溫濕度獨(dú)立控制+蒸發(fā)冷卻技術(shù)在西寧某辦公建筑的應(yīng)用分析

武佳琛

溫濕度獨(dú)立控制+蒸發(fā)冷卻技術(shù)在西寧某辦公建筑的應(yīng)用分析

武佳琛

（澳希工程顧問(wèn)（上海）有限公司 上海 200063）

以西寧某高層辦公建筑為對(duì)象，基于風(fēng)機(jī)盤(pán)管+新風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)形式，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，尋求該樓夏季空調(diào)的較優(yōu)方案，探索溫濕度獨(dú)立控制和蒸發(fā)冷卻技術(shù)在其中的應(yīng)用，并對(duì)各方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析。經(jīng)分析，對(duì)新風(fēng)采用間接+直接蒸發(fā)冷卻處理并結(jié)合加大新風(fēng)量的方案是較優(yōu)的方案，其綜合機(jī)電成本最優(yōu)，且運(yùn)行費(fèi)用較常規(guī)方案節(jié)省約25%，這對(duì)具有相似氣候特點(diǎn)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義。

辦公建筑；風(fēng)機(jī)盤(pán)管；新風(fēng)除濕；溫濕度獨(dú)立控制；蒸發(fā)冷卻；經(jīng)濟(jì)性

0 引言

隨著我國(guó)東西部的協(xié)同發(fā)展，西部重要城市的辦公寫(xiě)字樓需求逐年增加，越來(lái)越多的高層乃至超高層建筑在城市中出現(xiàn)，并成為城市地標(biāo)。我國(guó)西北五省，氣候干燥，夏季干熱，濕球溫度低，運(yùn)用蒸發(fā)冷卻技術(shù)有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和節(jié)能潛力[1-3]；得益于其布置靈活、控制方便和成本節(jié)省等優(yōu)勢(shì)，風(fēng)機(jī)盤(pán)管是目前辦公建筑中應(yīng)用較為廣泛的空調(diào)末端[4,5]；但基于風(fēng)機(jī)盤(pán)管末端的辦公建筑蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用研究相對(duì)較少[6]，溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)在西北地區(qū)的應(yīng)用也較為缺乏[7]。本文依托西寧某高層辦公建筑的設(shè)計(jì)，探究溫濕度獨(dú)立控制和蒸發(fā)冷卻技術(shù)在其中的應(yīng)用，對(duì)其夏季空調(diào)方案及冷源形式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以確定較優(yōu)方案，進(jìn)而希望對(duì)具有相似氣候特點(diǎn)的空調(diào)設(shè)計(jì)起到一定參考意義。

1 概況

1.1 建筑概況

該辦公地上建筑面積約8萬(wàn)m2，建筑高度約120m。根據(jù)項(xiàng)目定位和實(shí)際條件等因素，確定該辦公樓空調(diào)熱源采用市政熱力，空調(diào)水系統(tǒng)采用兩管制，辦公區(qū)域采用“風(fēng)機(jī)盤(pán)管+新風(fēng)”的空調(diào)末端形式。

1.2 當(dāng)?shù)啬茉磧r(jià)格

根據(jù)當(dāng)?shù)卣l(fā)布數(shù)據(jù)，西寧商業(yè)電價(jià)按1.2元/kWh計(jì)，自來(lái)水價(jià)格按3.65元/m3計(jì)。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 辦公區(qū)域室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

辦公區(qū)域夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 辦公區(qū)域夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 西寧室外氣象參數(shù)

西寧的夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)如表2[8]所示。

表2 西寧夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 西寧夏季辦公空調(diào)運(yùn)行時(shí)段室外干濕球溫度變化曲線

由表2，并結(jié)合圖1[9]，西寧夏季室外的干濕球溫度整體較低，室外空氣含濕量明顯低于室內(nèi)空氣含濕量，這使得室外新風(fēng)具備了“天然”的除濕能力，并為蒸發(fā)冷卻技術(shù)提供了應(yīng)用潛力。

3 空調(diào)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

3.1 建筑負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

利用華電源負(fù)荷計(jì)算軟件對(duì)空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，在設(shè)計(jì)工況下，整個(gè)辦公區(qū)域的全熱冷負(fù)荷約為3970kW，顯熱冷負(fù)荷約為4179kW，室外新風(fēng)的低濕低焓貢獻(xiàn)了“負(fù)值”的新風(fēng)潛熱，從而使得建筑全熱負(fù)荷低于顯熱負(fù)荷。

3.2 基準(zhǔn)房間負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

為便于對(duì)各空調(diào)比選方案分析，現(xiàn)設(shè)定一個(gè)120m2的基準(zhǔn)辦公房間，依第2節(jié)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)和室外設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算其空調(diào)負(fù)荷，該房間的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)列于表3。

表3 基準(zhǔn)房間負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

注：房間最小新風(fēng)量2.2節(jié)確定的按30m3/h·P新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

綜合考慮設(shè)備布置條件、送風(fēng)氣流組織和房間噪聲（≤45dB（A））等要求，對(duì)該基準(zhǔn)辦公房間進(jìn)行風(fēng)機(jī)盤(pán)管末端的配置，選取4臺(tái)8號(hào)風(fēng)機(jī)盤(pán)管（三排管）作為基準(zhǔn)房間的室內(nèi)末端，配置風(fēng)機(jī)盤(pán)管的臺(tái)數(shù)、型號(hào)和盤(pán)管排數(shù)均是常規(guī)范圍內(nèi)的較大值，保證了充足的末端換熱面積。該風(fēng)機(jī)盤(pán)管配置的制熱能力亦滿足房間冬季熱負(fù)荷需求，后文將在此風(fēng)機(jī)盤(pán)管選型的基礎(chǔ)上，確定各空調(diào)方案的空調(diào)冷水供回水溫度。

4 新風(fēng)除濕可行性分析

針對(duì)由室外新風(fēng)承擔(dān)房間全部濕負(fù)荷的可行性，本小節(jié)將對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行具體分析計(jì)算：即能夠滿足房間濕負(fù)荷的“除濕”新風(fēng)需要多少。根據(jù)房間濕量守恒，計(jì)算承擔(dān)房間濕負(fù)荷的新風(fēng)量[9]：

式中，為新風(fēng)量，m3/h；為室內(nèi)濕負(fù)荷，g/h；d為室內(nèi)空氣含濕量，g/kg干空氣；d為室外空氣含濕量，g/kg干空氣；為空氣密度，kg/m3，西寧地區(qū)取0.92；

按上式計(jì)算可得，在設(shè)計(jì)工況下滿足房間除濕要求的新風(fēng)量為393.2m3/h，小于房間的最小新風(fēng)量450m3/h，即在最小新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)條件下，房間新風(fēng)量足夠承擔(dān)房間的全部濕負(fù)荷。按照以上關(guān)系式反推最小新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)下，滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)濕度要求的室外最大允許含濕量約為12g/kg干空氣。根據(jù)西寧夏季室外空氣含濕量的變化，整個(gè)夏季中含濕量超過(guò)12g/kg干空氣且干球溫度超過(guò)22℃的小時(shí)數(shù)不足50小時(shí)，即在夏季空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，室外新風(fēng)可以滿足室內(nèi)濕負(fù)荷的處理需求，利用室外新風(fēng)對(duì)室內(nèi)進(jìn)行除濕具有可行性。

5 空調(diào)比選方案

設(shè)定基準(zhǔn)方案A，即采用常規(guī)的電制冷冷水機(jī)組作為空調(diào)冷源，供給風(fēng)機(jī)盤(pán)管和新風(fēng)空調(diào)機(jī)組冷水，空調(diào)冷水供回水溫度為7/12℃。按上小節(jié)的分析，房間濕負(fù)荷全部由新風(fēng)承擔(dān)具備可行性，基于此，再提出方案B和方案C，各方案的主要特點(diǎn)及空調(diào)冷源形式如表4，理論上風(fēng)機(jī)盤(pán)管的冷源也可采用間接蒸發(fā)冷水機(jī)組，但按設(shè)計(jì)工況，該設(shè)計(jì)不能滿足室內(nèi)的負(fù)荷需求，故不將其納入比選方案，此處不再贅述。

表4 各比選方案匯總對(duì)比表

以下對(duì)方案B和方案C進(jìn)行闡述。

5.1 比選方案B：新風(fēng)免費(fèi)除濕

方案B空調(diào)新風(fēng)按最小新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，即30m3/h·P，室外新風(fēng)不進(jìn)行冷卻處理，只進(jìn)行必要的空氣凈化后送入室內(nèi)，按上小節(jié)分析，該狀態(tài)下的新風(fēng)可以承擔(dān)室內(nèi)的全部濕負(fù)荷；房間全部的顯熱負(fù)荷由室內(nèi)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管承擔(dān)，風(fēng)機(jī)盤(pán)管的冷水由冷水機(jī)組提供。這實(shí)際形成一套溫濕度獨(dú)立控制的空調(diào)系統(tǒng)，將房間熱濕的處理過(guò)程解耦后，風(fēng)機(jī)盤(pán)管不處理房間濕負(fù)荷，其供回水溫度可進(jìn)行一定提升，從而使空調(diào)冷源的運(yùn)行能效得到提升。

應(yīng)當(dāng)注意，直接送入室內(nèi)的新風(fēng)在滿足室內(nèi)濕負(fù)荷處理需求的同時(shí)，也將新風(fēng)的顯熱負(fù)荷帶入了室內(nèi)，這部分的顯熱負(fù)荷和室內(nèi)的顯熱負(fù)荷由室內(nèi)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管一并承擔(dān)。按下式（2）計(jì)算新風(fēng)帶入室內(nèi)的顯熱負(fù)荷：

式中，1為新風(fēng)顯熱負(fù)荷，kW；C為空氣定壓比熱容，J/(kg·℃)，取1.01；T為室外設(shè)計(jì)干球溫度，取26.5℃；T為室內(nèi)設(shè)計(jì)干球溫度，取25℃；

按設(shè)定基準(zhǔn)房間，計(jì)算得新風(fēng)所帶入室內(nèi)的顯熱負(fù)荷約為0.17kW，房間的總顯熱負(fù)荷為9.6+0.17=9.8kW。圖2為8號(hào)風(fēng)機(jī)盤(pán)管顯熱處理能力隨冷水供水溫度變化（供回水溫差均為5℃）的變化曲線[10]，當(dāng)冷水供回水溫度為7/12℃時(shí)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的顯熱處理能力約為6.1kW，相較于房間顯熱負(fù)荷，該末端處理制冷能力顯然“富富有余”；按基準(zhǔn)房間9.8kW的總顯熱負(fù)荷，并考慮合適的安全系數(shù)，在本方案中選取的冷水機(jī)組供回水溫度為11/16℃。

圖2 8號(hào)風(fēng)機(jī)盤(pán)管（三排管）顯熱處理能力隨冷水供水溫度變化

5.2 比選方案C：對(duì)新風(fēng)進(jìn)行兩級(jí)蒸發(fā)冷卻處理

在方案B中，房間顯熱負(fù)荷均由風(fēng)機(jī)盤(pán)管承擔(dān)，為進(jìn)一步利用室外干燥空氣的節(jié)能潛力，方案C引入蒸發(fā)冷卻技術(shù)，由外冷型兩級(jí)蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組對(duì)新風(fēng)進(jìn)行處理，仍由新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)的全部濕負(fù)荷，處理過(guò)的新風(fēng)同時(shí)也將承擔(dān)一部分房間的顯熱負(fù)荷，室內(nèi)其余的顯熱負(fù)荷由風(fēng)機(jī)盤(pán)管承擔(dān)，風(fēng)機(jī)盤(pán)管的冷水由冷水機(jī)組提供。外冷型兩級(jí)蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組的示意圖如圖3所示，進(jìn)入機(jī)組室外新風(fēng)先經(jīng)過(guò)間接蒸發(fā)冷卻段的冷卻處理，該段的冷水由間接蒸發(fā)冷水機(jī)組提供，再經(jīng)過(guò)一段直接蒸發(fā)冷卻段，將新風(fēng)處理至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

圖3 外冷型兩級(jí)蒸發(fā)冷卻空氣處理示意圖

間接蒸發(fā)冷水機(jī)組的原理示意圖如圖4所示。

圖4 間接蒸發(fā)冷水機(jī)組示意圖

方案C中新風(fēng)的空氣處理過(guò)程如圖5所示：即室外新風(fēng)先經(jīng)過(guò)表冷段的等濕冷卻，處理到W1點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)直接蒸發(fā)冷卻段，將空氣處理到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，直接蒸發(fā)冷卻是近似的等焓加濕降溫的過(guò)程。送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O為不低于室內(nèi)的露點(diǎn)溫度要求（16.7℃）和1.5℃的風(fēng)機(jī)溫升的設(shè)計(jì)結(jié)果，空氣相對(duì)濕度按95%。

圖5 方案C中新風(fēng)處理過(guò)程

各處理狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)如表5所示。

表5 方案C中新風(fēng)處理各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

經(jīng)過(guò)直接蒸發(fā)冷卻段的空氣處理過(guò)程，新風(fēng)的送風(fēng)溫度進(jìn)一步的降低，對(duì)處理室內(nèi)的顯熱負(fù)荷有利，但新風(fēng)增加的含濕量降低了新風(fēng)的除濕能力。因此，為滿足房間全部濕負(fù)荷的要求，需加大房間的新風(fēng)送入量；按公式（1）的濕量守恒原理，計(jì)算可得基準(zhǔn)房間的新風(fēng)量約為760m3/h，相當(dāng)于房間的人均新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)提升至50m3/P?？紤]方案的可操作性，方案C的新風(fēng)量取最小新風(fēng)量的2倍，即人均新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)按60m3/P，這樣可利用雙速風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)新風(fēng)空氣處理機(jī)組冬夏工況的切換。

增大新風(fēng)量會(huì)增加額外的新風(fēng)輸送能耗，但新風(fēng)的顯熱處理能力會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，按下式（3）計(jì)算可得，本方案下基準(zhǔn)房間的新風(fēng)能夠承擔(dān)的房間顯熱負(fù)荷約為1.92kW。這樣，室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管所承擔(dān)的顯熱負(fù)荷得到一定程度的削減，按基準(zhǔn)房間，室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管承擔(dān)的顯熱負(fù)荷約為7.9kW，選取經(jīng)濟(jì)合理的冷水機(jī)組供回水溫度為13/18℃。

式中，2為新風(fēng)承擔(dān)的室內(nèi)顯熱負(fù)荷，kW；T為室內(nèi)設(shè)計(jì)干球溫度，取25℃；T為新風(fēng)送風(fēng)溫度，取15.2℃。

6 各方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

對(duì)各比選方案A、B和C的進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，確定其中較優(yōu)方案。

6.1 主要設(shè)備配置及初投資估算

按照設(shè)計(jì)總負(fù)荷，對(duì)方案A、B和C，空調(diào)冷源的主要設(shè)備進(jìn)行選型，并估算其設(shè)備初投資費(fèi)用，結(jié)果如表6和表7所示。

表6 方案A&B空調(diào)冷源主要設(shè)備選型及初投資費(fèi)用

表7 方案C空調(diào)冷源主要設(shè)備選型及初投資費(fèi)用

6.2 運(yùn)行費(fèi)用估算

空調(diào)系統(tǒng)全年或季節(jié)能耗的計(jì)算，有度日法、當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間法、負(fù)荷頻率法等[12]，其中負(fù)荷頻率法簡(jiǎn)稱BIN法，該方法計(jì)算不同負(fù)荷下的能耗，并根據(jù)負(fù)荷頻率數(shù)，累加可得全年或季節(jié)的總能耗。運(yùn)用負(fù)荷頻率法估算各夏季空調(diào)方案的運(yùn)行費(fèi)用，結(jié)果如表8、表9和表10所示。

表8 方案A空調(diào)冷源運(yùn)行費(fèi)用

表9 方案B空調(diào)冷源運(yùn)行費(fèi)用

表10 方案C空調(diào)冷源運(yùn)行費(fèi)用

在方案C中加大新風(fēng)量運(yùn)行，新風(fēng)進(jìn)行間接蒸發(fā)冷卻+直接蒸發(fā)冷卻的空氣處理，新風(fēng)能夠承擔(dān)的室內(nèi)總顯熱負(fù)荷約為930kW，占室內(nèi)總顯熱負(fù)荷的23%。保守認(rèn)為：當(dāng)室內(nèi)顯熱負(fù)荷≤設(shè)計(jì)工況的23%時(shí)，僅開(kāi)啟空調(diào)新風(fēng)及其相關(guān)的間接蒸發(fā)冷水機(jī)組和直接蒸發(fā)冷卻段（不需開(kāi)啟冷水機(jī)組）即可滿足負(fù)荷需求；當(dāng)室內(nèi)顯熱負(fù)荷>設(shè)計(jì)工況的23%時(shí)，需開(kāi)啟相應(yīng)冷水機(jī)組系統(tǒng)，承擔(dān)其余的室內(nèi)顯熱負(fù)荷。

6.3 各方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

匯總各方案的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果如表11所示。

表11 各方案經(jīng)濟(jì)性匯總結(jié)果

7 結(jié)論

綜合以上分析，可得結(jié)論如下：

（1）西寧地區(qū)的室外新風(fēng)本身已具備了相當(dāng)?shù)某凉衲芰Γ?0m3/h·P的新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，室外新風(fēng)可承擔(dān)室內(nèi)的全部濕負(fù)荷，不需再考慮其它除濕手段；方案B采用溫濕度獨(dú)立控制的空調(diào)方案，由室外新風(fēng)直接承擔(dān)房間的濕負(fù)荷，由風(fēng)機(jī)盤(pán)管承擔(dān)房間全部的顯熱負(fù)荷；該方案較好的匹配了西寧地區(qū)的氣候特點(diǎn)，其夏季空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用較方案A節(jié)省約12%。

（2）方案C的空調(diào)方案進(jìn)一步利用蒸發(fā)冷卻技術(shù)，由間接蒸發(fā)冷水機(jī)組+兩級(jí)蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組對(duì)空調(diào)新風(fēng)進(jìn)行處理，承擔(dān)房間全部的濕負(fù)荷和約20%的顯熱負(fù)荷，由風(fēng)機(jī)盤(pán)管承擔(dān)其余的顯熱負(fù)荷；該方案在夏季相當(dāng)?shù)臅r(shí)間段內(nèi)，不需要開(kāi)啟電制冷冷水機(jī)組就可以滿足房間的制冷需求；方案C主要設(shè)備初投資較方案A和方案B節(jié)省約2%，夏季空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用較方案A節(jié)省約25%，較方案B節(jié)省約13%。

（3）方案C同時(shí)還降低了冷水機(jī)組的容量，其用電功率需求最低，可間接降低變壓器容量，其綜合機(jī)電成本最優(yōu)；此外，在方案C中，房間的新風(fēng)量倍增，提高了室內(nèi)的空氣品質(zhì)和舒適度，對(duì)辦公檔次的提升也大有裨益；雖然增大空調(diào)新風(fēng)量會(huì)對(duì)建筑核心筒的管井面積及避難層機(jī)房的面積產(chǎn)生一定影響，但本案均可處理解決，最終選用方案C作為其夏季空調(diào)方式。

（4）“風(fēng)機(jī)盤(pán)管+新風(fēng)”是辦公建筑中廣泛應(yīng)用的末端空調(diào)形式，本文推薦的空調(diào)方案對(duì)于其它類似氣候地區(qū)具有一定的參考意義?？照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要密切結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境特點(diǎn)，因地制宜“訂制”的空調(diào)系統(tǒng)往往能事半功倍，實(shí)現(xiàn)舒適性和經(jīng)濟(jì)性的兼而有之。

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Application Analysis of Independent Temperature-humidity Control and Evaporative Cooling in an Office Building in Xining

Wu JIiachen

( LC-MEP Consultant, Shanghai, 200063 )

This article takes a high-rise office building in Xining as an object, the air conditioning terminal unit is FCU+PAU. Combining the characteristics of the local climate, the independent temperature & humidity control and evaporative cooling technology is applicated; Depending on the economic analysis, a better plan of air conditioning scheme is obtained. After comparison, the plan which uses the indirect + direct evaporative cooling treatment for fresh air increasing fresh air volume is a better plan. In the plan, the overall mechanical and electrical cost is the best, and the operating cost is about 25% less than the conventional plan. This research result can be used for reference by other buildings in the similar climate region.

office building; fan coil unit; fresh-air-dehumidification; independent temperature and humidity control; evaporative cooling; economic analysis

1671-6612（2021）03-412-07

TU831

A

武佳琛（1987.10-），男，碩士，工程師，E-mail：pslwty@163.com

2021-01-14