蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷相結(jié)合的半集中式空調(diào)系統(tǒng)的探討

雙慶+王熙文+曹麗

摘 要 以西安某多層建筑為實(shí)體，進(jìn)行蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷相結(jié)合的半集中式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用的設(shè)備主要包括蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組，風(fēng)冷熱泵，蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組，干工況風(fēng)機(jī)盤管，并將設(shè)計(jì)方案與其他傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，采用蒸發(fā)冷卻與風(fēng)冷熱泵相結(jié)合的半集中式空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的半集中式空調(diào)系統(tǒng)更節(jié)能，降低運(yùn)行成本，同時(shí)這一工程的應(yīng)用也為蒸發(fā)冷卻半集中式空調(diào)系統(tǒng)在中濕度地區(qū)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 蒸發(fā)冷卻半集中式空調(diào)系統(tǒng)；蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組；蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組；風(fēng)冷熱泵

中圖分類號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）02-0052-03

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是利用自然環(huán)境中的干球溫度與露點(diǎn)溫度之差，通過水與空氣之間的熱濕交換來獲取冷量的一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的冷卻方式。但單純的蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組受室外天氣的影響較大，在于炎熱干燥地區(qū)溫濕度要求不高的建筑物適用性較強(qiáng)，而對(duì)溫濕度要求較高的建筑物以及中等濕度地區(qū)和高濕度地區(qū)的適用性較差，但單獨(dú)的使用機(jī)械制冷制取冷水耗能較大。本文針對(duì)以上問題，以西安某商業(yè)大樓為設(shè)計(jì)對(duì)象，提出蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷相結(jié)合的形式，進(jìn)行蒸發(fā)冷卻半集中式空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為此類空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 建筑概況與空調(diào)設(shè)計(jì)概況

本工程為西安某多層建筑，地上四層設(shè)有商場(chǎng)，展廳及餐飲。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)取室內(nèi)溫度26℃，相對(duì)濕度60%。西安地區(qū)夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)為：干球溫度35.2℃，濕球溫度26℃。工作日辦公時(shí)間為：8：00～18：00。本建筑總建筑面積為3400 m2，高度為20.4 m，本工程有供冷、供熱需求，設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷1230 kW，總熱負(fù)荷760 kW，計(jì)算單位面積冷指標(biāo)121 W/m2，計(jì)算單位面積熱指標(biāo)75 W/m2。

2 蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷相結(jié)合的半集中式空調(diào)系統(tǒng)

蒸發(fā)冷卻水冷機(jī)組：本工程設(shè)計(jì)采用間接—直接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組，以機(jī)組的進(jìn)風(fēng)空氣干球溫度和濕球溫度的差值作為制冷驅(qū)動(dòng)的形式，以此獲得接近進(jìn)風(fēng)空氣露點(diǎn)溫度的天然冷源，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能、經(jīng)濟(jì)安全的冷水處理方式，與單獨(dú)的直接蒸發(fā)冷卻和單獨(dú)的間接蒸發(fā)冷卻相比，制取的冷水溫度更低。

蒸發(fā)冷卻半集中式空調(diào)系統(tǒng)：此建筑內(nèi)房間較多，要求各房間互不干擾，可獨(dú)立調(diào)節(jié)室溫，設(shè)計(jì)時(shí)采用蒸發(fā)冷卻半集中式空調(diào)系統(tǒng)，與蒸發(fā)冷卻全空氣系統(tǒng)相比節(jié)省空間，與變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比初投資小，管理與控制方便，滿足不同用戶的使用要求。新風(fēng)機(jī)組采用蒸發(fā)冷卻組合式空氣處理機(jī)組，新風(fēng)機(jī)組由低溫表冷器、直接蒸發(fā)冷卻器、送風(fēng)機(jī)組成。若要對(duì)室外空氣進(jìn)行降溫除濕處理，只需提供常規(guī)機(jī)械制冷冷水機(jī)組的冷凍水就可滿足要求。若要對(duì)室外空氣進(jìn)行加濕處理，蒸發(fā)冷卻組合式空氣機(jī)組中的直接蒸發(fā)冷卻器就能滿足要求，以此可以很好地實(shí)現(xiàn)溫濕度獨(dú)立的控制。圖1為一層蒸發(fā)冷卻半集中式空調(diào)風(fēng)管平面圖。

受到氣候條件的影響，不能在整個(gè)空調(diào)運(yùn)行期利用蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取滿足要求的高溫冷水，在室外氣候條件滿足要求的情況下，充分利用蒸發(fā)冷卻技術(shù)獲得廉價(jià)的“自然”供冷，當(dāng)室外環(huán)境不適應(yīng)時(shí)切換到機(jī)械制冷控制出水溫度，為末端的供水提供可靠保障，如圖2為蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組與機(jī)械制冷冷水機(jī)組的全年聯(lián)合運(yùn)行原理圖，在該系統(tǒng)中蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組提供的冷水在能滿足末端要求時(shí)，只開啟蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組，風(fēng)冷熱泵處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組提供的冷水在不能滿足末端要求時(shí)，關(guān)閉蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組，開啟風(fēng)冷熱泵機(jī)組。

圖2 蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷聯(lián)合運(yùn)行原理圖

風(fēng)冷熱泵和蒸發(fā)冷卻高溫冷水機(jī)組設(shè)置于屋面，冬季，由風(fēng)冷熱泵空調(diào)機(jī)組提供45℃～40℃熱水供本建筑使用，夏季，當(dāng)室外濕球溫度小于20℃時(shí)，開啟屋面的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機(jī)組，提供16℃～21℃的高溫冷水，用于空調(diào)系統(tǒng)的末端風(fēng)機(jī)盤管，以及吊頂式空氣處理機(jī)組。當(dāng)濕球溫度大于20℃時(shí)，開啟屋面風(fēng)冷熱泵機(jī)組，提供7℃～12℃的冷凍水供本建筑空調(diào)系統(tǒng)使用。

在西安地區(qū)6-9月份的供冷季節(jié)中，按每天8：00～18：00統(tǒng)計(jì)供冷時(shí)間共計(jì)1342小時(shí)，結(jié)合室外濕球溫度統(tǒng)計(jì)，濕球溫度≥20℃共計(jì)698小時(shí)，占整個(gè)供冷季節(jié)的52%，意味著52%的時(shí)間段內(nèi)單獨(dú)采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)制取高溫冷水不能很好的滿足末端設(shè)備的要求，需要采用機(jī)械制冷的形式。由于西安地區(qū)的室外狀態(tài)點(diǎn)W部分時(shí)間段位于室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N的左側(cè)，此時(shí)新風(fēng)機(jī)組采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)就能達(dá)到設(shè)計(jì)的送風(fēng)要求，空氣處理過程見圖3。

圖3 蒸發(fā)冷卻運(yùn)行焓濕圖

圖4 單獨(dú)運(yùn)行機(jī)械制冷焓濕圖

但部分時(shí)間段室外狀態(tài)點(diǎn)W在室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N的右側(cè)，此時(shí)不但新風(fēng)機(jī)組達(dá)不到單獨(dú)采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)的要求，就連蒸發(fā)冷卻高溫冷水機(jī)組的制冷效果也會(huì)受到影響，滿足不了末端設(shè)備的供水溫度，需要對(duì)整個(gè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)加入常規(guī)的機(jī)械制冷才能保證末端的供水溫度，以及保證新風(fēng)機(jī)組降溫去濕的處理過程，空氣處理過程見圖4。

3 經(jīng)濟(jì)性能分析

在以上分析的前提下，提出3種不同的冷源匹配方案：采用4臺(tái)243.5 kW的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機(jī)組+4臺(tái)305 kW風(fēng)冷熱泵機(jī)組；采用4臺(tái)243.5 kW的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機(jī)組+4臺(tái)305 kW常規(guī)機(jī)械制冷冷水機(jī)組；采用4臺(tái)305 kW常規(guī)機(jī)械制冷冷水機(jī)組。

3.1 各方案運(yùn)行分析

方案1：采用4臺(tái)243.5 kW的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機(jī)組+4臺(tái)305 kW風(fēng)冷熱泵機(jī)組，根據(jù)室外氣象條件切換制冷機(jī)組形式，夏季當(dāng)室外濕球溫度小于20℃時(shí)，開啟屋面的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機(jī)組，提供16℃～21℃的高溫冷水，用于空調(diào)系統(tǒng)的末端風(fēng)機(jī)盤管，以及二級(jí)蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組。當(dāng)濕球溫度大于20℃時(shí)，開啟屋面風(fēng)冷熱泵機(jī)組，提供7℃～12℃的冷凍水供本建筑空調(diào)系統(tǒng)使用。

滿足蒸發(fā)冷卻高溫冷水機(jī)組的時(shí)間占總整個(gè)供冷季的48%，開啟時(shí)間總計(jì)644小時(shí)。在蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組開啟時(shí)，新風(fēng)機(jī)組中低溫冷水段關(guān)閉其余功能段處于開啟狀態(tài)。不滿足蒸發(fā)冷卻使用要求時(shí)，機(jī)械制冷冷水機(jī)組開啟占整個(gè)供冷季的52%，開啟時(shí)間總計(jì)698小時(shí)，此時(shí)新風(fēng)機(jī)組中低溫冷水段處于開啟狀態(tài)，直接蒸發(fā)冷卻段關(guān)閉。endprint

整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)中蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組和風(fēng)冷熱泵機(jī)組都統(tǒng)一布置在屋頂，不用專門設(shè)置制冷機(jī)房布置設(shè)備，只需選用配備5臺(tái)7.5 kW冷凍水循環(huán)水泵（四用一備），整套空調(diào)系統(tǒng)無冷卻水系統(tǒng)。

方案2：采用4臺(tái)243.5 kW的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機(jī)組+4臺(tái)305 kW常規(guī)機(jī)械制冷冷水機(jī)組，根據(jù)室外氣象條件切換制冷機(jī)組形式，夏季當(dāng)室外濕球溫度小于20℃時(shí)，開啟屋面的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機(jī)組，提供16℃～21℃的高溫冷水，用于空調(diào)系統(tǒng)的末端風(fēng)機(jī)盤管，新風(fēng)機(jī)組采用二級(jí)蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組。當(dāng)濕球溫度大于20℃時(shí)，開啟常規(guī)制冷機(jī)組，提供7℃～12℃的冷凍水供本建筑空調(diào)系統(tǒng)使用，新風(fēng)機(jī)組中低溫冷水段處于開啟狀態(tài)，直接蒸發(fā)冷卻段關(guān)閉。

整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)中蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組布置在屋頂，常規(guī)冷水機(jī)組布置在制冷機(jī)房內(nèi)，選用5臺(tái)7.5 kW冷凍水循環(huán)水泵（四用一備），與方案1相比需要給常規(guī)制冷機(jī)組在一層增加制冷機(jī)房和一套冷卻水系統(tǒng)。增加5臺(tái)5.5 kW的冷卻水泵，并在屋面上布置4臺(tái)冷卻塔。

方案3：采用4臺(tái)305 kW常規(guī)機(jī)械制冷冷水機(jī)組，為本建筑空調(diào)系統(tǒng)提供7℃～12℃的冷凍水。常規(guī)冷水機(jī)組布置在一層制冷機(jī)房內(nèi)，并增設(shè)冷卻水系統(tǒng)。

3.2 各方案概預(yù)算與分析

蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組輸出功率為20 kW，風(fēng)冷熱泵機(jī)組輸出功率為100 kW，水冷機(jī)組74 kW，冷凍水循環(huán)水泵輸出功率為7.5 kW，冷卻水泵輸出功率為5.5 kW，冷卻塔輸出功率為3 kW。

表1 蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷耗電量比較

方案 制冷量/kW 設(shè)備 耗電量/kW

蒸發(fā)冷卻 機(jī)械制冷

1 1250 蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組 80 —

風(fēng)冷熱泵機(jī)組 — 400

冷凍水泵 30 30

總計(jì) 110 430

2 1250 蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組 80 —

冷水機(jī)組 — 296

冷凍水泵 30 30

冷卻水泵 — 22

冷卻塔 — 12

總計(jì) 110 360

3 1250 冷水機(jī)組 — 296

冷凍水泵 — 30

冷卻水泵 — 22

冷卻塔 — 12

總計(jì) — 360

3.2.1 電價(jià)對(duì)比

從表1中可以看出，風(fēng)冷熱泵機(jī)組耗電量要比水冷式冷水機(jī)組大20%左右，西安商業(yè)用電價(jià)按1.1元/千瓦時(shí)，按前面確定的1342小時(shí)總供冷時(shí)間中蒸發(fā)冷卻占644小時(shí)，機(jī)械制冷占698小時(shí)，對(duì)3種不同方案的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 三種不同空調(diào)系統(tǒng)的初投資與運(yùn)行費(fèi)用結(jié)果

方案 初投資/（萬元） 夏季總耗電量/（kWh） 運(yùn)行費(fèi)用/（萬元）

1 220 370980 40.8

2 252 322120 35.4

3 185 483120 53.2

采用蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷相結(jié)合的供冷形式，明顯要比單純的采用機(jī)械制冷節(jié)能，雖然這種相結(jié)合的供冷形式，初投資較高并且存在一定要求的自控系統(tǒng)進(jìn)行切換，但與每年節(jié)省出來運(yùn)行費(fèi)用相比3年就能收回。風(fēng)冷機(jī)組的耗電量大，但從整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)來看，比常規(guī)冷水機(jī)組少了冷卻水系統(tǒng)，并且風(fēng)冷熱泵機(jī)組可與蒸發(fā)冷卻水冷機(jī)組一起放在屋頂上，省去了在一層增設(shè)制冷機(jī)房。

3.2.2 初投資價(jià)格統(tǒng)計(jì)

一般而言，相同制冷量的風(fēng)冷機(jī)組比水冷機(jī)組高20%左右。由于水冷系統(tǒng)機(jī)組要相應(yīng)地配備冷卻塔、冷卻水泵、管道系統(tǒng)和機(jī)房等，風(fēng)冷機(jī)組的整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)和水冷機(jī)組的整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備投資差不多甚至便宜些。

且本工程地下室和地上一層沒有特定的空調(diào)機(jī)房，如果選擇水冷式還要在一層增加空調(diào)機(jī)房，增加初投資，減少商業(yè)的適用面積。

綜上所述，對(duì)于本工程實(shí)際情況，采用方案1的風(fēng)冷熱泵加蒸發(fā)冷卻水冷系統(tǒng)更為優(yōu)異。

4 結(jié)論

1）蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷相結(jié)合的半集中式空調(diào)系統(tǒng)，冷源采用蒸發(fā)式冷水機(jī)組和風(fēng)冷熱泵，這種相結(jié)合的復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)具有突出的節(jié)能潛力。

2）在西安地區(qū)實(shí)際工程中采用蒸發(fā)冷卻半集式系統(tǒng)即干工況風(fēng)機(jī)盤管+蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組，與傳統(tǒng)的濕式風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)機(jī)組半集中式系統(tǒng)相比，能夠大大節(jié)約能源，降低能耗。

3）以此項(xiàng)目設(shè)計(jì)為蒸發(fā)冷卻半集中式系統(tǒng)在西安地區(qū)乃至中濕度地區(qū)的推廣起到了很好的推動(dòng)作用。

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