溫濕度獨立控制+蒸發冷卻技術在西寧某辦公建筑的應用分析

武佳琛

溫濕度獨立控制+蒸發冷卻技術在西寧某辦公建筑的應用分析

武佳琛

（澳希工程顧問（上海）有限公司 上海 200063）

以西寧某高層辦公建筑為對象，基于風機盤管+新風系統的空調形式，結合當地氣候特點，尋求該樓夏季空調的較優方案，探索溫濕度獨立控制和蒸發冷卻技術在其中的應用，并對各方案進行技術經濟對比分析。經分析，對新風采用間接+直接蒸發冷卻處理并結合加大新風量的方案是較優的方案，其綜合機電成本最優，且運行費用較常規方案節省約25%，這對具有相似氣候特點的空調系統設計具有一定借鑒意義。

辦公建筑；風機盤管；新風除濕；溫濕度獨立控制；蒸發冷卻；經濟性

0 引言

隨著我國東西部的協同發展，西部重要城市的辦公寫字樓需求逐年增加，越來越多的高層乃至超高層建筑在城市中出現，并成為城市地標。我國西北五省，氣候干燥，夏季干熱，濕球溫度低，運用蒸發冷卻技術有顯著的技術優勢和節能潛力[1-3]；得益于其布置靈活、控制方便和成本節省等優勢，風機盤管是目前辦公建筑中應用較為廣泛的空調末端[4,5]；但基于風機盤管末端的辦公建筑蒸發冷卻技術應用研究相對較少[6]，溫濕度獨立控制系統在西北地區的應用也較為缺乏[7]。本文依托西寧某高層辦公建筑的設計，探究溫濕度獨立控制和蒸發冷卻技術在其中的應用，對其夏季空調方案及冷源形式進行技術經濟分析，以確定較優方案，進而希望對具有相似氣候特點的空調設計起到一定參考意義。

1 概況

1.1 建筑概況

該辦公地上建筑面積約8萬m2，建筑高度約120m。根據項目定位和實際條件等因素，確定該辦公樓空調熱源采用市政熱力，空調水系統采用兩管制，辦公區域采用“風機盤管+新風”的空調末端形式。

1.2 當地能源價格

根據當地政府發布數據，西寧商業電價按1.2元/kWh計，自來水價格按3.65元/m3計。

2 設計參數

2.1 辦公區域室內設計參數

辦公區域夏季室內設計參數如表1所示。

表1 辦公區域夏季室內設計參數

2.2 西寧室外氣象參數

西寧的夏季空調室外設計參數如表2[8]所示。

表2 西寧夏季空調室外設計參數

圖1 西寧夏季辦公空調運行時段室外干濕球溫度變化曲線

由表2，并結合圖1[9]，西寧夏季室外的干濕球溫度整體較低，室外空氣含濕量明顯低于室內空氣含濕量，這使得室外新風具備了“天然”的除濕能力，并為蒸發冷卻技術提供了應用潛力。

3 空調負荷統計

3.1 建筑負荷統計

利用華電源負荷計算軟件對空調負荷進行詳細計算，在設計工況下，整個辦公區域的全熱冷負荷約為3970kW，顯熱冷負荷約為4179kW，室外新風的低濕低焓貢獻了“負值”的新風潛熱，從而使得建筑全熱負荷低于顯熱負荷。

3.2 基準房間負荷統計

為便于對各空調比選方案分析，現設定一個120m2的基準辦公房間，依第2節室內設計參數和室外設計參數計算其空調負荷，該房間的負荷統計列于表3。

表3 基準房間負荷統計表

注：房間最小新風量2.2節確定的按30m3/h·P新風標準計算。

綜合考慮設備布置條件、送風氣流組織和房間噪聲（≤45dB（A））等要求，對該基準辦公房間進行風機盤管末端的配置，選取4臺8號風機盤管（三排管）作為基準房間的室內末端，配置風機盤管的臺數、型號和盤管排數均是常規范圍內的較大值，保證了充足的末端換熱面積。該風機盤管配置的制熱能力亦滿足房間冬季熱負荷需求，后文將在此風機盤管選型的基礎上，確定各空調方案的空調冷水供回水溫度。

4 新風除濕可行性分析

針對由室外新風承擔房間全部濕負荷的可行性，本小節將對該問題進行具體分析計算：即能夠滿足房間濕負荷的“除濕”新風需要多少。根據房間濕量守恒，計算承擔房間濕負荷的新風量[9]：

式中，為新風量，m3/h；為室內濕負荷，g/h；d為室內空氣含濕量，g/kg干空氣；d為室外空氣含濕量，g/kg干空氣；為空氣密度，kg/m3，西寧地區取0.92；

按上式計算可得，在設計工況下滿足房間除濕要求的新風量為393.2m3/h，小于房間的最小新風量450m3/h，即在最小新風標準條件下，房間新風量足夠承擔房間的全部濕負荷。按照以上關系式反推最小新風標準下，滿足室內設計濕度要求的室外最大允許含濕量約為12g/kg干空氣。根據西寧夏季室外空氣含濕量的變化，整個夏季中含濕量超過12g/kg干空氣且干球溫度超過22℃的小時數不足50小時，即在夏季空調的運行時間內，室外新風可以滿足室內濕負荷的處理需求，利用室外新風對室內進行除濕具有可行性。

5 空調比選方案

設定基準方案A，即采用常規的電制冷冷水機組作為空調冷源，供給風機盤管和新風空調機組冷水，空調冷水供回水溫度為7/12℃。按上小節的分析，房間濕負荷全部由新風承擔具備可行性，基于此，再提出方案B和方案C，各方案的主要特點及空調冷源形式如表4，理論上風機盤管的冷源也可采用間接蒸發冷水機組，但按設計工況，該設計不能滿足室內的負荷需求，故不將其納入比選方案，此處不再贅述。

表4 各比選方案匯總對比表

以下對方案B和方案C進行闡述。

5.1 比選方案B：新風免費除濕

方案B空調新風按最小新風標準，即30m3/h·P，室外新風不進行冷卻處理，只進行必要的空氣凈化后送入室內，按上小節分析，該狀態下的新風可以承擔室內的全部濕負荷；房間全部的顯熱負荷由室內的風機盤管承擔，風機盤管的冷水由冷水機組提供。這實際形成一套溫濕度獨立控制的空調系統，將房間熱濕的處理過程解耦后，風機盤管不處理房間濕負荷，其供回水溫度可進行一定提升，從而使空調冷源的運行能效得到提升。

應當注意，直接送入室內的新風在滿足室內濕負荷處理需求的同時，也將新風的顯熱負荷帶入了室內，這部分的顯熱負荷和室內的顯熱負荷由室內的風機盤管一并承擔。按下式（2）計算新風帶入室內的顯熱負荷：

式中，1為新風顯熱負荷，kW；C為空氣定壓比熱容，J/(kg·℃)，取1.01；T為室外設計干球溫度，取26.5℃；T為室內設計干球溫度，取25℃；

按設定基準房間，計算得新風所帶入室內的顯熱負荷約為0.17kW，房間的總顯熱負荷為9.6+0.17=9.8kW。圖2為8號風機盤管顯熱處理能力隨冷水供水溫度變化（供回水溫差均為5℃）的變化曲線[10]，當冷水供回水溫度為7/12℃時，單臺風機盤管的顯熱處理能力約為6.1kW，相較于房間顯熱負荷，該末端處理制冷能力顯然“富富有余”；按基準房間9.8kW的總顯熱負荷，并考慮合適的安全系數，在本方案中選取的冷水機組供回水溫度為11/16℃。

圖2 8號風機盤管（三排管）顯熱處理能力隨冷水供水溫度變化

5.2 比選方案C：對新風進行兩級蒸發冷卻處理

在方案B中，房間顯熱負荷均由風機盤管承擔，為進一步利用室外干燥空氣的節能潛力，方案C引入蒸發冷卻技術，由外冷型兩級蒸發冷卻空氣處理機組對新風進行處理，仍由新風承擔室內的全部濕負荷，處理過的新風同時也將承擔一部分房間的顯熱負荷，室內其余的顯熱負荷由風機盤管承擔，風機盤管的冷水由冷水機組提供。外冷型兩級蒸發冷卻空氣處理機組的示意圖如圖3所示，進入機組室外新風先經過間接蒸發冷卻段的冷卻處理，該段的冷水由間接蒸發冷水機組提供，再經過一段直接蒸發冷卻段，將新風處理至送風狀態點。

圖3 外冷型兩級蒸發冷卻空氣處理示意圖

間接蒸發冷水機組的原理示意圖如圖4所示。

圖4 間接蒸發冷水機組示意圖

方案C中新風的空氣處理過程如圖5所示：即室外新風先經過表冷段的等濕冷卻，處理到W1點，再經過直接蒸發冷卻段，將空氣處理到送風狀態點O，直接蒸發冷卻是近似的等焓加濕降溫的過程。送風狀態點O為不低于室內的露點溫度要求（16.7℃）和1.5℃的風機溫升的設計結果，空氣相對濕度按95%。

圖5 方案C中新風處理過程

各處理狀態點的參數如表5所示。

表5 方案C中新風處理各狀態點參數

經過直接蒸發冷卻段的空氣處理過程，新風的送風溫度進一步的降低，對處理室內的顯熱負荷有利，但新風增加的含濕量降低了新風的除濕能力。因此，為滿足房間全部濕負荷的要求，需加大房間的新風送入量；按公式（1）的濕量守恒原理，計算可得基準房間的新風量約為760m3/h，相當于房間的人均新風標準提升至50m3/P。考慮方案的可操作性，方案C的新風量取最小新風量的2倍，即人均新風標準按60m3/P，這樣可利用雙速風機實現新風空氣處理機組冬夏工況的切換。

增大新風量會增加額外的新風輸送能耗，但新風的顯熱處理能力會進一步增強，按下式（3）計算可得，本方案下基準房間的新風能夠承擔的房間顯熱負荷約為1.92kW。這樣，室內風機盤管所承擔的顯熱負荷得到一定程度的削減，按基準房間，室內風機盤管承擔的顯熱負荷約為7.9kW，選取經濟合理的冷水機組供回水溫度為13/18℃。

式中，2為新風承擔的室內顯熱負荷，kW；T為室內設計干球溫度，取25℃；T為新風送風溫度，取15.2℃。

6 各方案經濟性對比

對各比選方案A、B和C的進行綜合經濟性對比分析，確定其中較優方案。

6.1 主要設備配置及初投資估算

按照設計總負荷，對方案A、B和C，空調冷源的主要設備進行選型，并估算其設備初投資費用，結果如表6和表7所示。

表6 方案A&B空調冷源主要設備選型及初投資費用

表7 方案C空調冷源主要設備選型及初投資費用

6.2 運行費用估算

空調系統全年或季節能耗的計算，有度日法、當量滿負荷運行時間法、負荷頻率法等[12]，其中負荷頻率法簡稱BIN法，該方法計算不同負荷下的能耗，并根據負荷頻率數，累加可得全年或季節的總能耗。運用負荷頻率法估算各夏季空調方案的運行費用，結果如表8、表9和表10所示。

表8 方案A空調冷源運行費用

表9 方案B空調冷源運行費用

表10 方案C空調冷源運行費用

在方案C中加大新風量運行，新風進行間接蒸發冷卻+直接蒸發冷卻的空氣處理，新風能夠承擔的室內總顯熱負荷約為930kW，占室內總顯熱負荷的23%。保守認為：當室內顯熱負荷≤設計工況的23%時，僅開啟空調新風及其相關的間接蒸發冷水機組和直接蒸發冷卻段（不需開啟冷水機組）即可滿足負荷需求；當室內顯熱負荷>設計工況的23%時，需開啟相應冷水機組系統，承擔其余的室內顯熱負荷。

6.3 各方案經濟性對比

匯總各方案的經濟性計算結果如表11所示。

表11 各方案經濟性匯總結果

7 結論

綜合以上分析，可得結論如下：

（1）西寧地區的室外新風本身已具備了相當的除濕能力，按30m3/h·P的新風標準，室外新風可承擔室內的全部濕負荷，不需再考慮其它除濕手段；方案B采用溫濕度獨立控制的空調方案，由室外新風直接承擔房間的濕負荷，由風機盤管承擔房間全部的顯熱負荷；該方案較好的匹配了西寧地區的氣候特點，其夏季空調的運行費用較方案A節省約12%。

（2）方案C的空調方案進一步利用蒸發冷卻技術，由間接蒸發冷水機組+兩級蒸發冷卻空氣處理機組對空調新風進行處理，承擔房間全部的濕負荷和約20%的顯熱負荷，由風機盤管承擔其余的顯熱負荷；該方案在夏季相當的時間段內，不需要開啟電制冷冷水機組就可以滿足房間的制冷需求；方案C主要設備初投資較方案A和方案B節省約2%，夏季空調運行費用較方案A節省約25%，較方案B節省約13%。

（3）方案C同時還降低了冷水機組的容量，其用電功率需求最低，可間接降低變壓器容量，其綜合機電成本最優；此外，在方案C中，房間的新風量倍增，提高了室內的空氣品質和舒適度，對辦公檔次的提升也大有裨益；雖然增大空調新風量會對建筑核心筒的管井面積及避難層機房的面積產生一定影響，但本案均可處理解決，最終選用方案C作為其夏季空調方式。

（4）“風機盤管+新風”是辦公建筑中廣泛應用的末端空調形式，本文推薦的空調方案對于其它類似氣候地區具有一定的參考意義?？照{系統的設計需要密切結合當地的氣候環境特點，因地制宜“訂制”的空調系統往往能事半功倍，實現舒適性和經濟性的兼而有之。

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Application Analysis of Independent Temperature-humidity Control and Evaporative Cooling in an Office Building in Xining

Wu JIiachen

( LC-MEP Consultant, Shanghai, 200063 )

This article takes a high-rise office building in Xining as an object, the air conditioning terminal unit is FCU+PAU. Combining the characteristics of the local climate, the independent temperature & humidity control and evaporative cooling technology is applicated; Depending on the economic analysis, a better plan of air conditioning scheme is obtained. After comparison, the plan which uses the indirect + direct evaporative cooling treatment for fresh air increasing fresh air volume is a better plan. In the plan, the overall mechanical and electrical cost is the best, and the operating cost is about 25% less than the conventional plan. This research result can be used for reference by other buildings in the similar climate region.

office building; fan coil unit; fresh-air-dehumidification; independent temperature and humidity control; evaporative cooling; economic analysis

1671-6612（2021）03-412-07

TU831

A

武佳?。?987.10-），男，碩士，工程師，E-mail：pslwty@163.com

2021-01-14