1 代表城市供冷季(6—8月)高溫機組可供冷與單獨供冷時數

由表1可知，烏魯木齊高溫機組出水溫度tL≤20 ℃的可供冷時數占供冷期總時數的99.5%，可全供冷期供冷，其中：出水溫度tL≤15 ℃的可單獨供冷時數占75.5%，出水溫度15 ℃20 ℃，需低溫機組單獨供冷。銀川高溫機組出水溫度15 ℃20 ℃，需低溫機組單獨供冷。

烏魯木齊、蘭州采用高、低溫機組復合式冷水系統，是以蒸發冷卻設備供冷為主，機械制冷設備供冷為輔；銀川則是以機械制冷設備供冷為主，蒸發冷卻設備供冷為輔。具體工程應用時，應根據高溫機組運行工況分析及冷源、末端設備配置等對復合式冷水系統進行技術經濟分析，因地制宜，合理地發揮蒸發冷卻節能運行的優勢。

1.2 高、低溫機組配置容量

由第1.1節分析可知，采用高、低溫機組復合式冷水系統有3種運行工況，即高溫機組單獨供冷、高低溫機組聯合供冷、低溫機組單獨供冷。將3種工況對應的等濕線在焓濕圖上表示出來，見圖1。

圖1 高溫機組運行工況區

圖中tsj為當地空調室外計算濕球溫度；hj為對應于tsj的比焓；t11、t16分別為對應于露點溫度11、16 ℃的等溫線；d11、d16分別為對應于露點溫度11、16 ℃的等濕線，即高溫機組出水溫度可達到15、20 ℃的等濕線。由飽和線、等焓線hj、等濕線d11、d16在焓濕圖上包絡出3個區。Ⅰ區是高溫機組出水溫度tL≤15 ℃的工況區，Ⅱ區是高溫機組出水溫度15 ℃20 ℃的工況區。

對于烏魯木齊，Ⅰ區是高溫機組單獨供冷區，干球溫度高，空調室外計算干球溫度出現在該區，高溫機組容量需滿足設計工況下建筑冷負荷需求；Ⅱ區是高、低溫機組聯合供冷區，干球溫度較高，由高、低溫機組共同承擔該區最大建筑冷負荷。

對于蘭州，Ⅰ區是高溫機組單獨供冷區，干球溫度較高，高溫機組容量需滿足該區最大建筑冷負荷需求；Ⅱ區是高、低溫機組聯合供冷區，干球溫度高，空調室外計算干球溫度出現在該區，高、低溫機組共同承擔設計工況下冷負荷；Ⅲ區是低溫機組單獨供冷區，干球溫度較低，接近于空調室外計算濕球溫度，低溫機組容量還需滿足該區最大建筑冷負荷需求。

對于銀川，Ⅱ區是高、低溫機組聯合供冷區，干球溫度高，空調室外計算干球溫度出現在該區，高、低溫機組共同承擔設計工況下冷負荷；Ⅲ區是低溫機組單獨供冷區，干球溫度較低，接近于空調室外計算濕球溫度，低溫機組容量還需滿足該區最大建筑冷負荷需求。

綜上分析，不同氣象條件下高、低溫機組運行的工況區和負荷狀態不同，高、低溫機組容量應同時滿足各工況區最大建筑冷負荷的需求。各工況區建筑最大冷負荷小于設計工況下建筑冷負荷，需結合建筑冷負荷特性經動態計算分析確定。

2 高、低溫機組復合式冷水系統

高溫機組與低溫機組復合式冷水系統的形式主要有串聯式和雙溫式。

2.1 串聯復合式冷水系統

串聯復合式冷水系統見圖2。該系統中高溫機組為大溫差機組，進/出水溫度為20 ℃/30 ℃，管段標注水溫是為了便于說明運行原理，具體工程存在差異。高溫機組通過換熱器與低溫機組及空調末端串聯在一起。空調末端(顯熱末端和新風機組冷卻盤管)26 ℃的冷水回水先經換熱器被高溫機組冷卻至21 ℃，再經低溫機組進一步冷卻至15 ℃后供給空調末端，如此循環。高溫機組產出的20 ℃冷水經換熱器對空調末端回水進行冷卻后，出水溫度升至25 ℃，再進入低溫機組冷凝器吸收冷凝熱后，出水溫度升至30 ℃后返回高溫機組。

1.間接蒸發冷水機組；2.機械制冷冷水機組蒸發器；3.機械制冷冷水機組冷凝器；4.顯熱末端；5.新風機組冷卻盤管；6、7.冷水循環泵；8.換熱器；F1、F2.轉換閥門。圖2 串聯復合式冷水系統

串聯復合式冷水系統的空調末端側供回水溫差大(11 ℃)，因此空調末端也采用串聯布置方式，冷水先經顯熱末端(風機盤管、輻射地板、輻射頂板等)，再經新風機組冷卻盤管。空調冷負荷由新風機組、顯熱末端共同承擔[5]。此外，新風機組的直接蒸發冷卻器也承擔了一部分室內冷負荷，此冷負荷不計入高、低溫機組需承擔的冷負荷。

串聯復合式冷水系統優缺點如下：

1) 由于只供給空調末端單一溫度的冷水，又是單一環路，只要高溫機組出水溫度達到系統設計供水溫度，就可判斷出高溫機組可單獨供冷并滿足室溫要求。因此可設定系統供水溫度來控制高溫機組是否單獨運行，控制方法較簡單。

2) 高溫機組出水溫度會隨室外氣象參數變化而變化，進而引起串聯系統供水溫度發生波動，可能影響供水溫度控制精度。

3) 系統供水溫度較高，可充分發揮蒸發冷卻節能的優勢，但空調末端無除濕能力，新風機組直接蒸發冷卻段會給室內加濕，當室內濕負荷較大時相對濕度偏高。

4) 顯熱末端與新風系統水路是串聯關系，不能各自獨立地調節冷水流量。室溫控制可通過設定典型房間溫度調節新風量的方法來實現。

由于顯熱末端無除濕能力，各空調房間又難以單獨調節室溫，因此，串聯復合式冷水系統適用于各房間濕負荷較小且不需單獨控制室溫的建筑。

2.2 雙溫復合式冷水系統

雙溫復合式冷水系統見圖3。該系統中高溫機組為大溫差機組，進/出水溫度為20 ℃/30 ℃。該系統由高溫機組和低溫機組復合而成，并形成相互獨立的2個冷水環路，即高溫水環路(21 ℃/26 ℃)和低溫水環路(12 ℃/17 ℃)。高、低溫水環路同時運行，分別為新風機組和風機盤管提供冷量。高溫機組冷水環路(20 ℃/30 ℃)由新風機組冷水環路和低溫機組冷卻水環路串聯而成，通過換熱器為新風機組提供冷量，同時為低溫機組冷凝器提供冷卻水。建筑冷負荷由高、低溫機組共同承擔。高溫機組與新風系統承擔部分顯熱負荷，低溫機組和風機盤管承擔其余部分顯熱負荷和全部的潛熱負荷。高溫機組配置容量需滿足新風預冷及低溫機組冷凝器負荷需求。

1.間接蒸發冷水機組；2.機械制冷冷水機組蒸發器；3.機械制冷冷水機組冷凝器；4.風機盤管；5.新風機組冷卻盤管；6～8.冷水循環泵；9.換熱器；F1、F2.轉換閥門。圖3 雙溫復合式冷水系統

雙溫復合式冷水系統優缺點如下：

1) 低溫機組供水溫度較穩定且可根據具體工程的節能需求和經濟性需求有較大的選擇范圍，應對室內外工況變化能力較強。當空調房間濕負荷較大且對濕度控制有較高要求時，低溫機組供水溫度可低于房間空氣露點溫度。

2) 由于高、低溫機組分別供給新風機組、風機盤管不同溫度的冷水，即冷水系統為雙環路、雙溫度，分別承擔部分冷負荷，即使高溫機組出水溫度已較低，如15 ℃時，也不能判斷出高溫機組是否能單獨承擔此時的冷負荷以滿足室溫要求。因此，不能用設定系統供水溫度來控制高溫機組是否單獨運行，控制難度較高。

3) 顯熱末端和新風系統水路各自獨立，便于分別進行變流量調節，利于降低冷水系統輸配能耗。

雙溫復合式冷水系統可利用風機盤管回水支管設置電動兩通閥和風機三速開關對各空調房間溫度進行獨立調節。此種冷水系統適用于各房間濕度控制要求較高或需要單獨控制室溫的建筑。從發揮蒸發冷卻節能優勢方面來講，雙溫復合式冷水系統不如串聯復合式冷水系統。

3 高、低溫機組協同運行策略

3.1 串聯復合式冷水系統運行策略

由圖2可見，當高溫機組出水溫度為20 ℃時，與低溫機組串聯后，可為空調末端提供15 ℃的冷水，可為新風機組冷卻盤管提供20 ℃的預冷用水。實際上，在供冷期大多數時間內高溫機組出水溫度都低于20 ℃，烏魯木齊平均出水溫度只有12.5 ℃，蘭州平均出水溫度為15.6 ℃[4]，串聯復合式冷水系統設計供水溫度為15 ℃的情況下，部分時間內可僅運行高溫機組。

串聯復合式冷水系統應盡量多用高溫機組，采取控制供水溫度的運行策略，可充分發揮高溫機組運行節能的優勢。高、低溫機組協同運行策略如下：

1) 設定串聯復合式冷水系統供水溫度控制范圍(如13～15 ℃)，即設定低溫機組出水溫度控制范圍，當室外露點溫度及高溫機組出水溫度降低、系統供水溫度隨之降低時(低于15 ℃，高于13 ℃)，低溫機組內部控制系統自動調節壓縮機出力，將系統供水溫度穩定在控制范圍內[6]。

低溫機組可采用螺桿式或渦旋式機組，通過滑閥或變頻調節機組出力。

2) 當串聯復合式冷水系統供水溫度低于設定溫度下限(13 ℃)時，低溫機組停止運行，僅運行高溫機組。

3) 當高溫機組出水溫度高于設定溫度(20 ℃)時，高溫機組僅為低溫機組冷凝器提供冷卻水，低溫機組單獨承擔建筑冷負荷。

4) 當高溫機組出水溫度較低時，可能導致進入低溫機組冷凝器的冷卻水溫度(即圖2中換熱器一次水出水溫度)過低，并使壓縮機電動機過載。為避免這種情況發生，需對低溫機組冷凝器進水溫度加以控制。冷凝器進水溫度范圍為19～33 ℃[6]，串聯復合式冷水系統控制該溫度可采用下限值，以保證低溫機組需承擔負荷時正常運行。

5) 房間冷負荷由新風系統、顯熱末端共同承擔時，要控制室溫并達到減少冷水循環泵和新風機能耗的目的，需同時調節顯熱末端冷水流量和房間新風量。但顯熱末端與新風機組水路串聯，無法單獨調節顯熱末端冷水流量，若每個房間設變風量末端來控制室溫，則會增加控制系統的一次投資。最簡單的控制方式是采用典型房間溫度控制新風機轉速來調節新風量。當典型房間溫度達到設定溫度時，變頻控制器調節新風機轉速，將系統風量減小至各房間所需最小新風量。要想降低冷水循環泵能耗，可利用串聯環路總供回水溫差通過變頻控制器調節循環泵轉速來實現，但串聯環路總流量變化不應影響低溫機組正常運行。

3.2 雙溫復合式冷水系統運行策略

烏魯木齊、蘭州采用雙溫復合式冷水系統時，高溫機組出水溫度低于等于20 ℃的可用時間比例達95%以上，因此，應優先運行高溫水環路，包括高溫機組和兩級蒸發冷卻新風機組。當室內熱、濕負荷較大時，高溫水環路與低溫水環路同時運行。高、低溫水環路空氣處理過程見圖4。高溫水環路新風機組兩級蒸發冷卻過程為W→W′→O1，低溫水環路風機盤管減濕冷卻過程為N→O2。

注：W為非室外設計狀態點(室外空氣含濕量dW≥混風狀態點含濕量dO)；W′為室外空氣經高溫盤管預冷后的出風狀態點；N為室內狀態點；tN為室內干球溫度；φN為室內相對濕度；O1為送風狀態點(高溫水環路新風機組)；O2為送風狀態點(低溫水環路風機盤管)；O為混風狀態點。圖4 高、低溫水環路空氣處理過程

如圖4所示，為避免加濕再減濕的能量浪費，使復合水系統設備配置趨于合理，低溫機組和風機盤管的容量配置應不考慮除去余濕量。實際上，采用雙溫復合式冷水系統與單純采用間接蒸發冷水系統相比已大大改善了室內舒適度，在滿足室內溫度需求的前提下，可允許較短時段內室內濕度高于設計上限值。

雙溫復合式冷水系統采取控制典型房間溫度的運行策略，可充分發揮高溫機組運行節能的優勢。選擇典型空調房間，設置房間溫度傳感器，并設定房間溫度。雙溫復合式冷水系統可采用高溫水環路運行優先和室內溫度優先的控制策略：

1) 系統運行時先啟動高溫水環路各設備并持續運行60 min，間、直接兩級蒸發冷卻新風機組進入供冷狀態，再根據典型空調房間溫度判斷是否啟動低溫水環路運行。若典型空調房間溫度高于設定值，DDC控制器啟動低溫水環路各設備；若典型空調房間溫度等于或低于設定值，則繼續維持高溫水環路獨立運行狀態。

2) 低溫水環路各設備啟動后，各空調房間根據風機盤管溫控器控制室溫，當房間溫度達到設定值時，自動關閉風機盤管回水支路電動兩通閥，風機反轉復位。由于新風系統也承擔了較多的房間冷負荷，因此，當房間溫度達到設定值風機盤管停止運行時，還需調節房間新風量，否則新風會繼續向房間供冷。

3) 當典型房間溫度達到設定溫度時，變頻控制器調節新風機轉速，將系統風量減少至各房間所需最小新風量。

4) 低溫水環路運行后采用DDC常規控制策略。

5) 高溫機組出水溫度高于設定溫度(20 ℃)時，高溫機組僅為低溫機組冷凝器提供冷卻水，低溫機組單獨承擔建筑冷負荷。

6) 為避免高溫機組出水溫度較低時導致進入低溫機組冷凝器的冷卻水溫度(即圖3中換熱器一次水出水溫度)過低，需設定低溫機組冷凝器進水溫度范圍的下限值。

4 結語

室外濕球溫度較低地區可利用間接蒸發冷水機組在全供冷期供給滿足建筑需求的部分冷量，室外濕球溫度較高地區也可利用間接蒸發冷水機組在供冷期部分時間內供給滿足建筑需求的部分冷量，從而可減小機械制冷設備的配置容量。基于蒸發冷卻優先的原則，串聯復合式冷水系統通過設定供水溫度范圍來控制機械制冷設備投入運行與否，雙溫復合式冷水系統通過設定典型房間溫度來控制機械制冷設備投入運行與否。本文對復合式冷水系統冷源設備容量配置問題也進行了討論，意在引起同行關注，共同促進西部干熱地區蒸發冷卻技術的廣泛應用。