新疆某項目蒸發(fā)制冷系統(tǒng)設(shè)計與分析

侯連建

新疆某項目蒸發(fā)制冷系統(tǒng)設(shè)計與分析

侯連建

（筑博設(shè)計股份有限公司 深圳 518040）

蒸發(fā)制冷技術(shù)利用干空氣能，來制取建筑空調(diào)用高溫冷水，實現(xiàn)溫濕度獨立控制，節(jié)能潛力巨大，比傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)能40%～70%左右。以新疆某藝術(shù)中心為例，介紹大空間展廳和藝術(shù)大街暖通空調(diào)設(shè)計以及設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題，可供同地區(qū)同類型的項目設(shè)計參考。

蒸發(fā)制冷技術(shù)；干空氣能；大空間暖通空調(diào)設(shè)計

0 引言

新疆屬于干熱地區(qū)，夏季室外空調(diào)設(shè)計干球溫度較高，空氣含濕量、濕球溫度和室外空調(diào)設(shè)計相對濕度均較低.烏魯木齊夏季室外焓值為55.8kJ/kg （室外干球溫度33.5℃，濕球溫度18.2℃）[1]，室內(nèi)焓值59.5kJ/kg（設(shè)計溫度26度，相對濕度55%）[2]，夏季室外焓值比室內(nèi)設(shè)計焓值還要低，夏季充分利用室外焓值更低的新鮮空氣，不僅能夠節(jié)能還能使室內(nèi)新鮮空氣充足，提高舒適性。

本文以新疆某藝術(shù)中心項目為例，介紹本項目大空間展廳暖通空調(diào)設(shè)計，夏季空調(diào)末端采用臥式多級蒸發(fā)制冷空氣處理機組全新風運行，充分利用室外焓值低的新鮮空氣。

1 蒸發(fā)制冷技術(shù)原理

蒸發(fā)制冷技術(shù)就是利用干空氣能來獲得空調(diào)所需制冷量，在不同類型的蒸發(fā)制冷裝置中，利用水和干空氣的熱濕交換獲得低溫的冷風或冷水的一種制冷技術(shù)。

2 案例分析

2.1 項目概況

新疆某藝術(shù)中心項目，位于新疆烏魯木齊，設(shè)計主體包含新疆美術(shù)館、新疆畫院、新疆文化館、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)研究中心。建筑面積78291m2，占地52960.85m2，屬于一類高層，主體3層，局部5層，建筑高度為20.00m，局部因展廳運輸、展廳凈高要求及設(shè)備房高度要求抬高，屋面上存在22.00、23.90、25.80、27.00的建筑高度；東側(cè)和西側(cè)展廳之間由單層30m高藝術(shù)大街連接，負一層為展廳、車庫和設(shè)備用房，負二層為美術(shù)館展廳庫房及附屬用房、車庫和設(shè)備用房；設(shè)計主體為新疆藝術(shù)中心，包含美術(shù)館、文化館、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)研究中心、畫院四個單位及各功能配套業(yè)務(wù)用房。

2.2 冷源設(shè)計

項目冷源采用干空氣能間接蒸發(fā)冷水機組.大溫差小流量冷水機組服務(wù)于臥式多級蒸發(fā)制冷空氣處理新風機組，供回水溫度分別為16℃/26℃，小溫差大流量冷水機組服務(wù)于干式風機盤管及地板輻射，供回水溫度分別為16.5℃/21.5℃。

2.3 展廳暖通空調(diào)設(shè)計

本項目有11個大型展廳，每個展廳面積約900m2，展廳室內(nèi)凈高7m，還有一個20多米高的藝術(shù)大街，藝術(shù)大街室內(nèi)凈面積約3000m2。屬于高大空間，合理的暖通空調(diào)設(shè)計對節(jié)能非常有利，展廳和藝術(shù)大街均采用地板輻射供冷/暖＋臥式多級蒸發(fā)制冷空氣處理新風機組。新風機組用“免費供冷”的方式送入大量新風，消除室內(nèi)余濕和顯熱負荷，室內(nèi)空氣品質(zhì)良好。

以3號展廳暖通設(shè)計為例，該展廳空調(diào)面積約900m2，室內(nèi)總?cè)藬?shù)300人，室內(nèi)顯熱負荷Q=60kW，室內(nèi)濕負荷=38kg/h。

2.3.1 室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)

表1 室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)

2.3.2 夏季空調(diào)末端設(shè)計

設(shè)計選用一臺風量20000m3/h的臥式多級蒸發(fā)制冷空氣處理機組供冷，夏季全新風運行，室內(nèi)吊頂下凈高按7m，夏季空氣處理過程如圖1所示。

W—室外空氣狀態(tài)點；N—室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)點；P—間接蒸發(fā)制冷段后空氣狀態(tài)點；S—直接蒸發(fā)段后空氣狀態(tài)點；R—機組直接蒸發(fā)制冷段出風參數(shù)能達到的極限狀態(tài)點；h—等焓線；ε—熱濕比線

2.3.3 夏季處理過程分析

室外狀態(tài)點W經(jīng)間接蒸發(fā)制冷后變成狀態(tài)點P，此過程屬于等濕降溫過程，根據(jù)設(shè)計指南[5]，機組的使用地點和型號確定后，P點出風參數(shù)是一個定值（干球溫度為19.7℃，含濕量為8.1g/kg），由干空氣能間接蒸發(fā)冷水機組的間蒸發(fā)制冷段處理，再由P點經(jīng)直接蒸發(fā)制冷后到S點，水吸收空氣中的熱量后蒸發(fā)變成水蒸氣，此過程屬于等焓加濕過程，由機組的直接蒸發(fā)制冷段處理，直接蒸發(fā)段效率確定見下，如計算結(jié)果機組制冷量不滿足要求再調(diào)整直接蒸發(fā)段效率。

確定空氣處理機組的直接蒸發(fā)制冷段效率：

依據(jù)設(shè)計指南[5]，直接蒸發(fā)段制冷效率可以根據(jù)含濕量d和室外含濕量d的大小，按以下原則確定：

（1）如果d-d<1g/kg時，按=0%確定送風狀態(tài)點S；

（2）如果d-d>1g/kg時，按送風溫差d-d=1g/kg確定送風狀態(tài)點S和直接蒸發(fā)制冷段效率；

（3）如果d-d>1g/kg時，并且當取90%時，仍然有d-d>1g/kg時，按=90%確定送風狀態(tài)S；

本案例室內(nèi)含濕量d=12.8g/kg，室外含濕量d=8.58g/kg，可知d-d>1g/kg，且取90%時，d=10.7g/kg。

d-d=12.8-10.7=2.1g/kg，因此按=90%確定送風狀態(tài)S。經(jīng)查焓濕圖得S狀態(tài)點干球溫度為14.3℃，含濕量為10.7g/kg。

確定需要的新風量：

（1）滿足除濕要求的最小新風量為：/[×(d-d)]=38/[1.05×(12.8-10.7)]×1000=17233m3/h。

（2）滿足衛(wèi)生要求的最小新風量為：6000m3/h（按每人20m3/h計算）。

設(shè)計選用新風量為20000m3/h。

計算新風所能擔負的室內(nèi)顯冷負荷

=G×C××(t-t)/3600

=17233×1.01×1.05×(26-14.3)/3600

=64.1kW

從以上計算結(jié)果可以看出來，新風機組擔負的室內(nèi)顯冷負荷為64.1kW，而房間所需要的顯冷負荷為61.3kW，新風所能夠承擔的室內(nèi)顯冷負荷等于建筑所需要的顯冷負荷，設(shè)計滿足要求。新風機組選型為20000m3/h，室內(nèi)換氣次數(shù)約=3次/h。

2.4 藝術(shù)大街暖通設(shè)計

本項目藝術(shù)大街高度約20m，面積約3000m2，室內(nèi)總?cè)藬?shù)1000人，室內(nèi)顯熱負荷290.5kW，室內(nèi)濕負荷120kg/h，室內(nèi)設(shè)計溫度26℃，相對濕度=55%，室內(nèi)含濕量12.8g/kg。采用地板輻射供冷/暖＋臥式多級蒸發(fā)制冷空氣處理新風機組，新風機組消除室內(nèi)余濕和部分顯熱負荷，空調(diào)的顯冷末端—地板輻射供冷在干工況下運行，承擔消除房間和人體熱負荷的作用，地板輻射供冷供水溫度16.5℃，高于室內(nèi)空氣的露點溫度，不存在盤管表面凝水結(jié)露的問題，地板輻射盤管在干工況下運行，無病菌的滋生問題，室內(nèi)空氣品質(zhì)良好。

2.4.1 夏季空調(diào)制冷末端設(shè)計

空氣處理過程參考展廳空氣處理過程，P點和S點的參數(shù)確定方法同展廳空氣處理過程。此處直接蒸發(fā)段效率也按90%考慮。

確定需要的新風量：

（1）滿足除濕要求的最小新風量為：/[×(d-d)]=120×1000/[1.05×(12.8-10.7)]=54421m3/h

（2）滿足衛(wèi)生要求的最小新風量為：20000m3/h（按每人20m3/h計算）

設(shè)計選用新風量為54421m3/h。

計算新風所能擔負的室內(nèi)顯冷負荷：

=G×C××(t-t)/3600

=54421×1.01×1.05×(26-14.3)/3600

=187.6kW

比較新風所能承擔的室內(nèi)顯冷負荷與建筑需要的顯冷負荷：

新風所能承擔的室內(nèi)顯冷負荷為187.6kW，小于建筑所需要的顯冷負荷（290.5kW），僅靠新風不能滿足排除全部顯熱要求，剩余的室內(nèi)顯冷負荷由地板輻射盤管承擔。

確定地板輻射盤管需要承擔的室內(nèi)顯冷負荷：

地板輻射盤管需要承擔的室內(nèi)顯冷量為：290.5-187.6=102.9kW

地板輻射盤管單位面積制冷量約為23.1W/m2[5]，此結(jié)果來源于ASHRAE Handbook 2000中提供的計算公式，并用ASHRAE Transactions 103(1)42-48頁的文章中，關(guān)于管間距冷量修正系數(shù)進行修正后的結(jié)果（表中計算條件為：室內(nèi)空氣溫度26℃；管道間距為200mm；平均水溫為19℃）[6]。

地板輻射盤管承擔總顯冷負荷為23.1×3000/1000=69.3kW，小于102.9kW，因此需要加大新風量以減少地板輻射盤管，因為空氣處理機組直接蒸發(fā)制冷段效率已經(jīng)達到了90%，不宜再加大，這時，只能適當放松濕度控制，直接加大風量，為此，將新風量加大到65000m3/h，這時，新風能夠承擔室內(nèi)顯冷量224W，因此，需要地板輻射盤管承擔290.5-224=66.5kW。設(shè)計選用2臺20000m3/h和1臺風量25000m3/h的臥式多級蒸發(fā)制冷空氣處理機組，總風量65000m3/h。

2.4.2 藝術(shù)大街分層空調(diào)技術(shù)

藝術(shù)大街采用分層空調(diào)技術(shù)形式[6]，由于藝術(shù)大街頂部設(shè)置了天窗，夏季頂部聚集很多熱氣，在上部非空調(diào)區(qū)設(shè)置排風將熱氣排出去，以改善室內(nèi)環(huán)境，如圖2所示。

圖2 藝術(shù)大街分層空調(diào)技術(shù)示意圖

3 節(jié)能分析

（1）采用干空氣能間接蒸發(fā)冷水機組只有水泵和風機的電量，而常規(guī)水冷式冷水機組電量包括：冷水機組壓縮機、冷凍水泵、冷卻塔風機電量、冷卻水泵，因此冷水機組能夠大幅度地節(jié)省運行能耗和費用。

（2）臥式多級蒸發(fā)制冷空氣處理機組比常規(guī)空調(diào)機組多一個直接蒸發(fā)制冷段，需要設(shè)置水泵，然而此水泵的用電量很小，以風量為20000m3/h的臥式多級蒸發(fā)制冷空氣處理機組為例，直接蒸發(fā)制冷段水泵功率0.55kW，相比制冷主機的用電量，占很少一部分，考慮主機節(jié)約的電量，綜合節(jié)能達40%～70%左右，以3號展廳計算為例，在同樣的房間冷負荷和濕負荷情況下，房間達到設(shè)計溫、濕度，選用空調(diào)設(shè)備，分別對兩種空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能計算，相對傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)能約40%，不同規(guī)模、不同類型建筑節(jié)能數(shù)值會存在差異。

表2 兩種空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能計算

（3）本項目設(shè)計臥式多級蒸發(fā)制冷空氣處理機組+地板輻射盤管系統(tǒng)，新風機組風量按消除室內(nèi)散濕量選型，此時新風機組能夠負擔室內(nèi)大部分或者全部顯熱負荷，剩下的室內(nèi)顯熱負荷由地板輻射盤管承擔，充分利用室外焓值比室內(nèi)焓值低的新鮮空氣[5]，不僅能夠節(jié)能還能使室內(nèi)新鮮空氣充足，提高舒適性。

（4）藝術(shù)大街層高約20m，采用分層空調(diào)技術(shù)，將空間分層上、下2個區(qū)域，上部屬于非空調(diào)區(qū)，設(shè)置排風，下部屬于空調(diào)區(qū)，縮小空調(diào)區(qū)的高度范圍，有利于建筑的節(jié)能。

（5）臥式多級蒸發(fā)制冷空氣處理機組采用變頻控制，當室內(nèi)冷負荷減少時，風機通過變頻減少送風量以滿足室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，風機采用變頻能夠適當降低運行費用，同時能夠根據(jù)室內(nèi)冷負荷變化來調(diào)整供冷量。

4 結(jié)論

西北等地區(qū)擁有豐富的干空氣能，采用干空氣能間接蒸發(fā)冷水機組能夠獲得顯著的節(jié)能效果，本文能夠起到一定的借鑒作用；可以參考干空氣能間接蒸發(fā)冷水機組空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計指南，該指南由新疆綠色使者空氣環(huán)境技術(shù)有限公司編寫。

設(shè)計過程中有以下問題需要注意：在設(shè)計選用干空氣能間接蒸發(fā)冷水機組時，不能采用傳統(tǒng)冷水機組的選型方法，直接根據(jù)建筑用戶的總冷負荷選擇冷水機組型號，而要根據(jù)所需要的冷水流量來選型[5]；在大氣壓力較低的地區(qū)空氣密度也較低，設(shè)計時要考慮大氣壓對空氣密度的影響，空氣密度會影響空氣處理過程計算結(jié)果還會影響風機壓頭，如果設(shè)計沒有考慮空氣密度的影響可能會導(dǎo)致實際風機壓頭不滿足設(shè)計要求；室內(nèi)干式風機盤管和地板輻射盤管系統(tǒng)空調(diào)水溫要采用高溫冷源防止室內(nèi)結(jié)露。

[1] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[2] GB 51251-2015,公共建筑節(jié)能設(shè)計標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2015.

[3] 全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施-暖通空調(diào)·動力(2009版)[M].北京:中國計劃出版社,2009.

[4] JGJ 218-2010,展覽建筑設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[5] 干空氣能間接蒸發(fā)冷水機空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計指南[R].新疆:新疆綠色使者空氣環(huán)境技術(shù)有限公司,2015:3-27.

[6] ASHRAE Handbook 2000[M].

[7] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[8] JGJ142-2012,輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[9] 劉曉華,江億.溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[10] 江億,謝曉云,于向陽.間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)-中國西北地區(qū)可再生干空氣資源的高效應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2009,39(9): 1-4.

Evaporative Refrigeration System Design and Analysis of Project in Xinjiang

Hou Lianjian

( ZHUBO Design Group Co., Ltd, Shenzhen, 518040 )

Evaporative refrigeration technology use Dry air energy. To preparation Building air conditioning high temperature water, Realizing Independent Control of Temperature and Humidity Great potential for energy conservation40%～70% energy saving compared with traditional air conditioning Taking an Art Center in Xinjiang as an example This paper introduces the HVAC design of large space exhibition hall and Art Street as well as the problems needing attention in the design process. The same type of project design in the same area can be referred to in this paper.

Vaporative refrigeration technology; Dry air energy; HVAC Design for Large Space

1671-6612（2020）06-727-04

TU831

B

侯連建（1986.10-），男，本科，工程師，主要從事暖通空調(diào)工程設(shè)計，E-mail：472873913@qq.com

2020-03-10