蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在昌吉州社會福利中心的應(yīng)用

趙祺 孫梅

中旭建筑設(shè)計有限責(zé)任公司

蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在昌吉州社會福利中心的應(yīng)用

趙祺 孫梅

中旭建筑設(shè)計有限責(zé)任公司

我國西部地區(qū)氣候干燥，蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)是一種很有潛力的高溫冷源獲取途徑。伴隨著溫濕度獨立控制理念的提出，蒸發(fā)冷卻高溫冷源與THIC的結(jié)合應(yīng)用前景更加值得在西部地區(qū)推廣。本文從一個實際工程出發(fā)，介紹了間接蒸發(fā)冷水機(jī)組作為冷源的串聯(lián)式系統(tǒng)從方案對比到選型計算的詳細(xì)設(shè)計步驟，可作為設(shè)計人員在適合條件下設(shè)計該系統(tǒng)的參考模版。

蒸發(fā)冷卻 串聯(lián) 干工況盤管 設(shè)計方法

1 工程概況

本工程位于新疆自治區(qū)昌吉州市，建筑面積19864m2，地上塔樓12層，裙房5層，地下1層。裙房為老年人活動中心，塔樓為社會福利中心。裙房建筑高度為22m，塔樓建筑高度為48m。

2 系統(tǒng)選擇

《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB50736-2012）在7.3.16、8.1.1中已分別規(guī)定“在夏季室外空氣設(shè)計露點溫度較低的地區(qū)，宜采用間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組作為空調(diào)系統(tǒng)的冷源；經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較合理時，宜采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)”。本工程在設(shè)計之初就空調(diào)系統(tǒng)為甲方提供過方案對比，三種方案分別是：①冷源為風(fēng)冷冷水機(jī)組，熱源為市政熱力本工程自設(shè)換熱站，末端為風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)；②多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)供冷，熱源為市政熱力本工程自設(shè)換熱站，末端為散熱器或地暖；③冷源為干空氣能間接蒸發(fā)冷水機(jī)組，熱源為市政熱力本工程自設(shè)換熱站，末端為地板輻射供冷供暖共用盤管，新風(fēng)為干空氣能外冷型多級蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組提供。最終采用了方案③，該方案主要有以下幾個方面的考慮：

1）在干燥地區(qū)，只要有水就可獲得非常大的干空氣能，且利用方式簡便，可持續(xù)利用，清潔無任何污染。炎熱干燥的夏季室外空氣濕度非常小，合理地將可再生能源干空氣能用于空調(diào)制冷，以代替常規(guī)能源，能夠大幅度地節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗和費用，綜合投資也得到了有效降低，在節(jié)能減排的同時，對優(yōu)化和改善不合理的用能結(jié)構(gòu)體系有著重要的現(xiàn)實意義。

2）傳統(tǒng)冷水機(jī)組的濕工況風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)，冷水機(jī)組制取7℃低溫冷水對空氣溫度和濕度同時進(jìn)行處理，將導(dǎo)致制冷系統(tǒng)效率低，且溫濕度難以同時精確調(diào)節(jié)，冷凝盤管表面滋生霉菌，嚴(yán)重影響室內(nèi)空氣品質(zhì)。該系統(tǒng)應(yīng)用于干燥炎熱地區(qū)，在降溫的同時再進(jìn)行除濕，是對能源的一種浪費。干空氣能間接蒸發(fā)冷水機(jī)組的水分，制取空調(diào)所需高溫冷水，完美地解決了在西北地區(qū)實現(xiàn)溫濕度獨立控制所需要的高溫冷源問題，能以最小的代價實現(xiàn)溫濕度獨立控制系統(tǒng)。

3）本地區(qū)地處嚴(yán)寒氣候區(qū)，而本工程的建筑性質(zhì)屬于老年人養(yǎng)老服務(wù)，老年人冬季為了避免空調(diào)有吹風(fēng)感，冬季常規(guī)也要求盡量采用散熱器或地暖系統(tǒng)?！杜?guī)》中同時要求老年人建筑散熱器必須安裝或加防護(hù)罩，安裝和加裝防護(hù)罩會給建筑效果帶來一定影響。采用基于干空氣能的溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的典型應(yīng)用方式：干空氣能間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的地板輻射供冷+獨立新風(fēng)系統(tǒng)，冬季地板輻射供暖系統(tǒng)，可以完全滿足上述所有要求。

3 輻射供冷盤管與新風(fēng)機(jī)組串聯(lián)流程

受冷水機(jī)組供回水溫升的限制，獨立新風(fēng)加風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)中的新風(fēng)機(jī)組與風(fēng)機(jī)盤管間一般采用并聯(lián)的形式。在間接蒸發(fā)冷水機(jī)組允許的最大供回水溫差范圍內(nèi)，其供回水溫升可以較大，對于大溫差小流量型機(jī)組可以達(dá)到10℃。本工程將地板輻射供冷與新風(fēng)機(jī)組采用串聯(lián)的形式，如圖1所示。

圖1 間接蒸發(fā)冷水機(jī)組串聯(lián)水系統(tǒng)圖

間接蒸發(fā)冷水機(jī)組制取的冷水（16℃）先進(jìn)入輻射盤管，盤管的回水（19℃）再送入外冷型多級蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組，對室外新風(fēng)進(jìn)行處理。為了保證地板盤管的水質(zhì)，設(shè)板式換熱機(jī)組對一次冷水進(jìn)行換熱后用于地板盤管。輻射供冷盤管系統(tǒng)溫差定為3℃，經(jīng)換熱后的供回水溫度為17.5℃、20.5℃。

4 設(shè)計方法

4.1 確定夏季室內(nèi)、外設(shè)計參數(shù)

夏季空調(diào)室外干球溫度tw=33.5℃，濕球溫度ts,w= 19.5℃，大氣壓力Pw=91940Pa，含濕量dw=10.2g/kg，空氣密度ρw=1.038kg/m3。室內(nèi)空調(diào)設(shè)計參數(shù)：干球溫度26℃，相對濕度￠n=55%，含濕量dn=12.92g/kg，空氣比焓hn=59.19kJ/kg。

4.2 分別計算室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷、潛熱冷負(fù)荷（濕負(fù)荷）并匯總

以一層報告廳系統(tǒng)為例，面積360m2，熱負(fù)荷28.8kW，顯冷負(fù)荷為31.1kW，濕負(fù)荷為13.97kg/h。

4.3 初選空調(diào)系統(tǒng)形式和設(shè)備類型

干空氣能間接蒸發(fā)冷水機(jī)組的設(shè)計出水溫度隨使用地點的氣象參數(shù)不同而變化顯著，設(shè)計計算時需要查閱廠家提供的所選機(jī)組在使用地點的出水溫度值。本工程主要功能為辦公室和養(yǎng)老病房適合采用空氣-水系統(tǒng)，故選用地板輻射盤管與外冷型多級蒸發(fā)空氣處理機(jī)組串聯(lián)的空調(diào)系統(tǒng)。冷水機(jī)組選用大溫差型，在昌吉出水溫度為16℃，地板盤管溫升為3℃，空氣處理機(jī)組進(jìn)水溫度為16℃+3℃=19℃。干空氣外冷型多級蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組的水溫升按下式計算[1]：

式中：Δt為干空氣外冷型多級蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組水溫升，℃；R為干空氣外冷型多級蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組風(fēng)水比，m3/kg；tw為干空氣外冷型多級蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組進(jìn)風(fēng)干球溫度（室外干球溫度），℃；tp為干空氣外冷型多級蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組間接蒸發(fā)制冷段后空氣干球溫度，℃；Cp為濕空氣的定壓比熱；Cpw為水的定壓比熱；ρ為空氣密度；

將參數(shù)代入式（1），得：Δt=1.5×1.2×1.01× (33.5-22.5)/4.186=4.8℃

總的用戶供回水溫升為3℃+4.8℃=7.8℃，小于間接蒸發(fā)冷機(jī)允許的最大用戶溫差10℃。

4.4 確定新風(fēng)機(jī)組夏季出風(fēng)參數(shù)

1）機(jī)組的使用地點，昌吉自治州。

2）確定機(jī)組的風(fēng)水比。風(fēng)水比是指通過機(jī)組間接蒸發(fā)制冷段表冷器的空氣流量和冷水流量的比值，其中風(fēng)量和水量的單位分別為m3/h和kg/h。這個參數(shù)是由設(shè)備生產(chǎn)廠家在設(shè)計制造時就確定的，本工程選用的外冷型多級蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組有4種風(fēng)水比配置，本工程根據(jù)機(jī)組項目使用地點、進(jìn)水溫度及水溫，選擇1.5:1。

3）確定選用的直接蒸發(fā)制冷效率為90%。

4）從樣本選取機(jī)組出風(fēng)參數(shù)圖，如圖2所示。

圖2 昌吉地區(qū)干空氣能外冷型多級蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組圖

5）確定進(jìn)水溫度（橫坐標(biāo)）與該出風(fēng)干球溫度曲線（藍(lán)色曲線）的交點所對應(yīng)的左縱坐標(biāo)值即為出風(fēng)干球溫度to＝15.6℃。

6）確定進(jìn)水溫度（橫坐標(biāo)）與該出風(fēng)含濕量曲線（綠色曲線）的交點所對應(yīng)右縱坐標(biāo)值即為出風(fēng)含濕量do=10.8g/kg。

同樣，利用該出風(fēng)參數(shù)圖也可確定出間冷段后、直冷段前的空氣狀態(tài)。確定過程與上面的確定過程類似，只需要將這時的直冷效率設(shè)為0%即可。在本工程中，間冷段后的空氣狀態(tài)為：干球溫度為22.5℃，含濕量為8.0g/kg。

新風(fēng)在I-d圖上處理過程見圖3，室外點經(jīng)間冷蒸發(fā)冷卻段處理等濕冷卻到O1點，O1點經(jīng)直冷蒸發(fā)冷卻段處理到O2點，O2點即為新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點，即上述確定的to＝15.6℃，do=10.8g/kg。

圖3 新風(fēng)處理I-d圖

4.5 確定需要的新風(fēng)量

此設(shè)計方法的新風(fēng)量計算方法不同于常規(guī)系統(tǒng)，它是通過比較消除房間顯熱所需風(fēng)量、以及按照除濕要求的最小新風(fēng)量和滿足衛(wèi)生要求的最小新風(fēng)量，取三者最大值確定的（一般以消除房間顯熱計算新風(fēng)量為最大）。它不同于風(fēng)機(jī)盤管干式情況的新風(fēng)量選取是因為地板輻射供冷系統(tǒng)受地面面積及盤管間距限制所能提供的顯冷量有限，不足部分的顯冷量需由新風(fēng)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。在設(shè)計時，應(yīng)按如下步驟進(jìn)行：

1）按冬季室內(nèi)熱負(fù)荷確定盤管面積及間距，從而查表得到夏季輻射供冷量。多功能廳盤管采用PE-RT材質(zhì)，熱負(fù)荷28.8kW，盤管間距150mm，夏季盤管供冷量為30W/m2，盤管可提供顯冷量為10.8kW。

2）室內(nèi)總顯冷負(fù)荷為31.1kW，地板盤管提供10.8kW，需新風(fēng)承擔(dān)20.3kW。

3）按消除室內(nèi)顯熱求新風(fēng)量。由QX=CpρGX(tn-tQ) =1.01×1.2×GX(26-15.6)=20.3，求得：GX=6090m3/h

4）按消除余濕要求的最小新風(fēng)量。由GH=W/[ρ(dndQ)]=13.97/[1.2×(12.92-10.8)]，求得：GH=5491m3/h

5）按滿足衛(wèi)生要求的最小新風(fēng)量。G=360/4×30= 2700m3/h。

6）取上述計算三者最大值作為該系統(tǒng)最大新風(fēng)量GX=6090m3/h。

4.6 確定空氣處理機(jī)組型號與臺數(shù)

按照計算所需的風(fēng)量，根據(jù)廠家樣本所提供的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定需要的干空氣能外冷型多級蒸發(fā)制冷空調(diào)機(jī)組。選型時要在計算風(fēng)量基礎(chǔ)上考慮一定的漏風(fēng)系數(shù)，選型結(jié)果見表1。

表1 外冷型蒸發(fā)制冷新風(fēng)機(jī)組選型

4.7 校核盤管水量與新風(fēng)機(jī)組水量之間的平衡

對于串聯(lián)系統(tǒng)冷凍水先經(jīng)過顯冷末端設(shè)備，然后再流入新風(fēng)機(jī)組，因此需要使二者所需的水量基本平衡，一般應(yīng)滿足[1]：

式中：GAHU為干空氣能外冷型多級蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組需要的總冷凍水量，m3/h；GFC為串聯(lián)顯冷末端設(shè)備需要的總冷凍水量，m3/h。

GFC的計算方法與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)一樣，GFC= 0.86Q/Δt，而GAHU的計算則不同，它是利用新風(fēng)機(jī)組的新風(fēng)量與機(jī)組風(fēng)水比求得。表1中已列出本工程所選新風(fēng)機(jī)組各型號的水量。

總的GAHU=116.7m3/h，總的GFC=430×0.86/3= 123.2m3/h（注：式中430為本工程全部地板盤管所負(fù)擔(dān)的顯熱冷負(fù)荷）。計算結(jié)果滿足GAHU≤GFC≤1.2GAHU。

4.8 制冷機(jī)組選型

對于串聯(lián)式空氣-水系統(tǒng)，系統(tǒng)需要的水量為顯冷末端所需總水量與干空氣能外冷型多級蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組所需總水量的最大值。將系統(tǒng)需要的總水量乘以1.1～1.2的安全系數(shù)，作為干空氣能間接蒸發(fā)冷水機(jī)組需要的總水量，根據(jù)此水量和之前已經(jīng)確定的大溫差型機(jī)組類型，參考冷水機(jī)組樣本，確定機(jī)組的型號和臺數(shù)。本項目選用SZHJ-S-I-2-26型號5臺，每臺流量為26m3/h，系統(tǒng)可提供總流量為130m3/h。

5 結(jié)語

在高溫干燥地區(qū)，通常當(dāng)室外空氣的露點溫度低于14～15℃時，采用間接蒸發(fā)冷卻方式，可以得到接近16℃的空調(diào)冷水來作為空調(diào)系統(tǒng)的冷源，極大地減少了人工制冷的能耗。文獻(xiàn)[2]對可再生干空氣資源的應(yīng)用區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)分析，符合條件的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先推廣采用。但蒸發(fā)冷卻空調(diào)也存在自身的不足，如受室外氣候環(huán)境、水資源、室內(nèi)濕度要求等因素的制約。在工程設(shè)計中應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，合理地應(yīng)用蒸發(fā)冷卻技術(shù)。

[1]郝小禮,陳亞男,于向陽,等.基于間接蒸發(fā)冷水機(jī)組的串聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方法[J].暖通空調(diào),2013,43(1):41-45

[2]江億,謝曉云,于向陽.間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)-中國西北地區(qū)可再生干空氣資源的高效應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2009,39(9):1-4

Applic a tion of Eva pora tive Cooling Air Conditioning Sys te m in Cha ngji Sta te Soc ia l We lfa re Ce nte r

ZHAO Qi,SUN Mei
Zhongxu Planning&Architecture Design Co.,Ltd.

The climate is dry in the west of China,evaporative cooling air conditioning system is a promising approach for obtaining high temperature cold source.With the idea of temperature and humidity independent control,the prospect of combined application of evaporative cooling with high temperature cooling source and THIC is worthy of spreading in the western region.The detailed design procedure of the indirect evaporative water chiller unit from the comparison to the selection of the type of the scheme as cold source of series system is described.It can be used as reference template for designers.

evaporative cooling,series connection,dry condition coil,design method

1003-0344（2015）05-097-4

2014-6-15

趙祺（1984～），男，本科，工程師；北京市西城區(qū)車公莊大街4號新華1949園區(qū)中旭建筑設(shè)計有限責(zé)任公司（100037）；E-mail:zhaoqi@cadg.cn