间接蒸发与机械制冷冷水机组协同运行策略*

0 引言

我国西部干热气候地区适合采用节能、环保的蒸发冷却空调方式。间接蒸发冷水机组是蒸发冷却技术应用形式之一，可制取高温冷水，其出水温度介于室外空气湿球温度与露点温度之间[1]。不同地区应用间接蒸发冷水机组时，由于空调室外计算湿球温度存在差异，湿球温度较高地区所得到的冷水温度较高。同一地区应用间接蒸发冷水机组时，冷水温度也会因气象参数变化有较大波动。

采用高温冷水的空调系统需配置显热末端装置，如干工况风机盘管，毛细管网辐射顶、墙、地面，金属辐射顶板，冷梁等。空调冷水温度越高，与室内温差越小，即换热温差变小，显热末端装置单位风量或单位辐射面积供冷能力越低，空调系统经济性越差，空调系统设计冷水温度应低于18 ℃[2]。我国西部较多地区间接蒸发冷水机组设计出水温度在18 ℃以上，显热末端装置一次投资较大，制约了蒸发冷却技术的广泛应用。采用间接蒸发冷水机组与机械制冷冷水机组复合式冷水系统，可降低系统设计供水温度。室外湿球温度较低、间接蒸发冷水机组可制取较低温度冷水时，利用间接蒸发冷水机组单独供冷；室外湿球温度较高、间接蒸发冷水机组制取的冷水温度较高时，间接蒸发冷水机组与机械制冷冷水机组联合供冷。这种方式可以促进西部更多地区应用蒸发冷却，从而缩短机械制冷的使用时间。

1 间接蒸发冷水机组运行工况分析

1.1 间接蒸发冷水机组运行工况分析

间接蒸发冷水机组(以下简称“高温机组”)与机械制冷冷水机组(以下简称“低温机组”)协同运行时需要确定3种工况：一是高温机组出水温度较低时，可独立承担空调冷负荷的单独供冷工况；二是高温机组出水温度较高时，高、低温机组共同承担空调冷负荷的联合供冷工况；三是高温机组出水温度高时，低温机组单独供冷工况。这3种工况对应的室外参数分布时间可反映出蒸发冷却节能优势是否得到充分发挥，亦是制定高、低温机组协同运行策略的重要依据。

高温机组设计出水温度比室外设计露点温度高3～5 ℃时，机组经济性较好[1]。高温机组出水温度tL≤20 ℃时，才具有用作空调冷源的经济合理性[1]。高温机组出水温度为15 ℃左右的工况分布时数较多时，空调系统显热末端的经济性可得以明显改善[2-3]。如果高、低温机组复合式冷水系统设计供水温度为15 ℃，高温机组出水温度tL≤15 ℃区间就是高温机组单独供冷工况，高温机组出水温度15 ℃20 ℃区间就是低温机组单独供冷工况。

以乌鲁木齐、兰州、银川为例，由室外露点温度tDP可推算出高温机组的出水温度tL(tL=tDP+4 ℃)。利用典型气象年数据[4]，可统计出3个干热气候地区代表城市供冷季(6—8月)室外露点温度tDP≤16 ℃的分布时数，即高温机组出水温度tL≤20 ℃的可供冷时数。同时统计了室外露点温度tDP≤11 ℃的分布时数，即高温机组出水温度tL≤15 ℃的单独供冷时数。统计结果见表1。

表1 代表城市供冷季(6—8月)高温机组可供冷与单独供冷时数

由表1可知，乌鲁木齐高温机组出水温度tL≤20 ℃的可供冷时数占供冷期总时数的99.5%，可全供冷期供冷，其中：出水温度tL≤15 ℃的可单独供冷时数占75.5%，出水温度15 ℃20 ℃，需低温机组单独供冷。银川高温机组出水温度15 ℃20 ℃，需低温机组单独供冷。

乌鲁木齐、兰州采用高、低温机组复合式冷水系统，是以蒸发冷却设备供冷为主，机械制冷设备供冷为辅；银川则是以机械制冷设备供冷为主，蒸发冷却设备供冷为辅。具体工程应用时，应根据高温机组运行工况分析及冷源、末端设备配置等对复合式冷水系统进行技术经济分析，因地制宜，合理地发挥蒸发冷却节能运行的优势。

1.2 高、低温机组配置容量

由第1.1节分析可知，采用高、低温机组复合式冷水系统有3种运行工况，即高温机组单独供冷、高低温机组联合供冷、低温机组单独供冷。将3种工况对应的等湿线在焓湿图上表示出来，见图1。

图1 高温机组运行工况区

图中tsj为当地空调室外计算湿球温度；hj为对应于tsj的比焓；t11、t16分别为对应于露点温度11、16 ℃的等温线；d11、d16分别为对应于露点温度11、16 ℃的等湿线，即高温机组出水温度可达到15、20 ℃的等湿线。由饱和线、等焓线hj、等湿线d11、d16在焓湿图上包络出3个区。Ⅰ区是高温机组出水温度tL≤15 ℃的工况区，Ⅱ区是高温机组出水温度15 ℃20 ℃的工况区。

对于乌鲁木齐，Ⅰ区是高温机组单独供冷区，干球温度高，空调室外计算干球温度出现在该区，高温机组容量需满足设计工况下建筑冷负荷需求；Ⅱ区是高、低温机组联合供冷区，干球温度较高，由高、低温机组共同承担该区最大建筑冷负荷。

对于兰州，Ⅰ区是高温机组单独供冷区，干球温度较高，高温机组容量需满足该区最大建筑冷负荷需求；Ⅱ区是高、低温机组联合供冷区，干球温度高，空调室外计算干球温度出现在该区，高、低温机组共同承担设计工况下冷负荷；Ⅲ区是低温机组单独供冷区，干球温度较低，接近于空调室外计算湿球温度，低温机组容量还需满足该区最大建筑冷负荷需求。

对于银川，Ⅱ区是高、低温机组联合供冷区，干球温度高，空调室外计算干球温度出现在该区，高、低温机组共同承担设计工况下冷负荷；Ⅲ区是低温机组单独供冷区，干球温度较低，接近于空调室外计算湿球温度，低温机组容量还需满足该区最大建筑冷负荷需求。

综上分析，不同气象条件下高、低温机组运行的工况区和负荷状态不同，高、低温机组容量应同时满足各工况区最大建筑冷负荷的需求。各工况区建筑最大冷负荷小于设计工况下建筑冷负荷，需结合建筑冷负荷特性经动态计算分析确定。

2 高、低温机组复合式冷水系统

高温机组与低温机组复合式冷水系统的形式主要有串联式和双温式。

2.1 串联复合式冷水系统

串联复合式冷水系统见图2。该系统中高温机组为大温差机组，进/出水温度为20 ℃/30 ℃，管段标注水温是为了便于说明运行原理，具体工程存在差异。高温机组通过换热器与低温机组及空调末端串联在一起。空调末端(显热末端和新风机组冷却盘管)26 ℃的冷水回水先经换热器被高温机组冷却至21 ℃，再经低温机组进一步冷却至15 ℃后供给空调末端，如此循环。高温机组产出的20 ℃冷水经换热器对空调末端回水进行冷却后，出水温度升至25 ℃，再进入低温机组冷凝器吸收冷凝热后，出水温度升至30 ℃后返回高温机组。

1.间接蒸发冷水机组；2.机械制冷冷水机组蒸发器；3.机械制冷冷水机组冷凝器；4.显热末端；5.新风机组冷却盘管；6、7.冷水循环泵；8.换热器；F1、F2.转换阀门。图2 串联复合式冷水系统

串联复合式冷水系统的空调末端侧供回水温差大(11 ℃)，因此空调末端也采用串联布置方式，冷水先经显热末端(风机盘管、辐射地板、辐射顶板等)，再经新风机组冷却盘管。空调冷负荷由新风机组、显热末端共同承担[5]。此外，新风机组的直接蒸发冷却器也承担了一部分室内冷负荷，此冷负荷不计入高、低温机组需承担的冷负荷。

串联复合式冷水系统优缺点如下：

1) 由于只供给空调末端单一温度的冷水，又是单一环路，只要高温机组出水温度达到系统设计供水温度，就可判断出高温机组可单独供冷并满足室温要求。因此可设定系统供水温度来控制高温机组是否单独运行，控制方法较简单。

2) 高温机组出水温度会随室外气象参数变化而变化，进而引起串联系统供水温度发生波动，可能影响供水温度控制精度。

3) 系统供水温度较高，可充分发挥蒸发冷却节能的优势，但空调末端无除湿能力，新风机组直接蒸发冷却段会给室内加湿，当室内湿负荷较大时相对湿度偏高。

4) 显热末端与新风系统水路是串联关系，不能各自独立地调节冷水流量。室温控制可通过设定典型房间温度调节新风量的方法来实现。

由于显热末端无除湿能力，各空调房间又难以单独调节室温，因此，串联复合式冷水系统适用于各房间湿负荷较小且不需单独控制室温的建筑。

2.2 双温复合式冷水系统

双温复合式冷水系统见图3。该系统中高温机组为大温差机组，进/出水温度为20 ℃/30 ℃。该系统由高温机组和低温机组复合而成，并形成相互独立的2个冷水环路，即高温水环路(21 ℃/26 ℃)和低温水环路(12 ℃/17 ℃)。高、低温水环路同时运行，分别为新风机组和风机盘管提供冷量。高温机组冷水环路(20 ℃/30 ℃)由新风机组冷水环路和低温机组冷却水环路串联而成，通过换热器为新风机组提供冷量，同时为低温机组冷凝器提供冷却水。建筑冷负荷由高、低温机组共同承担。高温机组与新风系统承担部分显热负荷，低温机组和风机盘管承担其余部分显热负荷和全部的潜热负荷。高温机组配置容量需满足新风预冷及低温机组冷凝器负荷需求。

1.间接蒸发冷水机组；2.机械制冷冷水机组蒸发器；3.机械制冷冷水机组冷凝器；4.风机盘管；5.新风机组冷却盘管；6～8.冷水循环泵；9.换热器；F1、F2.转换阀门。图3 双温复合式冷水系统

双温复合式冷水系统优缺点如下：

1) 低温机组供水温度较稳定且可根据具体工程的节能需求和经济性需求有较大的选择范围，应对室内外工况变化能力较强。当空调房间湿负荷较大且对湿度控制有较高要求时，低温机组供水温度可低于房间空气露点温度。

2) 由于高、低温机组分别供给新风机组、风机盘管不同温度的冷水，即冷水系统为双环路、双温度，分别承担部分冷负荷，即使高温机组出水温度已较低，如15 ℃时，也不能判断出高温机组是否能单独承担此时的冷负荷以满足室温要求。因此，不能用设定系统供水温度来控制高温机组是否单独运行，控制难度较高。

3) 显热末端和新风系统水路各自独立，便于分别进行变流量调节，利于降低冷水系统输配能耗。

双温复合式冷水系统可利用风机盘管回水支管设置电动两通阀和风机三速开关对各空调房间温度进行独立调节。此种冷水系统适用于各房间湿度控制要求较高或需要单独控制室温的建筑。从发挥蒸发冷却节能优势方面来讲，双温复合式冷水系统不如串联复合式冷水系统。

3 高、低温机组协同运行策略

3.1 串联复合式冷水系统运行策略

由图2可见，当高温机组出水温度为20 ℃时，与低温机组串联后，可为空调末端提供15 ℃的冷水，可为新风机组冷却盘管提供20 ℃的预冷用水。实际上，在供冷期大多数时间内高温机组出水温度都低于20 ℃，乌鲁木齐平均出水温度只有12.5 ℃，兰州平均出水温度为15.6 ℃[4]，串联复合式冷水系统设计供水温度为15 ℃的情况下，部分时间内可仅运行高温机组。

串联复合式冷水系统应尽量多用高温机组，采取控制供水温度的运行策略，可充分发挥高温机组运行节能的优势。高、低温机组协同运行策略如下：

1) 设定串联复合式冷水系统供水温度控制范围(如13～15 ℃)，即设定低温机组出水温度控制范围，当室外露点温度及高温机组出水温度降低、系统供水温度随之降低时(低于15 ℃，高于13 ℃)，低温机组内部控制系统自动调节压缩机出力，将系统供水温度稳定在控制范围内[6]。

低温机组可采用螺杆式或涡旋式机组，通过滑阀或变频调节机组出力。

2) 当串联复合式冷水系统供水温度低于设定温度下限(13 ℃)时，低温机组停止运行，仅运行高温机组。

3) 当高温机组出水温度高于设定温度(20 ℃)时，高温机组仅为低温机组冷凝器提供冷却水，低温机组单独承担建筑冷负荷。

4) 当高温机组出水温度较低时，可能导致进入低温机组冷凝器的冷却水温度(即图2中换热器一次水出水温度)过低，并使压缩机电动机过载。为避免这种情况发生，需对低温机组冷凝器进水温度加以控制。冷凝器进水温度范围为19～33 ℃[6]，串联复合式冷水系统控制该温度可采用下限值，以保证低温机组需承担负荷时正常运行。

5) 房间冷负荷由新风系统、显热末端共同承担时，要控制室温并达到减少冷水循环泵和新风机能耗的目的，需同时调节显热末端冷水流量和房间新风量。但显热末端与新风机组水路串联，无法单独调节显热末端冷水流量，若每个房间设变风量末端来控制室温，则会增加控制系统的一次投资。最简单的控制方式是采用典型房间温度控制新风机转速来调节新风量。当典型房间温度达到设定温度时，变频控制器调节新风机转速，将系统风量减小至各房间所需最小新风量。要想降低冷水循环泵能耗，可利用串联环路总供回水温差通过变频控制器调节循环泵转速来实现，但串联环路总流量变化不应影响低温机组正常运行。

3.2 双温复合式冷水系统运行策略

乌鲁木齐、兰州采用双温复合式冷水系统时，高温机组出水温度低于等于20 ℃的可用时间比例达95%以上，因此，应优先运行高温水环路，包括高温机组和两级蒸发冷却新风机组。当室内热、湿负荷较大时，高温水环路与低温水环路同时运行。高、低温水环路空气处理过程见图4。高温水环路新风机组两级蒸发冷却过程为W→W′→O1，低温水环路风机盘管减湿冷却过程为N→O2。

注：W为非室外设计状态点(室外空气含湿量dW≥混风状态点含湿量dO)；W′为室外空气经高温盘管预冷后的出风状态点；N为室内状态点；tN为室内干球温度；φN为室内相对湿度；O1为送风状态点(高温水环路新风机组)；O2为送风状态点(低温水环路风机盘管)；O为混风状态点。图4 高、低温水环路空气处理过程

如图4所示，为避免加湿再减湿的能量浪费，使复合水系统设备配置趋于合理，低温机组和风机盘管的容量配置应不考虑除去余湿量。实际上，采用双温复合式冷水系统与单纯采用间接蒸发冷水系统相比已大大改善了室内舒适度，在满足室内温度需求的前提下，可允许较短时段内室内湿度高于设计上限值。

双温复合式冷水系统采取控制典型房间温度的运行策略，可充分发挥高温机组运行节能的优势。选择典型空调房间，设置房间温度传感器，并设定房间温度。双温复合式冷水系统可采用高温水环路运行优先和室内温度优先的控制策略：

1) 系统运行时先启动高温水环路各设备并持续运行60 min，间、直接两级蒸发冷却新风机组进入供冷状态，再根据典型空调房间温度判断是否启动低温水环路运行。若典型空调房间温度高于设定值，DDC控制器启动低温水环路各设备；若典型空调房间温度等于或低于设定值，则继续维持高温水环路独立运行状态。

2) 低温水环路各设备启动后，各空调房间根据风机盘管温控器控制室温，当房间温度达到设定值时，自动关闭风机盘管回水支路电动两通阀，风机反转复位。由于新风系统也承担了较多的房间冷负荷，因此，当房间温度达到设定值风机盘管停止运行时，还需调节房间新风量，否则新风会继续向房间供冷。

3) 当典型房间温度达到设定温度时，变频控制器调节新风机转速，将系统风量减少至各房间所需最小新风量。

4) 低温水环路运行后采用DDC常规控制策略。

5) 高温机组出水温度高于设定温度(20 ℃)时，高温机组仅为低温机组冷凝器提供冷却水，低温机组单独承担建筑冷负荷。

6) 为避免高温机组出水温度较低时导致进入低温机组冷凝器的冷却水温度(即图3中换热器一次水出水温度)过低，需设定低温机组冷凝器进水温度范围的下限值。

4 结语

室外湿球温度较低地区可利用间接蒸发冷水机组在全供冷期供给满足建筑需求的部分冷量，室外湿球温度较高地区也可利用间接蒸发冷水机组在供冷期部分时间内供给满足建筑需求的部分冷量，从而可减小机械制冷设备的配置容量。基于蒸发冷却优先的原则，串联复合式冷水系统通过设定供水温度范围来控制机械制冷设备投入运行与否，双温复合式冷水系统通过设定典型房间温度来控制机械制冷设备投入运行与否。本文对复合式冷水系统冷源设备容量配置问题也进行了讨论，意在引起同行关注，共同促进西部干热地区蒸发冷却技术的广泛应用。