蒸发冷却空调系统在昌吉州社会福利中心的应用

赵祺 孙梅

中旭建筑设计有限责任公司

蒸发冷却空调系统在昌吉州社会福利中心的应用

赵祺 孙梅

中旭建筑设计有限责任公司

我国西部地区气候干燥，蒸发冷却空调系统是一种很有潜力的高温冷源获取途径。伴随着温湿度独立控制理念的提出，蒸发冷却高温冷源与THIC的结合应用前景更加值得在西部地区推广。本文从一个实际工程出发，介绍了间接蒸发冷水机组作为冷源的串联式系统从方案对比到选型计算的详细设计步骤，可作为设计人员在适合条件下设计该系统的参考模版。

蒸发冷却 串联 干工况盘管 设计方法

1 工程概况

本工程位于新疆自治区昌吉州市，建筑面积19864m2，地上塔楼12层，裙房5层，地下1层。裙房为老年人活动中心，塔楼为社会福利中心。裙房建筑高度为22m，塔楼建筑高度为48m。

2 系统选择

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）在7.3.16、8.1.1中已分别规定“在夏季室外空气设计露点温度较低的地区，宜采用间接蒸发冷却冷水机组作为空调系统的冷源；经技术经济比较合理时，宜采用蒸发冷却空调系统”。本工程在设计之初就空调系统为甲方提供过方案对比，三种方案分别是：①冷源为风冷冷水机组，热源为市政热力本工程自设换热站，末端为风机盘管加新风系统；②多联机系统供冷，热源为市政热力本工程自设换热站，末端为散热器或地暖；③冷源为干空气能间接蒸发冷水机组，热源为市政热力本工程自设换热站，末端为地板辐射供冷供暖共用盘管，新风为干空气能外冷型多级蒸发制冷空气处理机组提供。最终采用了方案③，该方案主要有以下几个方面的考虑：

1）在干燥地区，只要有水就可获得非常大的干空气能，且利用方式简便，可持续利用，清洁无任何污染。炎热干燥的夏季室外空气湿度非常小，合理地将可再生能源干空气能用于空调制冷，以代替常规能源，能够大幅度地节省空调系统的运行能耗和费用，综合投资也得到了有效降低，在节能减排的同时，对优化和改善不合理的用能结构体系有着重要的现实意义。

2）传统冷水机组的湿工况风机盘管+新风系统，冷水机组制取7℃低温冷水对空气温度和湿度同时进行处理，将导致制冷系统效率低，且温湿度难以同时精确调节，冷凝盘管表面滋生霉菌，严重影响室内空气品质。该系统应用于干燥炎热地区，在降温的同时再进行除湿，是对能源的一种浪费。干空气能间接蒸发冷水机组的水分，制取空调所需高温冷水，完美地解决了在西北地区实现温湿度独立控制所需要的高温冷源问题，能以最小的代价实现温湿度独立控制系统。

3）本地区地处严寒气候区，而本工程的建筑性质属于老年人养老服务，老年人冬季为了避免空调有吹风感，冬季常规也要求尽量采用散热器或地暖系统。《暖规》中同时要求老年人建筑散热器必须安装或加防护罩，安装和加装防护罩会给建筑效果带来一定影响。采用基于干空气能的温湿度独立控制空调系统的典型应用方式：干空气能间接蒸发冷却冷水机组的地板辐射供冷+独立新风系统，冬季地板辐射供暖系统，可以完全满足上述所有要求。

3 辐射供冷盘管与新风机组串联流程

受冷水机组供回水温升的限制，独立新风加风机盘管系统中的新风机组与风机盘管间一般采用并联的形式。在间接蒸发冷水机组允许的最大供回水温差范围内，其供回水温升可以较大，对于大温差小流量型机组可以达到10℃。本工程将地板辐射供冷与新风机组采用串联的形式，如图1所示。

图1 间接蒸发冷水机组串联水系统图

间接蒸发冷水机组制取的冷水（16℃）先进入辐射盘管，盘管的回水（19℃）再送入外冷型多级蒸发制冷空气处理机组，对室外新风进行处理。为了保证地板盘管的水质，设板式换热机组对一次冷水进行换热后用于地板盘管。辐射供冷盘管系统温差定为3℃，经换热后的供回水温度为17.5℃、20.5℃。

4 设计方法

4.1 确定夏季室内、外设计参数

夏季空调室外干球温度tw=33.5℃，湿球温度ts,w= 19.5℃，大气压力Pw=91940Pa，含湿量dw=10.2g/kg，空气密度ρw=1.038kg/m3。室内空调设计参数：干球温度26℃，相对湿度￠n=55%，含湿量dn=12.92g/kg，空气比焓hn=59.19kJ/kg。

4.2 分别计算室内显热冷负荷、潜热冷负荷（湿负荷）并汇总

以一层报告厅系统为例，面积360m2，热负荷28.8kW，显冷负荷为31.1kW，湿负荷为13.97kg/h。

4.3 初选空调系统形式和设备类型

干空气能间接蒸发冷水机组的设计出水温度随使用地点的气象参数不同而变化显著，设计计算时需要查阅厂家提供的所选机组在使用地点的出水温度值。本工程主要功能为办公室和养老病房适合采用空气-水系统，故选用地板辐射盘管与外冷型多级蒸发空气处理机组串联的空调系统。冷水机组选用大温差型，在昌吉出水温度为16℃，地板盘管温升为3℃，空气处理机组进水温度为16℃+3℃=19℃。干空气外冷型多级蒸发制冷空气处理机组的水温升按下式计算[1]：

式中：Δt为干空气外冷型多级蒸发制冷空气处理机组水温升，℃；R为干空气外冷型多级蒸发制冷空气处理机组风水比，m3/kg；tw为干空气外冷型多级蒸发制冷空气处理机组进风干球温度（室外干球温度），℃；tp为干空气外冷型多级蒸发制冷空气处理机组间接蒸发制冷段后空气干球温度，℃；Cp为湿空气的定压比热；Cpw为水的定压比热；ρ为空气密度；

将参数代入式（1），得：Δt=1.5×1.2×1.01× (33.5-22.5)/4.186=4.8℃

总的用户供回水温升为3℃+4.8℃=7.8℃，小于间接蒸发冷机允许的最大用户温差10℃。

4.4 确定新风机组夏季出风参数

1）机组的使用地点，昌吉自治州。

2）确定机组的风水比。风水比是指通过机组间接蒸发制冷段表冷器的空气流量和冷水流量的比值，其中风量和水量的单位分别为m3/h和kg/h。这个参数是由设备生产厂家在设计制造时就确定的，本工程选用的外冷型多级蒸发制冷空气处理机组有4种风水比配置，本工程根据机组项目使用地点、进水温度及水温，选择1.5:1。

3）确定选用的直接蒸发制冷效率为90%。

4）从样本选取机组出风参数图，如图2所示。

图2 昌吉地区干空气能外冷型多级蒸发制冷空气处理机组图

5）确定进水温度（横坐标）与该出风干球温度曲线（蓝色曲线）的交点所对应的左纵坐标值即为出风干球温度to＝15.6℃。

6）确定进水温度（横坐标）与该出风含湿量曲线（绿色曲线）的交点所对应右纵坐标值即为出风含湿量do=10.8g/kg。

同样，利用该出风参数图也可确定出间冷段后、直冷段前的空气状态。确定过程与上面的确定过程类似，只需要将这时的直冷效率设为0%即可。在本工程中，间冷段后的空气状态为：干球温度为22.5℃，含湿量为8.0g/kg。

新风在I-d图上处理过程见图3，室外点经间冷蒸发冷却段处理等湿冷却到O1点，O1点经直冷蒸发冷却段处理到O2点，O2点即为新风送风状态点，即上述确定的to＝15.6℃，do=10.8g/kg。

图3 新风处理I-d图

4.5 确定需要的新风量

此设计方法的新风量计算方法不同于常规系统，它是通过比较消除房间显热所需风量、以及按照除湿要求的最小新风量和满足卫生要求的最小新风量，取三者最大值确定的（一般以消除房间显热计算新风量为最大）。它不同于风机盘管干式情况的新风量选取是因为地板辐射供冷系统受地面面积及盘管间距限制所能提供的显冷量有限，不足部分的显冷量需由新风系统负担。在设计时，应按如下步骤进行：

1）按冬季室内热负荷确定盘管面积及间距，从而查表得到夏季辐射供冷量。多功能厅盘管采用PE-RT材质，热负荷28.8kW，盘管间距150mm，夏季盘管供冷量为30W/m2，盘管可提供显冷量为10.8kW。

2）室内总显冷负荷为31.1kW，地板盘管提供10.8kW，需新风承担20.3kW。

3）按消除室内显热求新风量。由QX=CpρGX(tn-tQ) =1.01×1.2×GX(26-15.6)=20.3，求得：GX=6090m3/h

4）按消除余湿要求的最小新风量。由GH=W/[ρ(dndQ)]=13.97/[1.2×(12.92-10.8)]，求得：GH=5491m3/h

5）按满足卫生要求的最小新风量。G=360/4×30= 2700m3/h。

6）取上述计算三者最大值作为该系统最大新风量GX=6090m3/h。

4.6 确定空气处理机组型号与台数

按照计算所需的风量，根据厂家样本所提供的性能参数和结构参数，确定需要的干空气能外冷型多级蒸发制冷空调机组。选型时要在计算风量基础上考虑一定的漏风系数，选型结果见表1。

表1 外冷型蒸发制冷新风机组选型

4.7 校核盘管水量与新风机组水量之间的平衡

对于串联系统冷冻水先经过显冷末端设备，然后再流入新风机组，因此需要使二者所需的水量基本平衡，一般应满足[1]：

式中：GAHU为干空气能外冷型多级蒸发制冷空气处理机组需要的总冷冻水量，m3/h；GFC为串联显冷末端设备需要的总冷冻水量，m3/h。

GFC的计算方法与常规空调系统一样，GFC= 0.86Q/Δt，而GAHU的计算则不同，它是利用新风机组的新风量与机组风水比求得。表1中已列出本工程所选新风机组各型号的水量。

总的GAHU=116.7m3/h，总的GFC=430×0.86/3= 123.2m3/h（注：式中430为本工程全部地板盘管所负担的显热冷负荷）。计算结果满足GAHU≤GFC≤1.2GAHU。

4.8 制冷机组选型

对于串联式空气-水系统，系统需要的水量为显冷末端所需总水量与干空气能外冷型多级蒸发制冷空气处理机组所需总水量的最大值。将系统需要的总水量乘以1.1～1.2的安全系数，作为干空气能间接蒸发冷水机组需要的总水量，根据此水量和之前已经确定的大温差型机组类型，参考冷水机组样本，确定机组的型号和台数。本项目选用SZHJ-S-I-2-26型号5台，每台流量为26m3/h，系统可提供总流量为130m3/h。

5 结语

在高温干燥地区，通常当室外空气的露点温度低于14～15℃时，采用间接蒸发冷却方式，可以得到接近16℃的空调冷水来作为空调系统的冷源，极大地减少了人工制冷的能耗。文献[2]对可再生干空气资源的应用区域进行了详细分析，符合条件的地区应优先推广采用。但蒸发冷却空调也存在自身的不足，如受室外气候环境、水资源、室内湿度要求等因素的制约。在工程设计中应通过技术经济比较，合理地应用蒸发冷却技术。

[1]郝小礼,陈亚男,于向阳,等.基于间接蒸发冷水机组的串联空调系统设计方法[J].暖通空调,2013,43(1):41-45

[2]江亿,谢晓云,于向阳.间接蒸发冷却技术-中国西北地区可再生干空气资源的高效应用[J].暖通空调,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

赵祺（1984～），男，本科，工程师；北京市西城区车公庄大街4号新华1949园区中旭建筑设计有限责任公司（100037）；E-mail:zhaoqi@cadg.cn