蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于北京公共建筑中的節(jié)能潛力分析

周 瑋

（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京100089）

蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于北京公共建筑中的節(jié)能潛力分析

周 瑋

（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京100089）

從暖通設(shè)計(jì)師的角度，以公建中最常見(jiàn)的水—空氣系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用在北京過(guò)渡季制冷中的節(jié)能潛力。

蒸發(fā)冷卻；節(jié)能；公共建筑

0 引言

當(dāng)前人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，由于過(guò)度依賴化石能源，已經(jīng)招致大自然的懲罰：溫室氣體激增，全球變暖—冰川融化，海平面上升；厄爾尼諾現(xiàn)象頻發(fā)—局地干旱，局地暴雨，惡劣氣候增多；等等。摒棄粗狂式發(fā)展，倡導(dǎo)節(jié)約高效利用能源，是刻不容緩需要面對(duì)的問(wèn)題。我國(guó)建筑能耗在能源總耗量中的比重逐日增加，現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)了三分之一；而建筑能耗中，有一半是消耗在了暖通空調(diào)系統(tǒng)中。由此可見(jiàn)，暖通的節(jié)能尤為重要。

現(xiàn)代建筑由于體量越建越大，導(dǎo)致進(jìn)深越來(lái)越深，再加之窗墻比的增大以及可開(kāi)啟外窗面積的大幅減少，使得內(nèi)區(qū)比重相比傳統(tǒng)建筑要大得多。內(nèi)區(qū)由于遠(yuǎn)離外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，這使之成為與室外環(huán)境隔絕的區(qū)域：只有內(nèi)熱，沒(méi)有外擾，全年需要制冷。冬季和過(guò)渡季的室外空氣就是天然的免費(fèi)冷源，但卻由于一墻之隔，很多建筑并沒(méi)有很好的利用，造成了不必要的能源浪費(fèi)。

現(xiàn)在較好解決這一問(wèn)題的措施主要有兩個(gè)：冷卻塔制冷和新風(fēng)制冷。冷卻塔（全水系統(tǒng)）在冬季制冷的表現(xiàn)良好，但由于其是間接冷卻室內(nèi)空氣，加上本身?yè)Q熱效率的限制，使得過(guò)渡季的制冷效果大打折扣；新風(fēng)制冷則是直接去除室內(nèi)余熱，過(guò)渡季全新風(fēng)運(yùn)行的全空氣系統(tǒng)可以達(dá)到良好的節(jié)能效果，但空氣—水（冷媒）系統(tǒng)由于新風(fēng)量有限，不能充分利用過(guò)渡季的免費(fèi)冷源。北京是過(guò)渡季很長(zhǎng)的地區(qū)，如何能夠更充分的利用室外冷源，是實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能的目的所在。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以充分利用免費(fèi)冷源，其設(shè)備在我國(guó)氣候比較干燥的西部和北部地區(qū)已經(jīng)有所應(yīng)用，并且得到了很好的節(jié)能效果[1，2]，這為該技術(shù)向更廣泛區(qū)域發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)比冷卻塔更深一級(jí)甚至兩級(jí)的制冷程度，而且可以直接冷卻新風(fēng)。由此可見(jiàn)，蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以讓有限的新風(fēng)運(yùn)載更多的冷量，進(jìn)而更充分的利用過(guò)渡季免費(fèi)冷源。

本文選取公共建筑中空氣-水系統(tǒng)作為研究對(duì)象，探討蒸發(fā)冷卻技術(shù)的節(jié)能潛力和在北京公共建筑中的可行性。

1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理

蒸發(fā)冷卻分為直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻兩種。冷卻塔即是利用了直接蒸發(fā)冷卻，空氣和水充分混合，經(jīng)過(guò)水的蒸發(fā)（相變）吸熱過(guò)程，實(shí)現(xiàn)加濕冷卻空氣；間接蒸發(fā)冷卻是以直接蒸發(fā)冷卻后的空氣水為冷源，通過(guò)間接（非接觸）換熱的方式，實(shí)現(xiàn)等濕冷卻空氣。

根據(jù)空氣、水所需處理程度的不同，蒸發(fā)冷卻又分為三級(jí)。一級(jí)只有直接蒸發(fā)冷卻一個(gè)過(guò)程，理論上可以處理到空氣的濕球溫度點(diǎn)；二級(jí)是間接+直接蒸發(fā)冷卻兩個(gè)過(guò)程，空氣首先被直接蒸發(fā)冷卻后的空氣水間接等濕冷卻，再經(jīng)歷直接蒸發(fā)冷卻二個(gè)過(guò)程，理論上可以處理到比空氣濕球溫度更低的狀態(tài)；三級(jí)是間接+間接+直接蒸發(fā)冷卻三個(gè)過(guò)程，空氣首先被直接蒸發(fā)冷卻后的空氣水間接等濕冷卻，再被間接+直接蒸發(fā)冷卻后的空氣水間接等濕冷卻，最后再經(jīng)歷直接蒸發(fā)冷卻，理論上可以處理到接近空氣露點(diǎn)溫度的狀態(tài)。

實(shí)際工程應(yīng)用中，一、二、三級(jí)蒸發(fā)冷卻一般可以將水空氣分別處理到比空氣的濕球溫度高4~6℃、達(dá)到甚至低于空氣濕球溫度[1]、趨近于空氣露點(diǎn)溫度[2]。出于經(jīng)濟(jì)可靠和方便計(jì)算的考慮，本文以二級(jí)蒸發(fā)處理到濕球溫度點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行分析。

2 內(nèi)區(qū)房間空氣-水系統(tǒng)節(jié)能分析

在北京的公共建筑中，空氣-水系統(tǒng)幾乎是不可或缺的，其最典型的形式為風(fēng)機(jī)盤(pán)管+新風(fēng)系統(tǒng)。由于其服務(wù)的房間種類(lèi)繁多，本文僅參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2005中提及的部分典型房間作為研究對(duì)象，即普通辦公室、會(huì)議室、餐廳和一般商店。統(tǒng)一假定房間高度不高于5.0m，均為內(nèi)區(qū)房間（無(wú)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)），只有冷負(fù)荷，需要全年制冷；冬季和過(guò)渡季只考慮滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度一個(gè)指標(biāo)，沒(méi)有濕度標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)天正HVAC負(fù)荷計(jì)算軟件的計(jì)算，得出這四種典型房間單位面積顯熱負(fù)荷。見(jiàn)表1、表2。

表1 空調(diào)房間設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 空調(diào)房間單位面積顯熱負(fù)荷、新風(fēng)量和風(fēng)盤(pán)風(fēng)量

由表2可以看出，除一般商店外，單位面積新風(fēng)量和風(fēng)盤(pán)風(fēng)量基本相當(dāng)。然而風(fēng)盤(pán)是間接制冷，室外冷源（空氣）需要經(jīng)歷“空氣-水-空氣”的兩次轉(zhuǎn)換才能把冷帶進(jìn)室內(nèi)，受到中間換熱環(huán)節(jié)的熱損失以及空氣冷卻器熱質(zhì)交換能力的局限性影響[3]，制冷效果會(huì)衰減很多，即其對(duì)免費(fèi)冷源的要求更嚴(yán)苛。由此可見(jiàn)，采用新風(fēng)直接制冷更高效和可靠。

3 新風(fēng)制冷條件

根據(jù)能量平衡，可以計(jì)算出除去室內(nèi)顯熱負(fù)荷所需的新風(fēng)量。

式中Q—制冷量，W；

Gw—新風(fēng)量，m3/h；

ρw—室外空氣密度，kg/m3；

Cp—空氣定壓比熱容，kJ/（kg·K）；

表3 除去室內(nèi)顯熱負(fù)荷所需的新風(fēng)量

tn—室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；

tw—新風(fēng)溫度，℃。

由表3可知，除了會(huì)議室和星級(jí)較高餐廳外，其它房間的設(shè)計(jì)新風(fēng)量不能滿足制冷所需最少新風(fēng)量的要求。由于蒸發(fā)冷卻設(shè)備和傳統(tǒng)新風(fēng)機(jī)是并聯(lián)運(yùn)行關(guān)系，只是共用了新風(fēng)管道；當(dāng)為制冷需要提高新風(fēng)量，則可能產(chǎn)生超速及噪音問(wèn)題；為避免此問(wèn)題，暖通設(shè)計(jì)師可以在設(shè)計(jì)新風(fēng)管道時(shí)，酌情調(diào)低設(shè)計(jì)風(fēng)速，放大管道尺寸。

4 蒸發(fā)冷卻技術(shù)的節(jié)能效果

按照10℃送風(fēng)溫差考慮，送入房間的新風(fēng)干球溫度需要處理到15℃或以下。當(dāng)室外空氣干球溫度低于15℃時(shí)，可以直接引入未處理的新風(fēng)制冷；當(dāng)室外干球溫度高于15℃，且濕球溫度低于15℃時(shí)，則可以利用蒸發(fā)冷卻設(shè)備處理新風(fēng)進(jìn)行制冷。

由于室外干、濕球溫度時(shí)刻在變，本文為了方便研究，以北京典型氣象年每日9：00~17：00（朝九晚五）的平均溫濕度為基準(zhǔn)判別適用哪種制冷方式。兩者的適用月份及天數(shù)見(jiàn)表4。

表4 不同制冷方式適用月份和天數(shù)d

由于11月、12月、1月、2月、3月屬于北京的采暖季，室外空氣干球溫度很低，新風(fēng)基本無(wú)需處理便可以達(dá)到直接制冷的要求；4月、5月、10月是過(guò)渡季，只有15天可以直接利用新風(fēng)，而應(yīng)用蒸發(fā)冷卻技術(shù)后，這一天數(shù)可以再增加58天，即可以額外減少近2個(gè)月的制冷機(jī)組開(kāi)啟時(shí)間，這占到了北京過(guò)渡季的1/3左右。

參照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2005中對(duì)于離心水冷機(jī)組COP值（4.4~5.1）的規(guī)定，并假定過(guò)渡季部分負(fù)荷下冷機(jī)COP不折減，蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用在減少制冷機(jī)組開(kāi)啟方面即可實(shí)現(xiàn)節(jié)約電費(fèi)約4.0~7.2度/m2；而且，蒸發(fā)冷卻的載冷劑為空氣，冷水機(jī)組的載冷劑為水，空氣環(huán)路的阻力損失遠(yuǎn)小于水環(huán)路，這使得其在輸送環(huán)節(jié)上也可實(shí)現(xiàn)一定的節(jié)能效果；此外，當(dāng)室外濕球溫度高于15℃且低于19.41℃（夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度25℃，相對(duì)濕度60%時(shí)對(duì)應(yīng)的濕球溫度）時(shí)，雖然無(wú)法單靠蒸發(fā)冷卻技術(shù)滿足制冷要求，但仍然可以將新風(fēng)處理到不承擔(dān)室內(nèi)熱濕負(fù)荷的狀態(tài)點(diǎn)，如此又可以再節(jié)省約50 d的新風(fēng)機(jī)組能耗。

5 結(jié)語(yǔ)

以二級(jí)蒸發(fā)冷卻技術(shù)為基準(zhǔn)，研究分析了其在北京公共建筑過(guò)渡季空氣—水系統(tǒng)制冷中的節(jié)能效果。計(jì)算表明，該技術(shù)的應(yīng)用可以更高效充分利用室外空氣作為免費(fèi)冷源，在不影響舒適度且兼顧室內(nèi)空氣品質(zhì)的前提下，大幅減少了制冷機(jī)組的開(kāi)啟時(shí)間，并同時(shí)降低了輸冷能耗；當(dāng)室外條件不能滿足其單獨(dú)制冷要求時(shí)，蒸發(fā)冷卻技術(shù)還可以在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里輔助處理新風(fēng)負(fù)荷。由此可見(jiàn)，蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用并不僅僅局限于西北等全年空氣干燥的區(qū)域，也可以在過(guò)渡季較長(zhǎng)的華北、東北等類(lèi)北京的區(qū)域有良好的節(jié)能表現(xiàn)。

[1]謝曉云，江億，劉拴強(qiáng)，等.間接蒸發(fā)冷水機(jī)組設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及性能分析[J] .暖通空調(diào)，2007，37（7）：66~85.

[2]黃翔，周斌，于向陽(yáng)，等.新疆地區(qū)三級(jí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)工程應(yīng)用分析[J].暖通空調(diào)，2005，35（7）：104~107.

[3]GB 50736-2012，民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Analysis of Energy Saving Potential by Using the Evaporative Cooling Technology in Transition Seasons in Public Buildings in Beijing

ZHOU Wei
（China IPPR International Engineering Co.，Ltd，Beijing 100089，China）

From the perspective of a HVAC designer，the passage analyses the energy saving potential ability of the Evaporative Cooling Technology in transition seasons in Beijing by selecting the most common type of air-water system in public building as the research object.

evaporative cooling technology；energy saving；public buildings

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.024

TU831.6

B

2095-3429（2015）06-0089-03

2015-10-15

修回日期：2015-12-18

周瑋（1984-），男，北京人，碩士研究生，工程師，主要從事暖通設(shè)計(jì)工作。