干燥地區(qū)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效果及能耗分析

金洋帆 黃 翔 吳 磊 寇 凡 褚俊杰

干燥地區(qū)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效果及能耗分析

金洋帆1黃 翔1吳 磊1寇 凡1褚俊杰2

（1.西安工程大學(xué) 西安 710048；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司 北京 100013）

介紹了蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的形式，并進(jìn)行了簡單的分類。提出蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)分別從冷源側(cè)、輸配側(cè)、末端側(cè)的耗電量計(jì)算方法。通過對新疆某醫(yī)院采用空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)和干燥地區(qū)某機(jī)場配餐中心采用全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)溫濕度及整體耗電量實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析，來評價(jià)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果及能耗，得出實(shí)測的室內(nèi)平均溫度均為23.6℃，都低于室內(nèi)溫度的設(shè)計(jì)值；同時(shí)室外環(huán)境的濕球溫度對空調(diào)系統(tǒng)的耗電量影響較為明顯，當(dāng)室外環(huán)境的濕球溫度升高時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的耗電量也隨之增大。并且給出了蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化建議。

干燥地區(qū)；空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)；全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)；運(yùn)行效果；能耗分析

0 前言

目前，蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在西部炎熱干燥地區(qū)已得到廣泛應(yīng)用，然而在社會的能源消耗中，建筑能耗在總能耗所占的比重很大，約為20%~35%。而空調(diào)能耗大約占到整個(gè)建筑能耗的60%以上，以電力能源消耗為主，而且有逐年增大的趨勢[1]。為了應(yīng)對建筑能耗中空調(diào)能耗所占比例不斷上升的現(xiàn)狀，在干燥地區(qū)，根據(jù)其氣候特點(diǎn)首選考慮使用可再生能源——干空氣能。

在空調(diào)系統(tǒng)中，冷源側(cè)機(jī)組能耗最高，末端側(cè)設(shè)備以及輸配側(cè)循環(huán)水泵和風(fēng)機(jī)次之。由此可見，對于蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，最有效且可行的方法是降低冷源側(cè)機(jī)組能耗，同時(shí)要兼顧冷量輸配系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，即降低冷量輸配系統(tǒng)中的循環(huán)水泵和風(fēng)機(jī)的能耗[2]。通過對蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)耗電量的對比分析，提出科學(xué)合理的運(yùn)行策略，來降低空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗顯得很有意義。

1 蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)形式

1.1 空氣-水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)

空氣-水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)主要由蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組、蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組、輸送系統(tǒng)及室內(nèi)末端組成。該系統(tǒng)新風(fēng)經(jīng)蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組集中處理后送入空調(diào)房間，高溫冷水由蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取后送入室內(nèi)顯熱末端[3,4]?？諝?水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的分類如表1所示。

表1 空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的分類

1.2 全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)

全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)主要由蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組和送排風(fēng)系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)的空調(diào)區(qū)室內(nèi)負(fù)荷全部由經(jīng)過蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組處理后的空氣來負(fù)擔(dān)的空調(diào)系統(tǒng)[5,6]。與傳統(tǒng)機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：（1）空氣處理機(jī)組增加了間接蒸發(fā)冷卻器和直接蒸發(fā)冷卻器，其中間接蒸發(fā)冷卻器形式又可分為外冷式和內(nèi)冷式，而且間接蒸發(fā)冷卻器（段）的種類及級數(shù)視具體情況而定。（2）風(fēng)系統(tǒng)形式多是直流全新風(fēng)空氣系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的全空氣系統(tǒng)多采用混合式系統(tǒng)。特殊建筑或特殊季節(jié)全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)也會采用混合式或全回風(fēng)系統(tǒng)，比如熱負(fù)荷較大的數(shù)據(jù)機(jī)房，夏季極端工況時(shí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)也會采用混合式系統(tǒng)，可大大降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。（3）蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)中既有一次空氣系統(tǒng)，又有二次空氣系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的全空氣式空調(diào)系統(tǒng)中沒有一、二次空氣系統(tǒng)之分。全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的分類如表2所示。

表2 全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的分類

2 空調(diào)系統(tǒng)耗電量計(jì)算

2.1 冷源側(cè)

（1）蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組耗電量

根據(jù)供冷期內(nèi)不同室外氣象條件下空調(diào)供冷能耗需求，通過控制間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)來適應(yīng)不同室外氣象條件下建筑冷負(fù)荷的需求，以提供所需制冷量。

蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組耗電量（P）計(jì)算

P=∑i···（1）

式中：為小時(shí)數(shù)，h；為滿負(fù)荷運(yùn)行的間接蒸發(fā)冷水機(jī)組的臺數(shù)；為輸入功率修正系數(shù)，取0.9；為間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組額定功率，kW。

（2）蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組耗電量（P）計(jì)算

P=∑P·i/(3600·1000·1·2) （2）

式中：P為第小時(shí)風(fēng)機(jī)全壓；Q為第小時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量；1為風(fēng)機(jī)效率；2為傳動效率；為電機(jī)容量安全系數(shù)。

2.2 輸配側(cè)

（1）供冷期冷水循環(huán)水泵累計(jì)耗電量（P）計(jì)算

P=∑[P·j] （3）

式中：P為冷水循環(huán)泵非名義工況下的輸入功率，kW；j為冷水循環(huán)泵運(yùn)行臺數(shù)。

（2）排風(fēng)機(jī)耗電量（P）計(jì)算

P=∑P·Q/(3600·1000·1·2) （4）

2.3 累計(jì)耗電量

夏季空調(diào)累計(jì)耗電量（總）是供冷期空調(diào)冷水機(jī)組耗電量、冷水循環(huán)水泵耗電量、空調(diào)機(jī)組、排風(fēng)機(jī)耗電量之和。

總=P+P+P+P（5）

3 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效果及能耗分析

為了評價(jià)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效果及能耗，對空調(diào)系統(tǒng)制冷效果室內(nèi)溫濕度及整體耗電量指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測與分析。

3.1 新疆某醫(yī)院空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)

新疆某醫(yī)院采用空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)冷源采用間接蒸發(fā)冷水機(jī)組，機(jī)組供回水溫度16～21℃，通過板換系統(tǒng)換熱，末端為室內(nèi)干式風(fēng)機(jī)盤管、蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組及地板輻射供冷系統(tǒng)提供高溫冷水[7]。

在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間（6月28日～9月24日）進(jìn)行監(jiān)測，該工程室、內(nèi)外環(huán)境實(shí)測參數(shù)如表3所示。

表3 新疆某醫(yī)院室、內(nèi)外環(huán)境實(shí)測參數(shù)

圖1 新疆某醫(yī)院室外日平均干球溫度與日累計(jì)耗電量關(guān)系圖

圖2 新疆某醫(yī)院室外日平均濕球溫度與日累計(jì)耗電量關(guān)系圖

系統(tǒng)主要耗能設(shè)備有間接蒸發(fā)冷水機(jī)組、供冷循環(huán)泵耗電量、蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組、干式風(fēng)機(jī)盤管等空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備，監(jiān)測期間，新疆某醫(yī)院空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行84天，共計(jì)運(yùn)行2016h，空調(diào)系統(tǒng)累計(jì)耗電量為321504.3kWh，每天每平米空調(diào)系統(tǒng)耗電量約為0.0717kWh，每平米的建筑耗電量約為6.311kWh。

空調(diào)運(yùn)行期間室外日平均干球溫度與濕球溫度對日累計(jì)耗電量的關(guān)系如圖1和2所示。

3.2 干燥地區(qū)某機(jī)場配餐中心全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)

干燥地區(qū)某機(jī)場配餐中心采用以復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組為冷源的全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，同時(shí)每臺空調(diào)機(jī)組對應(yīng)1臺排風(fēng)機(jī)，將室內(nèi)濕熱空氣排出室外，完成相應(yīng)的空調(diào)循環(huán)[8]。

在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間（6月19日～8月2日）進(jìn)行監(jiān)測，運(yùn)行時(shí)間為每日09:30～17:30，每天空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長為8h，累計(jì)運(yùn)行45天。空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間，室內(nèi)、外環(huán)境平均環(huán)境參數(shù)如表4所示。

表4 干燥地區(qū)某機(jī)場配餐中心室、內(nèi)外環(huán)境實(shí)測參數(shù)

系統(tǒng)主要耗能設(shè)備有復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組、排風(fēng)機(jī)等空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備。干燥地區(qū)某機(jī)場配餐樓總擺盤間和熱廚夏季空調(diào)供冷面積為362m2，空調(diào)系統(tǒng)累計(jì)耗電量為1240kWh，每天每平米空調(diào)系統(tǒng)耗電量約為0.076kWh，每平米的建筑耗電量約為3.425kWh。該空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間室外日平均干球溫度與濕球溫度對日累計(jì)耗電量的關(guān)系如圖3和4所示。

圖3 干燥地區(qū)某機(jī)場配餐中心室外日平均干球溫度與日累計(jì)耗電量關(guān)系圖

圖4 干燥地區(qū)某機(jī)場配餐中心室外日平均濕球溫度與日累計(jì)耗電量關(guān)系圖

3.3 對比分析

將空氣—水與全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)分別各取兩種類型的建筑進(jìn)行能耗對比分析，其結(jié)果如表5所示。由于不同項(xiàng)目的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律各不相同，用以一天為單位，對系統(tǒng)耗電量進(jìn)行計(jì)算，最終得出各工程的每天每平米空調(diào)系統(tǒng)耗電量作為系統(tǒng)每天耗電指標(biāo)[9]，通過對比得出以下結(jié)果：

（1）運(yùn)行效果：室內(nèi)環(huán)境溫濕度指標(biāo)應(yīng)滿足《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736-2012要求，供冷工況，溫度24～26℃，濕度40～60%[10]。新疆某醫(yī)院采用空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)和干燥地區(qū)某機(jī)場配餐中心全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)測室內(nèi)溫度均為23.6℃，都低于設(shè)計(jì)的室內(nèi)溫度指標(biāo)，且相差不多，總體不會影響空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

（2）運(yùn)行能耗：新疆某醫(yī)院空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)每天每平米空調(diào)系統(tǒng)耗電量為0.0717kWh/(m2·d），干燥地區(qū)某機(jī)場配餐中心全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)耗電指標(biāo)為0.076kWh/(m2·d），兩者幾乎相等，但是新疆某醫(yī)院空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)每天的運(yùn)行時(shí)間要比干燥地區(qū)某機(jī)場配餐中心全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)多出16個(gè)小時(shí)，而在同一時(shí)間內(nèi)空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際耗電量更少。

（3）對于空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，室外日平均濕球溫度對空調(diào)系統(tǒng)日累計(jì)耗電量的影響較為明顯；對于全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，室外日平均干、濕球溫度與空調(diào)系統(tǒng)日累計(jì)耗電量沒有明顯的規(guī)律可循。

表5 空氣—水全與空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)能耗對比

4 優(yōu)化建議

（1）室內(nèi)溫濕度環(huán)境參數(shù)實(shí)測值與前期設(shè)計(jì)值存在一定的偏差，這往往是由于在設(shè)計(jì)過程中將系統(tǒng)的冷源設(shè)備選型過大，富裕值過高，這樣會增加設(shè)備的能耗，從而加大整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的耗電量。建議蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在前期設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該正確計(jì)算、模擬以及校核，避免不必要的能源浪費(fèi)。

（2）蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)受室外環(huán)境的濕球溫度影響較大。因此，應(yīng)該根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)和負(fù)荷變化來調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行策略，優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)自動控制模式，從而降低整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，減少運(yùn)行費(fèi)用。

（3）針對不同形式的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行情況科學(xué)地計(jì)算其耗電量及室內(nèi)溫濕度評價(jià)指標(biāo)，不同形式的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該用同一評價(jià)指標(biāo)來進(jìn)行全面分析，進(jìn)而為評價(jià)不同形式的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)耗電量和室內(nèi)溫濕度提供依據(jù)。

（4）為全面評價(jià)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果及能耗，建議細(xì)化整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的每個(gè)耗能環(huán)節(jié)，可以從冷源側(cè)、輸配側(cè)和末端側(cè)分別進(jìn)行評價(jià)，從而簡化整個(gè)系統(tǒng)的評價(jià)，為優(yōu)化蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果和降低能耗都有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

5 結(jié)論

（1）新疆某醫(yī)院采用空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)和干燥地區(qū)某機(jī)場配餐中心全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)實(shí)測的室內(nèi)平均溫度均為23.6℃，都低于室內(nèi)溫度的設(shè)計(jì)值，雖然不會影響空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果，但從耗能的角度來說，額外增加了空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

（2）通過實(shí)際測試數(shù)據(jù)對比分析，得出在干燥地區(qū)大型公用建筑中空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)相對于全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗較低，而全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)因系統(tǒng)相對簡單、運(yùn)行靈活，適用于中小型建筑。因此，針對不同的應(yīng)用場所，選擇合適的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)形式是十分重要的。

（3）在干燥地區(qū)，蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)充分利用可再生能源——干空氣能，大大降低了冷源側(cè)機(jī)組的能耗，對于空氣—水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，室外環(huán)境的濕球溫度對空調(diào)系統(tǒng)的耗電量影響較為明顯，當(dāng)室外環(huán)境的濕球溫度升高時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的耗電量也隨之增大。

[1] 2019中國建筑能耗研究報(bào)告[J].建筑,2020,(7):30-39.

[2] 嚴(yán)錦程,黃翔,周理,等.新疆某辦公樓蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用及效益分析[J].制冷與空調(diào),2020,20(3):1-9,22.

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Analysis of Operation Effect and Energy Consumption of Evaporative Cooling Air Conditioning System in Dry Area

Jin Yangfan1Huang Xiang1Wu Lei1Kou Fan1Chu Junjie2

( 1.Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048;2.China Academy of Building Research, Beijing, 100013 )

The form of evaporative cooling air-conditioning system is introduced, and simple classification is carried out. A calculation method for the power consumption of the evaporative cooling air-conditioning system from the cold source side, the transmission and distribution side, and the terminal side is proposed. Evaluate the operating effect of the evaporative cooling air-conditioning system by comparing and analyzing the measured data of indoor temperature, humidity and overall power consumption of an air-water evaporative cooling air conditioning system in a hospital in Xinjiang and an all-air evaporative cooling air conditioning system in an airport catering center in a dry area. And energy consumption, the measured indoor average temperature is 23.6℃, which is lower than the design value of the indoor temperature. At the same time, the wet bulb temperature of the outdoor environment has a significant impact on the power consumption of the air conditioning system. When it rises, the power consumption of the air conditioning system also increases. And the optimization suggestions of evaporative cooling air conditioning system are given.

Dry area; Air-water evaporative cooling air conditioning system; All-air evaporative cooling air conditioning system; running result; Energy consumption analysis

TU83

A

1671-6612（2021）01-064-06

“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0700404）；西安工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（chx2020040）

金洋帆（1994.03-），男，在讀碩士研究生，E-mail：909084955@qq.com

黃 翔（1962.07-），男，教授，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2020-11-03