蒸發冷卻與機械制冷相結合的半集中式空調系統的探討

雙慶+王熙文+曹麗

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

關鍵詞 蒸發冷卻半集中式空調系統；蒸發冷卻冷水機組；蒸發冷卻新風機組；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

蒸發冷卻空調技術是利用自然環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濟環保的冷卻方式。但單純的蒸發冷卻冷水機組受室外天氣的影響較大，在于炎熱干燥地區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和高濕度地區的適用性較差，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，以西安某商業大樓為設計對象，提出蒸發冷卻與機械制冷相結合的形式，進行蒸發冷卻半集中式空調系統的設計，為此類空調系統的設計提供參考依據。

1 建筑概況與空調設計概況

本工程為西安某多層建筑，地上四層設有商場，展廳及餐飲。室內設計參數根據國家標準取室內溫度26℃，相對濕度60%。西安地區夏季空調室外設計參數為：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 蒸發冷卻與機械制冷相結合的半集中式空調系統

蒸發冷卻水冷機組：本工程設計采用間接—直接蒸發冷卻冷水機組，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，實現綠色節能、經濟安全的冷水處理方式，與單獨的直接蒸發冷卻和單獨的間接蒸發冷卻相比，制取的冷水溫度更低。

蒸發冷卻半集中式空調系統：此建筑內房間較多，要求各房間互不干擾，可獨立調節室溫，設計時采用蒸發冷卻半集中式空調系統，與蒸發冷卻全空氣系統相比節省空間，與變風量空調系統相比初投資小，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，蒸發冷卻組合式空氣機組中的直接蒸發冷卻器就能滿足要求，以此可以很好地實現溫濕度獨立的控制。圖1為一層蒸發冷卻半集中式空調風管平面圖。

受到氣候條件的影響，不能在整個空調運行期利用蒸發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，充分利用蒸發冷卻技術獲得廉價的“自然”供冷，當室外環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為蒸發冷卻冷水機組與機械制冷冷水機組的全年聯合運行原理圖，在該系統中蒸發冷卻冷水機組提供的冷水在能滿足末端要求時，只開啟蒸發冷卻冷水機組，風冷熱泵處于關閉狀態；當蒸發冷卻冷水機組提供的冷水在不能滿足末端要求時，關閉蒸發冷卻冷水機組，開啟風冷熱泵機組。

圖2 蒸發冷卻與機械制冷聯合運行原理圖

風冷熱泵和蒸發冷卻高溫冷水機組設置于屋面，冬季，由風冷熱泵空調機組提供45℃～40℃熱水供本建筑使用，夏季，當室外濕球溫度小于20℃時，開啟屋面的蒸發冷卻高溫冷水機組，提供16℃～21℃的高溫冷水，用于空調系統的末端風機盤管，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系統使用。

在西安地區6-9月份的供冷季節中，按每天8：00～18：00統計供冷時間共計1342小時，結合室外濕球溫度統計，濕球溫度≥20℃共計698小時，占整個供冷季節的52%，意味著52%的時間段內單獨采用蒸發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。由于西安地區的室外狀態點W部分時間段位于室內狀態點N的左側，此時新風機組采用蒸發冷卻空調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點W在室內狀態點N的右側，此時不但新風機組達不到單獨采用蒸發冷卻技術的要求，就連蒸發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，需要對整個蒸發冷卻空調系統加入常規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的蒸發冷卻高溫冷水機組+4臺305 kW常規機械制冷冷水機組；采用4臺305 kW常規機械制冷冷水機組。

3.1 各方案運行分析

方案1：采用4臺243.5 kW的蒸發冷卻高溫冷水機組+4臺305 kW風冷熱泵機組，根據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，開啟屋面的蒸發冷卻高溫冷水機組，提供16℃～21℃的高溫冷水，用于空調系統的末端風機盤管，以及二級蒸發冷卻新風機組。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系統使用。

滿足蒸發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。不滿足蒸發冷卻使用要求時，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，直接蒸發冷卻段關閉。endprint

整個空調系統中蒸發冷卻空調機組和風冷熱泵機組都統一布置在屋頂，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冷凍水循環水泵（四用一備），整套空調系統無冷卻水系統。

方案2：采用4臺243.5 kW的蒸發冷卻高溫冷水機組+4臺305 kW常規機械制冷冷水機組，根據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，開啟屋面的蒸發冷卻高溫冷水機組，提供16℃～21℃的高溫冷水，用于空調系統的末端風機盤管，新風機組采用二級蒸發冷卻新風機組。當濕球溫度大于20℃時，開啟常規制冷機組，提供7℃～12℃的冷凍水供本建筑空調系統使用，新風機組中低溫冷水段處于開啟狀態，直接蒸發冷卻段關閉。

整個空調系統中蒸發冷卻空調機組布置在屋頂，常規冷水機組布置在制冷機房內，選用5臺7.5 kW冷凍水循環水泵（四用一備），與方案1相比需要給常規制冷機組在一層增加制冷機房和一套冷卻水系統。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常規機械制冷冷水機組，為本建筑空調系統提供7℃～12℃的冷凍水。常規冷水機組布置在一層制冷機房內，并增設冷卻水系統。

3.2 各方案概預算與分析

蒸發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

蒸發冷卻 機械制冷

1 1250 蒸發冷卻冷水機組 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計結果見表2。

表2 三種不同空調系統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進行切換，但與每年節省出來運行費用相比3年就能收回。風冷機組的耗電量大，但從整個空調系統來看，比常規冷水機組少了冷卻水系統，并且風冷熱泵機組可與蒸發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。由于水冷系統機組要相應地配備冷卻塔、冷卻水泵、管道系統和機房等，風冷機組的整個空調系統和水冷機組的整個空調系統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機房，如果選擇水冷式還要在一層增加空調機房，增加初投資，減少商業的適用面積。

綜上所述，對于本工程實際情況，采用方案1的風冷熱泵加蒸發冷卻水冷系統更為優異。

4 結論

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

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

3）以此項目設計為蒸發冷卻半集中式系統在西安地區乃至中濕度地區的推廣起到了很好的推動作用。

參考文獻

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