蒸发冷却空调系统在医药厂房中的应用——以乌鲁木齐某医药厂房为例

熊 瑞

（中国医药集团联合工程有限公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

随着节能减排政策的不断深入，空调行业也积极响应国家的号召，涌现出了很多节能空调技术。医药洁净厂房因为送风量大，室内温度要求比舒适性空调低，能耗很大，有资料显示，医药洁净厂房空调系统的能耗比占整个厂区动力运行能耗的60%[1]，如何实现空调系统的节能越来越成为医药厂房空调系统设计的重点。我国疆域辽阔，不同地区气候差异很大，在气候比较干燥的西部和北部地区如新疆、青海、西藏、甘肃、宁夏、内蒙古、黑龙江等区域利用蒸发冷技术[2]被证明是可行的，并且节能效果明显，因此，在夏季干热地区蒸发冷却技术得到了广泛的应用。在设计过程中，选择什么样的蒸发冷却技术，本文就此进行探讨。

1 蒸发冷却技术的原理

蒸发冷却技术利用的是水蒸发吸热的原理，获得冷风或冷水的技术。空气的冷却处理可采用直接蒸发冷却、间接蒸发冷却或直接蒸发冷却与间接蒸发冷却相结合的二级或三级冷却方式。直接蒸发时，使用循环水喷淋空气，使之加湿。在加湿过程中存在显热和潜热交换，由于显热和潜热交换量相等，空气的比焓值在处理前后是相同的。整个处理过程是等焓加湿的过程。等焓加湿过程可以处理的极限温度是空气的湿球温度。其原理图和焓湿图如图1所示。

间接蒸发时，当冷媒（冷水）的温度足够高，使得空气冷却器空气侧传热面的温度高于空气的露点温度但低于空气的湿球温度时，空气在冷却过程中的含湿量不变，即为等湿冷却过程。间接蒸发冷却通常与直接蒸发冷却配合使用，间接—直接蒸发冷却原理图和焓湿图如图2所示。其中W为室外状态点，N为室内状态点，W1为间接蒸发出风状态点，O为理论送风状态点。

2 药厂蒸发冷却空调系统设计

2.1 厂房概况

以乌鲁木齐某药厂综合制剂车间为例进行蒸发冷却空调系统设计，该厂房房间功能主要包括D、C级净化区，更衣室、技术间、外包装间舒适空调区，CNC走廊，辅助功能用房等区域。D、C级温湿度参照GB 50457—2019《医药工业洁净厂房设计标准》设计，D级区设计温度为24℃，相对湿度55%；C级区设计温度为22℃，相对湿度55%，舒适性空调设计温度为26℃，相对湿度35%～75%，CNC走廊设计温度为28℃，相对湿度35%～75%。D、C级净化区因送风量较大，且要保证室内一定的洁净级别，另外也避免频繁的更换高效过滤器，采用组合式空调机组送风，冷源常用常规的电制冷压缩机，供回水温度为7/12℃。舒适性空调区和CNC走廊采用蒸发冷却空调系统，下面以其中一个包装区和CNC走廊为例进行蒸发冷却空调设计计算。

2.2 外包装区蒸发冷空调系统设计

外包装区建筑面积为1 219m2，建设方提供的此区域人员数为60人，经计算该区域夏季冷负荷为80kW，人体散湿量根据公式（1）[3]：

式中：ψ——群集系数；n——计算时刻空调区内的总人数；g——一名成年男子小时散湿量。

根据《实用供热空调设计手册》群集系数φ取值0.9，26℃时中度劳动条件下，一名成年男子的散湿量为240g/h，带入式（1）计算得人体散湿量为12.96kg/h。该区域散湿量主要为人员散湿量，房间其余散湿量不考虑，房间的热湿比ε为22222。

人体潜热冷负荷根据公式（2）计算[3]：

式中：Qx——人体散湿形成的潜热冷负荷（W）；n——计算时刻空调区内的总人数；qx——一名成年男子小时潜热散热量（W）。

根据《实用供热空调设计手册》群集系数ψ取值0.9，26℃时中度劳动条件下，一名成年男子的潜热散热量为161W，带入式（2）计算得人体潜热散热量为8 700W，即8.7kW。外包装区的显热冷负荷=夏季总冷负荷——人体潜热散热量，计算得外包装区显热冷负荷为71.3kW。

采用直接蒸发冷却时的送风温度按公式（3）计算[4]：

式中：to——蒸发式冷气机降温处理后的出风温度（℃）；tw——进风空气干球温度（℃）；tws——进风空气湿球温度（℃）；η——蒸发式冷气机效率，根据厂家提供的样本或经验数据选取，宜取65%～85%。

过室内设计状态点N作ε=22 222kJ/kg的热湿比线与ψ=90%的等相对湿度线的交点O即为理论送风状态点。查焓-湿图得ho=55.4kJ/kg，hn=62.6kJ/kg，送风量按公式（4）计算：

式中L——送风量（m3/h）；Q——冷负荷（kW）；ρ——空气密度，取1.2kg/m3；hn——室内状态点空气焓值（kJ/kg）；ho——送风状态点空气焓值（kJ/kg）；按公式（4）计算的送风量为29 709m3/h。查焓-湿图得乌鲁木齐夏季室外空调计算干球温度tw=33.5℃，湿球温度tws=18.2℃，焓值hw=55.8kJ/kg，蒸发式冷气机效率取80%计算，直接蒸发冷却后的出风温度to1=21.26℃。过室外状态点作hw=55.8kJ/kg的等含湿量线与to1=21.26℃的等温线的交点即为实际送风状态点O1。空调机组实际消除的显热冷负荷根据公式（5）计算：

式中：Q——显热冷负荷（kW）；m——空气质量流量（kg/s）；t2——空气处理终状态点（℃）；t1——空气初始状态点（℃）。

当实际送风状态点为O1时，消除的显热冷负荷Q为47.4kW，小于室内显热冷负荷71.3kW，固采用直接蒸发冷却不能满足室内温度的要求，需要采用间接-直接蒸发冷却系统。根据相关文献，间接蒸发冷却的效率一般不大于70%[5]，选择间接蒸发冷却的效率为60%进行计算，采用间接蒸发冷却时的送风温度按公式（6）计算[4]：

式中tw1——间接蒸发冷却器出风段的干球温度（℃）；tw——间接蒸发冷却器进风干球温度（℃）；tws——间接蒸发冷却器二次进风湿球温度（℃）；η——间接蒸发冷却器效率，一般取值不大于70%。

本项目间接蒸发冷却器效率按60%计算，间接蒸发冷却器二次空气进风为室外新风，计算得到的间接蒸发冷却器出风干球温度为tw1=24.3℃。直接蒸发冷却器的效率还是按80%计算，按公式（3）计算得到的直接蒸发冷却器出风干球温度为17.1℃，焓-湿图过程如图3所示。其中W-O1为直接蒸发冷却过程，W-W1-O2为直接-间接蒸发冷却过程。通过焓-湿图过程可以看出室内最终状态点为N2点，N2点的温度为26℃，相对湿度为50.6%，基本满足舒适性空调温湿度要求。

2.3 走廊蒸发冷空调系统设计

CNC走廊为环形走廊，走廊宽度2.4m，吊顶高度2.8m，长度180m，总面积为432㎡，根据建设方提供的此区域人员数量大概为100人，因该厂房为生产区，平时走廊人员活动数量不多，所以走廊由于人员产生的湿负荷基本上可以忽略不计，而围护结构、照明、设备等的散湿量也可以忽略不计，为简化计算，本次设计时，不考虑走廊的湿负荷。

经计算走廊的冷负荷为20kW，热湿比按∞考虑，采用直接蒸发冷却空调系统，3.2接计算的直接蒸发冷却空调系统的送风温度为21.26℃，过送风状态点O1做等湿线与t=28℃的等温线的交点即为室内实际状态点，焓-湿图过程如图4所示。查焓-湿图得O1点的焓值ho1=55.8kJ/kg，N1为室内实际状态点，焓值为hN1=62.8kJ/kg，相对湿度ψN1=50.7%消除20kW的冷负荷所需的送风量L=8572m3/h，走廊换气次数为7.1次/h，温湿度和换气次数均满足舒适性空调需求，所以CNC走廊可以采用直接蒸发冷却空调系统。

3 结语

以实际案例介绍了蒸发冷却空调系统的设计过程，得出的结论为蒸发冷却空调系统在乌鲁木齐地区非常适用，尤其是对于大空间，相对湿度不严格的区域采用蒸发冷却空调系统基本上能达到舒适性空调所需的人员温湿度要求，可以节约空调能耗。

本项目蒸发冷却器二次风采用的是室外新风，洁净厂区有大量排风，排风的湿球温度比室外空气湿球温度低，在有条件的情况下，蒸发冷却器二次风采用净化区排风可以得到更低的送风温度，从而可以在温湿度更严格的区域使用蒸发冷却空调系统。另外像药厂的提取车间，有很多房间需要岗位送风，也很适合采用蒸发冷空调系统。