雙慶+王熙文+曹麗

摘 要 以西安某多層建筑為實體，進行蒸發(fā)冷卻與機械制冷相結合的半集中式空調(diào)系統(tǒng)設計，系統(tǒng)采用的設備主要包括蒸發(fā)冷卻冷水機組，風冷熱泵，蒸發(fā)冷卻新風機組，干工況風機盤管，并將設計方案與其他傳統(tǒng)空調(diào)設計方案進行對比。結果表明，采用蒸發(fā)冷卻與風冷熱泵相結合的半集中式空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的半集中式空調(diào)系統(tǒng)更節(jié)能，降低運行成本，同時這一工程的應用也為蒸發(fā)冷卻半集中式空調(diào)系統(tǒng)在中濕度地區(qū)的應用奠定了基礎。

關鍵詞 蒸發(fā)冷卻半集中式空調(diào)系統(tǒng)；蒸發(fā)冷卻冷水機組；蒸發(fā)冷卻新風機組；風冷熱泵

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0052-03

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術是利用自然環(huán)境中的干球溫度與露點溫度之差，通過水與空氣之間的熱濕交換來獲取冷量的一種經(jīng)濟環(huán)保的冷卻方式。但單純的蒸發(fā)冷卻冷水機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，而對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，但單獨的使用機械制冷制取冷水耗能較大。本文針對以上問題，以西安某商業(yè)大樓為設計對象，提出蒸發(fā)冷卻與機械制冷相結合的形式，進行蒸發(fā)冷卻半集中式空調(diào)系統(tǒng)的設計，為此類空調(diào)系統(tǒng)的設計提供參考依據(jù)。

1 建筑概況與空調(diào)設計概況

本工程為西安某多層建筑，地上四層設有商場，展廳及餐飲。室內(nèi)設計參數(shù)根據(jù)國家標準取室內(nèi)溫度26℃，相對濕度60%。西安地區(qū)夏季空調(diào)室外設計參數(shù)為：干球溫度35.2℃，濕球溫度26℃。工作日辦公時間為：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，設計總冷負荷1230 kW，總熱負荷760 kW，計算單位面積冷指標121 W/m2，計算單位面積熱指標75 W/m2。

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

蒸發(fā)冷卻水冷機組：本工程設計采用間接—直接蒸發(fā)冷卻冷水機組，以機組的進風空氣干球溫度和濕球溫度的差值作為制冷驅(qū)動的形式，以此獲得接近進風空氣露點溫度的天然冷源，實現(xiàn)綠色節(jié)能、經(jīng)濟安全的冷水處理方式，與單獨的直接蒸發(fā)冷卻和單獨的間接蒸發(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，可獨立調(diào)節(jié)室溫，設計時采用蒸發(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。新風機組采用蒸發(fā)冷卻組合式空氣處理機組，新風機組由低溫表冷器、直接蒸發(fā)冷卻器、送風機組成。若要對室外空氣進行降溫除濕處理，只需提供常規(guī)機械制冷冷水機組的冷凍水就可滿足要求。若要對室外空氣進行加濕處理，蒸發(fā)冷卻組合式空氣機組中的直接蒸發(fā)冷卻器就能滿足要求，以此可以很好地實現(xiàn)溫濕度獨立的控制。圖1為一層蒸發(fā)冷卻半集中式空調(diào)風管平面圖。

受到氣候條件的影響，不能在整個空調(diào)運行期利用蒸發(fā)冷卻冷水機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)冷卻技術獲得廉價的“自然”供冷，當室外環(huán)境不適應時切換到機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)冷卻冷水機組與機械制冷冷水機組的全年聯(lián)合運行原理圖，在該系統(tǒng)中蒸發(fā)冷卻冷水機組提供的冷水在能滿足末端要求時，只開啟蒸發(fā)冷卻冷水機組，風冷熱泵處于關閉狀態(tài)；當蒸發(fā)冷卻冷水機組提供的冷水在不能滿足末端要求時，關閉蒸發(fā)冷卻冷水機組，開啟風冷熱泵機組。

圖2 蒸發(fā)冷卻與機械制冷聯(lián)合運行原理圖

風冷熱泵和蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組設置于屋面，冬季，由風冷熱泵空調(diào)機組提供45℃～40℃熱水供本建筑使用，夏季，當室外濕球溫度小于20℃時，開啟屋面的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組，提供16℃～21℃的高溫冷水，用于空調(diào)系統(tǒng)的末端風機盤管，以及吊頂式空氣處理機組。當濕球溫度大于20℃時，開啟屋面風冷熱泵機組，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)計供冷時間共計1342小時，結合室外濕球溫度統(tǒng)計，濕球溫度≥20℃共計698小時，占整個供冷季節(jié)的52%，意味著52%的時間段內(nèi)單獨采用蒸發(fā)冷卻技術制取高溫冷水不能很好的滿足末端設備的要求，需要采用機械制冷的形式。由于西安地區(qū)的室外狀態(tài)點W部分時間段位于室內(nèi)狀態(tài)點N的左側(cè)，此時新風機組采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術就能達到設計的送風要求，空氣處理過程見圖3。

圖3 蒸發(fā)冷卻運行焓濕圖

圖4 單獨運行機械制冷焓濕圖

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

3 經(jīng)濟性能分析

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243.5 kW的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組+4臺305 kW風冷熱泵機組；采用4臺243.5 kW的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組+4臺305 kW常規(guī)機械制冷冷水機組；采用4臺305 kW常規(guī)機械制冷冷水機組。

3.1 各方案運行分析

方案1：采用4臺243.5 kW的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組+4臺305 kW風冷熱泵機組，根據(jù)室外氣象條件切換制冷機組形式，夏季當室外濕球溫度小于20℃時，開啟屋面的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組，提供16℃～21℃的高溫冷水，用于空調(diào)系統(tǒng)的末端風機盤管，以及二級蒸發(fā)冷卻新風機組。當濕球溫度大于20℃時，開啟屋面風冷熱泵機組，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)冷卻高溫冷水機組的時間占總整個供冷季的48%，開啟時間總計644小時。在蒸發(fā)冷卻冷水機組開啟時，新風機組中低溫冷水段關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，機械制冷冷水機組開啟占整個供冷季的52%，開啟時間總計698小時，此時新風機組中低溫冷水段處于開啟狀態(tài)，直接蒸發(fā)冷卻段關閉。endprint

整個空調(diào)系統(tǒng)中蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組和風冷熱泵機組都統(tǒng)一布置在屋頂，不用專門設置制冷機房布置設備，只需選用配備5臺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243.5 kW的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組+4臺305 kW常規(guī)機械制冷冷水機組，根據(jù)室外氣象條件切換制冷機組形式，夏季當室外濕球溫度小于20℃時，開啟屋面的蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組，提供16℃～21℃的高溫冷水，用于空調(diào)系統(tǒng)的末端風機盤管，新風機組采用二級蒸發(fā)冷卻新風機組。當濕球溫度大于20℃時，開啟常規(guī)制冷機組，提供7℃～12℃的冷凍水供本建筑空調(diào)系統(tǒng)使用，新風機組中低溫冷水段處于開啟狀態(tài)，直接蒸發(fā)冷卻段關閉。

整個空調(diào)系統(tǒng)中蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組布置在屋頂，常規(guī)冷水機組布置在制冷機房內(nèi)，選用5臺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)制冷機組在一層增加制冷機房和一套冷卻水系統(tǒng)。增加5臺5.5 kW的冷卻水泵，并在屋面上布置4臺冷卻塔。

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

3.2 各方案概預算與分析

蒸發(fā)冷卻冷水機組輸出功率為20 kW，風冷熱泵機組輸出功率為100 kW，水冷機組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)冷卻與機械制冷耗電量比較

方案 制冷量/kW 設備 耗電量/kW

蒸發(fā)冷卻 機械制冷

1 1250 蒸發(fā)冷卻冷水機組 80 —

風冷熱泵機組 — 400

冷凍水泵 30 30

總計 110 430

2 1250 蒸發(fā)冷卻冷水機組 80 —

冷水機組 — 296

冷凍水泵 30 30

冷卻水泵 — 22

冷卻塔 — 12

總計 110 360

3 1250 冷水機組 — 296

冷凍水泵 — 30

冷卻水泵 — 22

冷卻塔 — 12

總計 — 360

3.2.1 電價對比

從表1中可以看出，風冷熱泵機組耗電量要比水冷式冷水機組大20%左右，西安商業(yè)用電價按1.1元/千瓦時，按前面確定的1342小時總供冷時間中蒸發(fā)冷卻占644小時，機械制冷占698小時，對3種不同方案的運行費用進行計算統(tǒng)計結果見表2。

表2 三種不同空調(diào)系統(tǒng)的初投資與運行費用結果

方案 初投資/（萬元） 夏季總耗電量/（kWh） 運行費用/（萬元）

1 220 370980 40.8

2 252 322120 35.4

3 185 483120 53.2

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

3.2.2 初投資價格統(tǒng)計

一般而言，相同制冷量的風冷機組比水冷機組高20%左右。由于水冷系統(tǒng)機組要相應地配備冷卻塔、冷卻水泵、管道系統(tǒng)和機房等，風冷機組的整個空調(diào)系統(tǒng)和水冷機組的整個空調(diào)系統(tǒng)設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)機房，如果選擇水冷式還要在一層增加空調(diào)機房，增加初投資，減少商業(yè)的適用面積。

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

4 結論

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

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

3）以此項目設計為蒸發(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作用。

參考文獻

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