蒸發冷卻技術應用于北京公共建筑中的節能潛力分析

周 瑋

（中國中元國際工程有限公司，北京100089）

蒸發冷卻技術應用于北京公共建筑中的節能潛力分析

周 瑋

（中國中元國際工程有限公司，北京100089）

從暖通設計師的角度，以公建中最常見的水—空氣系統為研究對象，分析了蒸發冷卻技術應用在北京過渡季制冷中的節能潛力。

蒸發冷卻；節能；公共建筑

0 引言

當前人類社會的發展，由于過度依賴化石能源，已經招致大自然的懲罰：溫室氣體激增，全球變暖—冰川融化，海平面上升；厄爾尼諾現象頻發—局地干旱，局地暴雨，惡劣氣候增多；等等。摒棄粗狂式發展，倡導節約高效利用能源，是刻不容緩需要面對的問題。我國建筑能耗在能源總耗量中的比重逐日增加，現在已經超過了三分之一；而建筑能耗中，有一半是消耗在了暖通空調系統中。由此可見，暖通的節能尤為重要。

現代建筑由于體量越建越大，導致進深越來越深，再加之窗墻比的增大以及可開啟外窗面積的大幅減少，使得內區比重相比傳統建筑要大得多。內區由于遠離外圍護結構，這使之成為與室外環境隔絕的區域：只有內熱，沒有外擾，全年需要制冷。冬季和過渡季的室外空氣就是天然的免費冷源，但卻由于一墻之隔，很多建筑并沒有很好的利用，造成了不必要的能源浪費。

現在較好解決這一問題的措施主要有兩個：冷卻塔制冷和新風制冷。冷卻塔（全水系統）在冬季制冷的表現良好，但由于其是間接冷卻室內空氣，加上本身換熱效率的限制，使得過渡季的制冷效果大打折扣；新風制冷則是直接去除室內余熱，過渡季全新風運行的全空氣系統可以達到良好的節能效果，但空氣—水（冷媒）系統由于新風量有限，不能充分利用過渡季的免費冷源。北京是過渡季很長的地區，如何能夠更充分的利用室外冷源，是實現進一步節能的目的所在。

蒸發冷卻技術可以充分利用免費冷源，其設備在我國氣候比較干燥的西部和北部地區已經有所應用，并且得到了很好的節能效果[1，2]，這為該技術向更廣泛區域發展奠定了基礎。蒸發冷卻技術可以實現比冷卻塔更深一級甚至兩級的制冷程度，而且可以直接冷卻新風。由此可見，蒸發冷卻技術可以讓有限的新風運載更多的冷量，進而更充分的利用過渡季免費冷源。

本文選取公共建筑中空氣-水系統作為研究對象，探討蒸發冷卻技術的節能潛力和在北京公共建筑中的可行性。

1 蒸發冷卻技術原理

蒸發冷卻分為直接蒸發冷卻和間接蒸發冷卻兩種。冷卻塔即是利用了直接蒸發冷卻，空氣和水充分混合，經過水的蒸發（相變）吸熱過程，實現加濕冷卻空氣；間接蒸發冷卻是以直接蒸發冷卻后的空氣水為冷源，通過間接（非接觸）換熱的方式，實現等濕冷卻空氣。

根據空氣、水所需處理程度的不同，蒸發冷卻又分為三級。一級只有直接蒸發冷卻一個過程，理論上可以處理到空氣的濕球溫度點；二級是間接+直接蒸發冷卻兩個過程，空氣首先被直接蒸發冷卻后的空氣水間接等濕冷卻，再經歷直接蒸發冷卻二個過程，理論上可以處理到比空氣濕球溫度更低的狀態；三級是間接+間接+直接蒸發冷卻三個過程，空氣首先被直接蒸發冷卻后的空氣水間接等濕冷卻，再被間接+直接蒸發冷卻后的空氣水間接等濕冷卻，最后再經歷直接蒸發冷卻，理論上可以處理到接近空氣露點溫度的狀態。

實際工程應用中，一、二、三級蒸發冷卻一般可以將水空氣分別處理到比空氣的濕球溫度高4~6℃、達到甚至低于空氣濕球溫度[1]、趨近于空氣露點溫度[2]。出于經濟可靠和方便計算的考慮，本文以二級蒸發處理到濕球溫度點為基準進行分析。

2 內區房間空氣-水系統節能分析

在北京的公共建筑中，空氣-水系統幾乎是不可或缺的，其最典型的形式為風機盤管+新風系統。由于其服務的房間種類繁多，本文僅參考《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005中提及的部分典型房間作為研究對象，即普通辦公室、會議室、餐廳和一般商店。統一假定房間高度不高于5.0m，均為內區房間（無外圍護結構），只有冷負荷，需要全年制冷；冬季和過渡季只考慮滿足室內設計溫度一個指標，沒有濕度標準要求。通過天正HVAC負荷計算軟件的計算，得出這四種典型房間單位面積顯熱負荷。見表1、表2。

表1 空調房間設計參數

表2 空調房間單位面積顯熱負荷、新風量和風盤風量

由表2可以看出，除一般商店外，單位面積新風量和風盤風量基本相當。然而風盤是間接制冷，室外冷源（空氣）需要經歷“空氣-水-空氣”的兩次轉換才能把冷帶進室內，受到中間換熱環節的熱損失以及空氣冷卻器熱質交換能力的局限性影響[3]，制冷效果會衰減很多，即其對免費冷源的要求更嚴苛。由此可見，采用新風直接制冷更高效和可靠。

3 新風制冷條件

根據能量平衡，可以計算出除去室內顯熱負荷所需的新風量。

式中Q—制冷量，W；

Gw—新風量，m3/h；

ρw—室外空氣密度，kg/m3；

Cp—空氣定壓比熱容，kJ/（kg·K）；

表3 除去室內顯熱負荷所需的新風量

tn—室內設計溫度，℃；

tw—新風溫度，℃。

由表3可知，除了會議室和星級較高餐廳外，其它房間的設計新風量不能滿足制冷所需最少新風量的要求。由于蒸發冷卻設備和傳統新風機是并聯運行關系，只是共用了新風管道；當為制冷需要提高新風量，則可能產生超速及噪音問題；為避免此問題，暖通設計師可以在設計新風管道時，酌情調低設計風速，放大管道尺寸。

4 蒸發冷卻技術的節能效果

按照10℃送風溫差考慮，送入房間的新風干球溫度需要處理到15℃或以下。當室外空氣干球溫度低于15℃時，可以直接引入未處理的新風制冷；當室外干球溫度高于15℃，且濕球溫度低于15℃時，則可以利用蒸發冷卻設備處理新風進行制冷。

由于室外干、濕球溫度時刻在變，本文為了方便研究，以北京典型氣象年每日9：00~17：00（朝九晚五）的平均溫濕度為基準判別適用哪種制冷方式。兩者的適用月份及天數見表4。

表4 不同制冷方式適用月份和天數d

由于11月、12月、1月、2月、3月屬于北京的采暖季，室外空氣干球溫度很低，新風基本無需處理便可以達到直接制冷的要求；4月、5月、10月是過渡季，只有15天可以直接利用新風，而應用蒸發冷卻技術后，這一天數可以再增加58天，即可以額外減少近2個月的制冷機組開啟時間，這占到了北京過渡季的1/3左右。

參照《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005中對于離心水冷機組COP值（4.4~5.1）的規定，并假定過渡季部分負荷下冷機COP不折減，蒸發冷卻技術的應用在減少制冷機組開啟方面即可實現節約電費約4.0~7.2度/m2；而且，蒸發冷卻的載冷劑為空氣，冷水機組的載冷劑為水，空氣環路的阻力損失遠小于水環路，這使得其在輸送環節上也可實現一定的節能效果；此外，當室外濕球溫度高于15℃且低于19.41℃（夏季室內設計溫度25℃，相對濕度60%時對應的濕球溫度）時，雖然無法單靠蒸發冷卻技術滿足制冷要求，但仍然可以將新風處理到不承擔室內熱濕負荷的狀態點，如此又可以再節省約50 d的新風機組能耗。

5 結語

以二級蒸發冷卻技術為基準，研究分析了其在北京公共建筑過渡季空氣—水系統制冷中的節能效果。計算表明，該技術的應用可以更高效充分利用室外空氣作為免費冷源，在不影響舒適度且兼顧室內空氣品質的前提下，大幅減少了制冷機組的開啟時間，并同時降低了輸冷能耗；當室外條件不能滿足其單獨制冷要求時，蒸發冷卻技術還可以在相當長的時間里輔助處理新風負荷。由此可見，蒸發冷卻技術的應用并不僅僅局限于西北等全年空氣干燥的區域，也可以在過渡季較長的華北、東北等類北京的區域有良好的節能表現。

[1]謝曉云，江億，劉拴強，等.間接蒸發冷水機組設計開發及性能分析[J] .暖通空調，2007，37（7）：66~85.

[2]黃翔，周斌，于向陽，等.新疆地區三級蒸發冷卻空調系統工程應用分析[J].暖通空調，2005，35（7）：104~107.

[3]GB 50736-2012，民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].

Analysis of Energy Saving Potential by Using the Evaporative Cooling Technology in Transition Seasons in Public Buildings in Beijing

ZHOU Wei
（China IPPR International Engineering Co.，Ltd，Beijing 100089，China）

From the perspective of a HVAC designer，the passage analyses the energy saving potential ability of the Evaporative Cooling Technology in transition seasons in Beijing by selecting the most common type of air-water system in public building as the research object.

evaporative cooling technology；energy saving；public buildings

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.024

TU831.6

B

2095-3429（2015）06-0089-03

2015-10-15

修回日期：2015-12-18

周瑋（1984-），男，北京人，碩士研究生，工程師，主要從事暖通設計工作。