蒸發冷卻空調系統在醫藥廠房中的應用
——以烏魯木齊某醫藥廠房為例

熊 瑞

（中國醫藥集團聯合工程有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

隨著節能減排政策的不斷深入，空調行業也積極響應國家的號召，涌現出了很多節能空調技術。醫藥潔凈廠房因為送風量大，室內溫度要求比舒適性空調低，能耗很大，有資料顯示，醫藥潔凈廠房空調系統的能耗比占整個廠區動力運行能耗的60%[1]，如何實現空調系統的節能越來越成為醫藥廠房空調系統設計的重點。我國疆域遼闊，不同地區氣候差異很大，在氣候比較干燥的西部和北部地區如新疆、青海、西藏、甘肅、寧夏、內蒙古、黑龍江等區域利用蒸發冷技術[2]被證明是可行的，并且節能效果明顯，因此，在夏季干熱地區蒸發冷卻技術得到了廣泛的應用。在設計過程中，選擇什么樣的蒸發冷卻技術，本文就此進行探討。

1 蒸發冷卻技術的原理

蒸發冷卻技術利用的是水蒸發吸熱的原理，獲得冷風或冷水的技術。空氣的冷卻處理可采用直接蒸發冷卻、間接蒸發冷卻或直接蒸發冷卻與間接蒸發冷卻相結合的二級或三級冷卻方式。直接蒸發時，使用循環水噴淋空氣，使之加濕。在加濕過程中存在顯熱和潛熱交換，由于顯熱和潛熱交換量相等，空氣的比焓值在處理前后是相同的。整個處理過程是等焓加濕的過程。等焓加濕過程可以處理的極限溫度是空氣的濕球溫度。其原理圖和焓濕圖如圖1所示。

間接蒸發時，當冷媒（冷水）的溫度足夠高，使得空氣冷卻器空氣側傳熱面的溫度高于空氣的露點溫度但低于空氣的濕球溫度時，空氣在冷卻過程中的含濕量不變，即為等濕冷卻過程。間接蒸發冷卻通常與直接蒸發冷卻配合使用，間接—直接蒸發冷卻原理圖和焓濕圖如圖2所示。其中W為室外狀態點，N為室內狀態點，W1為間接蒸發出風狀態點，O為理論送風狀態點。

2 藥廠蒸發冷卻空調系統設計

2.1 廠房概況

以烏魯木齊某藥廠綜合制劑車間為例進行蒸發冷卻空調系統設計，該廠房房間功能主要包括D、C級凈化區，更衣室、技術間、外包裝間舒適空調區，CNC走廊，輔助功能用房等區域。D、C級溫濕度參照GB 50457—2019《醫藥工業潔凈廠房設計標準》設計，D級區設計溫度為24℃，相對濕度55%；C級區設計溫度為22℃，相對濕度55%，舒適性空調設計溫度為26℃，相對濕度35%～75%，CNC走廊設計溫度為28℃，相對濕度35%～75%。D、C級凈化區因送風量較大，且要保證室內一定的潔凈級別，另外也避免頻繁的更換高效過濾器，采用組合式空調機組送風，冷源常用常規的電制冷壓縮機，供回水溫度為7/12℃。舒適性空調區和CNC走廊采用蒸發冷卻空調系統，下面以其中一個包裝區和CNC走廊為例進行蒸發冷卻空調設計計算。

2.2 外包裝區蒸發冷空調系統設計

外包裝區建筑面積為1 219m2，建設方提供的此區域人員數為60人，經計算該區域夏季冷負荷為80kW，人體散濕量根據公式（1）[3]：

式中：ψ——群集系數；n——計算時刻空調區內的總人數；g——一名成年男子小時散濕量。

根據《實用供熱空調設計手冊》群集系數φ取值0.9，26℃時中度勞動條件下，一名成年男子的散濕量為240g/h，帶入式（1）計算得人體散濕量為12.96kg/h。該區域散濕量主要為人員散濕量，房間其余散濕量不考慮，房間的熱濕比ε為22222。

人體潛熱冷負荷根據公式（2）計算[3]：

式中：Qx——人體散濕形成的潛熱冷負荷（W）；n——計算時刻空調區內的總人數；qx——一名成年男子小時潛熱散熱量（W）。

根據《實用供熱空調設計手冊》群集系數ψ取值0.9，26℃時中度勞動條件下，一名成年男子的潛熱散熱量為161W，帶入式（2）計算得人體潛熱散熱量為8 700W，即8.7kW。外包裝區的顯熱冷負荷=夏季總冷負荷——人體潛熱散熱量，計算得外包裝區顯熱冷負荷為71.3kW。

采用直接蒸發冷卻時的送風溫度按公式（3）計算[4]：

式中：to——蒸發式冷氣機降溫處理后的出風溫度（℃）；tw——進風空氣干球溫度（℃）；tws——進風空氣濕球溫度（℃）；η——蒸發式冷氣機效率，根據廠家提供的樣本或經驗數據選取，宜取65%～85%。

過室內設計狀態點N作ε=22 222kJ/kg的熱濕比線與ψ=90%的等相對濕度線的交點O即為理論送風狀態點。查焓-濕圖得ho=55.4kJ/kg，hn=62.6kJ/kg，送風量按公式（4）計算：

式中L——送風量（m3/h）；Q——冷負荷（kW）；ρ——空氣密度，取1.2kg/m3；hn——室內狀態點空氣焓值（kJ/kg）；ho——送風狀態點空氣焓值（kJ/kg）；按公式（4）計算的送風量為29 709m3/h。查焓-濕圖得烏魯木齊夏季室外空調計算干球溫度tw=33.5℃，濕球溫度tws=18.2℃，焓值hw=55.8kJ/kg，蒸發式冷氣機效率取80%計算，直接蒸發冷卻后的出風溫度to1=21.26℃。過室外狀態點作hw=55.8kJ/kg的等含濕量線與to1=21.26℃的等溫線的交點即為實際送風狀態點O1。空調機組實際消除的顯熱冷負荷根據公式（5）計算：

式中：Q——顯熱冷負荷（kW）；m——空氣質量流量（kg/s）；t2——空氣處理終狀態點（℃）；t1——空氣初始狀態點（℃）。

當實際送風狀態點為O1時，消除的顯熱冷負荷Q為47.4kW，小于室內顯熱冷負荷71.3kW，固采用直接蒸發冷卻不能滿足室內溫度的要求，需要采用間接-直接蒸發冷卻系統。根據相關文獻，間接蒸發冷卻的效率一般不大于70%[5]，選擇間接蒸發冷卻的效率為60%進行計算，采用間接蒸發冷卻時的送風溫度按公式（6）計算[4]：

式中tw1——間接蒸發冷卻器出風段的干球溫度（℃）；tw——間接蒸發冷卻器進風干球溫度（℃）；tws——間接蒸發冷卻器二次進風濕球溫度（℃）；η——間接蒸發冷卻器效率，一般取值不大于70%。

本項目間接蒸發冷卻器效率按60%計算，間接蒸發冷卻器二次空氣進風為室外新風，計算得到的間接蒸發冷卻器出風干球溫度為tw1=24.3℃。直接蒸發冷卻器的效率還是按80%計算，按公式（3）計算得到的直接蒸發冷卻器出風干球溫度為17.1℃，焓-濕圖過程如圖3所示。其中W-O1為直接蒸發冷卻過程，W-W1-O2為直接-間接蒸發冷卻過程。通過焓-濕圖過程可以看出室內最終狀態點為N2點，N2點的溫度為26℃，相對濕度為50.6%，基本滿足舒適性空調溫濕度要求。

2.3 走廊蒸發冷空調系統設計

CNC走廊為環形走廊，走廊寬度2.4m，吊頂高度2.8m，長度180m，總面積為432㎡，根據建設方提供的此區域人員數量大概為100人，因該廠房為生產區，平時走廊人員活動數量不多，所以走廊由于人員產生的濕負荷基本上可以忽略不計，而圍護結構、照明、設備等的散濕量也可以忽略不計，為簡化計算，本次設計時，不考慮走廊的濕負荷。

經計算走廊的冷負荷為20kW，熱濕比按∞考慮，采用直接蒸發冷卻空調系統，3.2接計算的直接蒸發冷卻空調系統的送風溫度為21.26℃，過送風狀態點O1做等濕線與t=28℃的等溫線的交點即為室內實際狀態點，焓-濕圖過程如圖4所示。查焓-濕圖得O1點的焓值ho1=55.8kJ/kg，N1為室內實際狀態點，焓值為hN1=62.8kJ/kg，相對濕度ψN1=50.7%消除20kW的冷負荷所需的送風量L=8572m3/h，走廊換氣次數為7.1次/h，溫濕度和換氣次數均滿足舒適性空調需求，所以CNC走廊可以采用直接蒸發冷卻空調系統。

3 結語

以實際案例介紹了蒸發冷卻空調系統的設計過程，得出的結論為蒸發冷卻空調系統在烏魯木齊地區非常適用，尤其是對于大空間，相對濕度不嚴格的區域采用蒸發冷卻空調系統基本上能達到舒適性空調所需的人員溫濕度要求，可以節約空調能耗。

本項目蒸發冷卻器二次風采用的是室外新風，潔凈廠區有大量排風，排風的濕球溫度比室外空氣濕球溫度低，在有條件的情況下，蒸發冷卻器二次風采用凈化區排風可以得到更低的送風溫度，從而可以在溫濕度更嚴格的區域使用蒸發冷卻空調系統。另外像藥廠的提取車間，有很多房間需要崗位送風，也很適合采用蒸發冷空調系統。