基于不同室外氣候條件下蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的性能分析

曾婷婷，王玉嬌，劉 鳴，黃 翔，楊立然

(1.新疆建筑設(shè)計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊，830002；2.西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安710048)

蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一種采用水作為制冷劑，利用干球溫度與濕球溫度(或露點溫度)之差作為制冷驅(qū)動力的空調(diào)技術(shù)[1].早期學(xué)者以濕球溫度為單一指標(biāo)進行蒸發(fā)冷卻空調(diào)應(yīng)用的氣候適應(yīng)性區(qū)域劃分[2]，新疆、甘肅、寧夏等地區(qū)蒸發(fā)潛能大，蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)在空調(diào)期很大程度上可替代或輔助機械制冷[3].利用“干空氣能”作為驅(qū)動力的間接蒸發(fā)冷水機組性能系數(shù)高達12～13[4]，是當(dāng)下符合國家節(jié)能減排要求的低碳技術(shù).

近年來，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在我國西北地區(qū)的場館類建筑[5-6]、辦公建筑[7]和醫(yī)院建筑[8]中均有應(yīng)用.但由于蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)供冷能力有限、設(shè)備龐大等因素使其應(yīng)用受到局限.工程師設(shè)計將蒸發(fā)冷卻冷水機組和常規(guī)冷水機組聯(lián)合[9]的供冷系統(tǒng)，以及輻射供冷與風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)合[10]的多末端供冷方式，提高了供冷期蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的保證率，減少空調(diào)設(shè)備及風(fēng)管尺寸，擴大蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用范圍.

綜上所述，現(xiàn)有研究均針對單一工程設(shè)計工況下蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用及經(jīng)濟性分析，然空調(diào)系統(tǒng)能效高低并非僅由其設(shè)備性能決定，其與空調(diào)系統(tǒng)所處建筑及其使用功能特點均密切相關(guān)，特別是蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，其既受室外氣候條件的影響，又與建筑本身用能特點有關(guān).本文立足于關(guān)注整個供冷期，深入分析典型城市室外氣候條件對建筑冷負荷、蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備性能的影響，研究蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)供冷能力與建筑供冷需求之間的關(guān)系，提出適宜的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運行策略，以降低空調(diào)系統(tǒng)運行能耗.

1 室外氣候條件對建筑冷負荷的影響

以某醫(yī)院兒科綜合樓為例，在其他因素相同的情況下，僅分析室外氣象參數(shù)對建筑冷負荷的影響.該建筑空調(diào)面積為8 004.39 m2，地上6層，地下1層，建筑高度為23.88 m.1～2層為急診、各科門診室，3～6層為病房、設(shè)備機房等.該建筑為節(jié)能50%公共建筑.

利用DeST能耗模擬軟件分別計算烏魯木齊、喀什兩地該建筑供冷期空調(diào)逐時冷負荷.將烏魯木齊、喀什的上述建筑8月空調(diào)日逐時冷負荷進行分析可知，室外干球溫度變化呈波浪狀，而建筑8月每日(24 h)的建筑冷負荷變化呈駝峰狀.由于建筑圍護結(jié)構(gòu)熱惰性的影響，建筑高峰負荷出現(xiàn)時段比室外高溫出現(xiàn)時段延遲了1～3 h.處于喀什的比處于烏魯木齊該建筑的冷負荷衰減的緩慢，烏魯木齊該建筑21時的最大冷負荷為277.94 kW，而喀什21時最大冷負荷卻仍為422.2 kW，如表1所示.

表1 8月工作日最大冷負荷及出現(xiàn)時段情況

此外，如圖1所示，由于午休時段的燈光、設(shè)備關(guān)閉，人員離開建筑，使得該建筑的冷負荷在14～15時驟然降低.由此可見，對于人員密集、設(shè)備較多的醫(yī)院類建筑，室內(nèi)得熱量對建筑負荷的影響也是值得關(guān)注的問題.

圖1 8月工作日夏季冷負荷與室外氣象參數(shù)關(guān)系

2 室外氣候條件對蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的影響

目前，常見的利用蒸發(fā)冷卻技術(shù)提供高溫冷水和冷風(fēng)的設(shè)備分別是間接蒸發(fā)冷水機組和蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組，上述兩種設(shè)備的制冷能力均與室外氣象參數(shù)密切相關(guān).大部分城市僅用設(shè)計工況下室外氣象參數(shù)計算選用蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備，必然存在系統(tǒng)供冷能力不足的情況.為了研究室外氣候?qū)φ舭l(fā)冷卻系統(tǒng)的影響，筆者分析整個供冷期內(nèi)間接蒸發(fā)冷水機組出水溫度和蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的出風(fēng)溫度、制冷量的變化.

2.1 對間接蒸發(fā)冷水機組出水溫度的影響

間接蒸發(fā)冷水機組供水溫度低于濕球溫度，可達到室外濕球溫度和露點溫度平均值，很好的滿足了干燥地區(qū)對空調(diào)冷源的需求[4].高溫機組出水溫度tL≤20 ℃時，才具有用作空調(diào)冷源的經(jīng)濟合理性[4].高溫機組出水溫度為15 ℃左右的工況分布時數(shù)較多時，空調(diào)系統(tǒng)顯熱末端的經(jīng)濟性可得以較大改善[11-12].由此利用典型氣象年數(shù)據(jù)[13]，可推算出部分典型城市采用間接蒸發(fā)冷水機組的出水溫度tl，tl=(ts+td)/2，式中ts為室外空氣濕球溫度，td為室外空氣露點溫度，計算統(tǒng)計其分布的小時數(shù)，見表2.

表2 典型城市間接蒸發(fā)冷水機組出水溫度分布時數(shù)

由上表可知，嚴(yán)寒C區(qū)烏魯木齊的間接蒸發(fā)冷水機組出水溫度tL≤20 ℃的小時數(shù)占總供冷時數(shù)的99.7%，其中出水溫度tL≤15 ℃的小時數(shù)占總供冷時數(shù)的96.4%；寒冷A區(qū)蘭州、銀川和喀什的間接蒸發(fā)冷水機組出水溫度tL≤20 ℃的小時數(shù)分別占總供冷時數(shù)的100%、96.2%、98.4%，其中出水溫度tL≤15 ℃的小時數(shù)分別占總供冷時數(shù)的68.5%、38.7%、67.1%.因此，烏魯木齊該建筑采用間接蒸發(fā)冷水機組作為空調(diào)系統(tǒng)冷源，一次水供回水溫度為15/21 ℃時，僅采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)供冷即可滿足建筑供冷量需求；其他三個城市采用間接蒸發(fā)冷水機組時，出水溫度小于15 ℃的時段不足70%，且此氣候區(qū)建筑冷負荷較高，僅采用間接蒸發(fā)冷水機組供冷則無法滿足要求，需與機械制冷聯(lián)合使用.

2.2 對間接蒸發(fā)冷卻段后出風(fēng)溫度及其制冷量的影響

蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的出風(fēng)溫度與室外氣象參數(shù)、機組各功能段效率等因素有關(guān).兩級蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組通常沿送風(fēng)氣流方向依次設(shè)置間接蒸發(fā)冷卻段、直接蒸發(fā)冷卻段，機組內(nèi)空氣處理過程如圖2所示.考慮間接蒸發(fā)冷卻段能在整個供冷期高效運行，筆者深入分析計算間接蒸發(fā)冷卻段分別采用室內(nèi)回風(fēng)、室外新風(fēng)作為二次風(fēng)時，空調(diào)機組的能耗.

通過分析典型城市供冷期室外氣象參數(shù)(見表3)可知，烏魯木齊、蘭州供冷期室外空氣焓值小于室內(nèi)空氣焓值的小時數(shù)約占間接蒸發(fā)冷卻段運行總時長的97.6%和96.3%，銀川占比為79.8%，喀什占比為81.3%.采用室外新風(fēng)作二次空氣，經(jīng)間接蒸發(fā)冷卻段處理后空氣平均溫度比采用室內(nèi)回風(fēng)低約0.7～1.8 ℃.

假定間接蒸發(fā)冷卻段效率(ηJ)為60%，機組一次空氣量為G，利用公式(1)[14]、(2)分別計算采用室內(nèi)回風(fēng)、室外新風(fēng)作為二次空氣，所得機組間接蒸發(fā)冷卻段供冷量(Q)見表3..

表3 二次空氣不同對間接蒸發(fā)冷卻段供冷量的影響

(1)

(2)

式(1)、(2)中tWi,1，tMi,1分別為一次空氣進、出口干球溫度，℃；tsi,2為二次空氣進口濕球溫度，℃；cp為空氣的比定壓熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；ρ為空氣密度，1.2 kg/m3；G為夏季新風(fēng)量，m3/h；Hi分別為間接蒸發(fā)冷卻段運行小時數(shù)，h；n為供冷期總小時數(shù).

從表3可知，整個供冷期采用室外新風(fēng)作二次空氣的間接蒸發(fā)冷卻段的總供冷量大于采用回風(fēng)為二次空氣的總供冷量.烏魯木齊、蘭州兩地采用室外新風(fēng)比采用室內(nèi)回風(fēng)作二次空氣的間接蒸發(fā)冷卻器的供冷量分別增加37.5%和32.1%，銀川增加28%，喀什增加17.4%.

蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮供冷期室外氣象條件，分析對比供冷期室內(nèi)外空氣焓值分布情況，確定間接蒸發(fā)冷卻段二次空氣的選用.干熱氣候區(qū)各城市供冷期的絕大部分時間段，室外空氣的焓值小于室內(nèi)空氣的焓值，因此選用室外空氣作為二次空氣，給一次新風(fēng)降溫，經(jīng)間接蒸發(fā)冷卻段處理后的空氣溫度更低，供冷量更大.

2.3 對蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組(表冷段作間接蒸發(fā)冷卻段)制冷量的影響

目前，采用表冷段作為間接蒸發(fā)冷卻段的蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組在市場上也得到廣泛應(yīng)用.此類機組制冷量大小及送風(fēng)溫度的高低與通入表冷段的冷水溫度密切相關(guān)；在表冷段換熱效率不變的情況下，間接蒸發(fā)冷水機組供水溫度越低，蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組供冷量則越大.

然正如2.1節(jié)所述，寒冷A區(qū)大部分城市其間接蒸發(fā)冷水機組供水溫度較高，不能滿足系統(tǒng)供冷需求，需與機械制冷聯(lián)合供冷.以蘭州為例，當(dāng)間接蒸發(fā)冷水機組的出水溫度為20 ℃時，經(jīng)蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組表冷段處理后O′點的空氣溫度為25 ℃[5](換熱器換熱溫差為1.5 ℃)，再由直接蒸發(fā)冷卻段處理后L′點的送風(fēng)溫度為19.5 ℃；當(dāng)聯(lián)合供冷時，機械制冷冷源提供冷水出水溫度為15 ℃，機組表冷段后O點的出風(fēng)溫度為18.5 ℃，直接蒸發(fā)冷卻段后L點的出風(fēng)溫度為17.5 ℃，具體空氣處理過程見圖2.

圖2 2種工況的空氣處理過程

由式(2)計算可得，機械制冷冷源供給蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組表冷段的制冷量(O′-O點)為7.88 GkW，而最終僅使送風(fēng)溫度降低了2.0 ℃，即由L′點降低至L點，蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的總供冷量僅增加了2.42 GkW，此過程系統(tǒng)效率僅為30.7%.

因此，在最不利工況下采用機械制冷冷源給蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組提供15/20 ℃的冷水，通過降低空調(diào)機組送風(fēng)溫度，增加供冷量的方式，系統(tǒng)能效低、經(jīng)濟性差，建議將機械制冷冷源制備的高溫冷水直接通入顯熱末端供冷，此方式系統(tǒng)效率高，降溫效果更好.

3 蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)供冷能力與建筑冷負荷變化的適應(yīng)性

蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備和系統(tǒng)并非單獨存在，其主要用于服務(wù)建筑.建筑所在地氣候條件、建筑功能、圍護結(jié)構(gòu)性能、使用情況等因素均會使各建筑形成獨特的建筑冷負荷變化趨勢.然蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的供冷能力也與系統(tǒng)所在地的室外氣象條件密切相關(guān)，且存在室外干、濕球溫度越高，系統(tǒng)供冷能力越低的問題.

設(shè)計師通常按設(shè)計工況選擇蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備和系統(tǒng).然就蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)而言，可能存在系統(tǒng)能提供最大供冷量的時刻并非與建筑最大冷負荷耦合出現(xiàn)，即系統(tǒng)提供最大供冷量時刻與建筑最大冷負荷出現(xiàn)時刻不同，此種矛盾在蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)中表現(xiàn)的尤為突出.

假設(shè)第1節(jié)所述某醫(yī)院兒科綜合樓位于喀什市，該項目采用間接蒸發(fā)冷水機組作為冷源，蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組和地板輻射末端為建筑供冷.筆者詳細計算供冷期(93 d)內(nèi)工作日24 h的建筑平均冷負荷，以及蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)平均供冷量，通過對比其變化可知，在蒸發(fā)冷卻空調(diào)末端設(shè)定的情況下，系統(tǒng)供冷量變化僅與室外氣象參數(shù)有關(guān)，基本呈現(xiàn)室外干濕球溫度越高，供冷量越低的變化規(guī)律，并非隨著建筑冷負荷呈規(guī)律性變化，如圖3所示.該建筑最大冷負荷出現(xiàn)在工作日的18時，而蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)最大供冷量出現(xiàn)在8時，因此，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的最大供冷量與建筑最大冷負荷出現(xiàn)時間不一致，且蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在18時的供冷量僅為最大供冷量的75%，不能滿足建筑供冷需求，需要補充機械制冷.

圖3 喀什供冷季各時刻冷負荷與供冷量對比分析

4 蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運行模式分析

對烏魯木齊、蘭州、銀川、喀什四個典型城市蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)計工況下的空氣處理過程進行分析，確定上述典型城市的室外設(shè)計狀態(tài)W點(夏季空調(diào)室外計算干、濕球溫度)、室內(nèi)狀態(tài)N點(室內(nèi)設(shè)計溫度、相對濕度)和送風(fēng)狀態(tài)L點(熱濕比為10 000 kJ/kg，機器露點送風(fēng))，并以其送風(fēng)狀態(tài)L點和室內(nèi)狀態(tài)N點為基準(zhǔn)，在焓濕圖上劃分5個區(qū)域.再根據(jù)典型氣象年[4]供冷季室外氣象參數(shù)分別在焓濕圖上分析供冷期1 488 h(烏魯木齊)和2 232 h(蘭州、銀川、喀什)內(nèi)非設(shè)計工況下的空氣狀態(tài)點，如圖4所示.

圖4 典型城市室外狀態(tài)點分布情況

對上述四個典型城市室外氣象參數(shù)分析可知，不同城市室外氣象參數(shù)分布情況不同，如表4所示。烏魯木齊約有105 h的室外空氣狀態(tài)點位于Ⅰ區(qū)，約占總供冷時長的7.1%，可采用通風(fēng)對室內(nèi)降溫；有841 h的室外空氣狀態(tài)點分布在Ⅱ區(qū)，約占總供冷時長的56.6%，可開啟直接蒸發(fā)冷卻段對室內(nèi)供冷；有527 h的室外狀態(tài)點分布在Ⅲ區(qū)，約占總供冷時長的35.4%，可開啟蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組(直冷段+間冷段)向室內(nèi)供冷；其余15 h的室外狀態(tài)點位于Ⅳ、Ⅴ區(qū)，僅占總供冷時長的1.0%(14.88 h).故烏魯木齊僅采用蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)供冷，也能符合不保證50 h的要求.

表4 典型城市室外空氣狀態(tài)點分布情況

其余三個城市室外狀態(tài)點位于Ⅰ、Ⅱ區(qū)的小時數(shù)約占總供冷時長的47.3%～75.7%，位于Ⅲ區(qū)的小時數(shù)約占總供冷時長的21.1%～23.2%，位于Ⅳ、Ⅴ區(qū)的小時數(shù)占總供冷時長的3.1%～10.2%，需蒸發(fā)冷卻與機械制冷聯(lián)合供冷.銀川室外空氣狀態(tài)點位于位于Ⅳ、Ⅴ區(qū)的小時數(shù)占總供冷時長的31.6%，需滿足新風(fēng)除濕要求.

綜上所述，根據(jù)上述典型城市室外空氣狀態(tài)點的分布情況可知，室外狀態(tài)點分布在Ⅰ、Ⅱ區(qū)的小時數(shù)約占總供冷時長約為47.3%～75.7%，且集中分布時段多集中在夜間和清晨，若仍開啟間接蒸發(fā)冷水機組、蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組間冷段，勢必造成空調(diào)系統(tǒng)供冷量浪費，同時大幅度增加冷水系統(tǒng)及風(fēng)系統(tǒng)的運行能耗.因此，蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的具體運行模式應(yīng)根據(jù)供冷期工作日24 h建筑冷負荷分布情況，以及系統(tǒng)各功能段及顯熱末端供冷能力、運行時段，確定相應(yīng)建筑蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的運行模式，更符合實際情況，系統(tǒng)可靠性更高；同時，干熱氣候區(qū)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)充分利用夜間自然通風(fēng)(free cooling)或直接蒸發(fā)冷卻段的供冷能力(即僅開啟直接蒸發(fā)冷卻段)，可大幅度降低部分負荷工況下空調(diào)水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)的運行能耗.

5 結(jié)論

本文研究整個供冷期典型城市室外氣候條件對建筑冷負荷、間接蒸發(fā)冷水機組出水溫度、蒸發(fā)冷卻空調(diào)制冷量的影響.還通過分析4個典型城市蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)供冷能力與建筑供冷需求之間的關(guān)系，研究了各典型城市蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運行模式.結(jié)論如下：

(1)嚴(yán)寒地區(qū)處于烏魯木齊的間接蒸發(fā)冷水機組出水溫度低于15 ℃的小時數(shù)占比約為96.4%，寒冷地區(qū)典型城市的間接蒸發(fā)冷水機組出水溫度低于15 ℃的小時數(shù)占比約為38.7%～68.5%，會出現(xiàn)冷機供冷能力不足的情況，需與機械制冷聯(lián)合供冷.

(2)通過計算結(jié)果可知整個供冷期采用室外新風(fēng)作二次空氣比采用室內(nèi)回風(fēng)作二次空氣的間接蒸發(fā)冷卻段后出風(fēng)溫度低0.7～1.8 ℃，制冷量增加約17.4%～37.5%，因此考慮到整個供冷期空調(diào)能耗，建議干熱氣候區(qū)城市采用室外新風(fēng)作為二次空氣，機組制冷量更大，系統(tǒng)更節(jié)能.

(3)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)制冷量變化并非與建筑冷負荷變化趨勢相同，需考慮峰值負荷時蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)供冷能力不足的問題.通過研究典型城市室外空氣狀態(tài)點的分布情況，提出應(yīng)根據(jù)建筑冷負荷設(shè)置系統(tǒng)的運行模式，建議干熱氣候區(qū)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)充分利用夜間自然通風(fēng)和直接蒸發(fā)冷卻的供冷能力，可大幅度降低部分負荷工況下蒸發(fā)冷卻空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的運行能耗.