間接蒸發冷水機組系統方案比選探討

湯小丹

1.引言

隨著國家經濟持續發展，中西部地區建設飛速進行，這些區域有著特有的氣候及地理環境，其特點是地處干旱半干旱地區，室外空氣含濕量極低，常規空氣處理過程在這些地區不僅不適用，其中夏季除濕過程還會造成大量的能源浪費。蒸發式制冷技術非常適合當地氣候特征，被列入中西部部分地區的地標節能規范，是以可持續發展做為現代化建設戰略，經多年試運行，再研發后得出的利用可再生能源滿足建筑舒適性要求的空調系統。

蒸發式制冷系統是在干旱地區，利用干燥空氣的不飽和性，通過水的蒸發產生冷量作為冷源，并利用干燥新風直接排除室內濕負荷的空調系統。蒸發式空調系統在研發過程中歷經種種優化至今，發展出多種系統，目前，間接蒸發式冷水機組由于受建筑類型和空間條件制約少，與常規空調末端系統能夠較好的結合，是應用較為廣泛且成熟的冷源系統。

間接蒸發式冷水機組是以干燥的室外空氣蒸發帶走熱量作為獲取低溫的手段，制取空調冷水，由于干熱氣候區濕球溫度低，制取的冷水溫度較中濕度地區更低，間接蒸發后可接近于空氣露點溫度，直接供給空調水系統，但是水溫高于常規機械制冷7℃/12℃的空調供回水溫度，非常適合干熱氣候區不需要除濕，只需要降溫的空氣處理需求。

2.適用地區特殊性：

根據我國不同地區的室外氣象條件，按濕度劃分為多個區域，按照《蒸發式冷氣機》GB/T25860-2010中，將我國按照濕度劃分為多個區域，分為高濕度地區、中等濕度地區、干燥地區，濕球溫度小于23℃為干燥地區典型城市如：拉薩、西寧、烏魯木齊、昆明、蘭州、呼和浩特、銀川等，這個地區的主要特點是干濕球溫差大，露點溫度相對較低，空氣含濕量低。

在新疆公共建筑節能設計標準 XJJ034-2017中對空氣處理過程有所要求：新風處理過程：新風經等濕降溫處理，再經直接蒸發（沿等焓線絕熱加濕）至送風狀態點，新風承擔室內全部濕負荷，并承擔全部室內顯熱負荷。如果還有另一末端（如風機盤管）同時承擔室內顯熱負荷，室內回風也是等濕降溫處理，都是由高溫冷水系統實現這兩套過程，處理時不除濕，間接蒸發冷水機組出水溫度約為16℃，水溫高于室內露點溫度（在夏季室內設計溫度25℃，濕度50%時，室內露點溫度為14℃），整個空調系統無冷凝水系統。由于水溫不會造成結露現象，在此類地區，如果冬季采用地板輻射供暖時，夏季還可共享地板輻射聯合供冷，是較為舒適與節能的空調系統。

3.系統形式及特點

間接蒸發冷水機組作為冷源的空調系統在設計過程中，根據末端形式不同，水系統可設置為并聯式與串聯式，以下以末端為最常規的風盤+新風方式為例介紹兩種形式：

3.1并聯式：通常情況下，常規機械式冷水機組溫差為5℃，常規冷機作為冷源的空調系統均采用并聯式連接方式，在末端采用風機盤管加新風形式時，冷凍水從冷凍機組由水泵供給至分水器，分水器分出各區域供風機盤管支路和供新風機組支路，兩支路的供回水溫度相同，流量根據各區域各支路實際負荷確定，各末端支管再回至集水器，由集水器再回至冷水機組，各支路流量總和為冷凍水系統總流量。即風盤與新風兩系統分配各自所需的流量，流量不同，但是共享一套主管路溫差，供回水溫差見圖解。

如圖中所示：總冷凍水量G=G1+G2

供回水溫差?t=（G1x?t1+G2x?t2）/（G1+G2）

G1：新風機組支路冷凍水量

G2：風機盤管支路冷凍水量

3.2串聯式：冷凍水從冷凍機組由水泵分別先后供給至各用戶側，供風機盤管支路和供新風機組支路串聯，兩支路的冷凍水供回水流量相同，前后兩處末端所分配溫差不同，設計溫差根據實際各末端用戶側負荷確定，各末端溫差總和等于冷源側溫差總和。

如圖中所示：

總冷凍水量G無變化。

總供回水溫差?t=?t1+?t2

?t1：新風機組支路冷凍水量

?t2：風機盤管支路冷凍水量

3.3系統分析：上圖中可以看出，并聯式較適合小溫差大流量的運行方式，可由一組水泵完成整套水系統的運輸，適用于常規冷源和蒸發供水溫度較高的地區，這種地區干濕球溫差較小，中度干熱。

而對于串聯系統，各層末端逐級分配溫差，各級末端負擔的部分負荷采用相同流量，采用多組水泵共同完成，更適合大溫差小流量系統，間接蒸發冷水機組的供回水溫升幅度可以根據當地氣候條件確定，在極為干熱的地方干濕球溫度相差很大，供回水溫升可達到10℃甚至更高，由于這種先天氣候條件，可充分利用供回水溫差，采用多種不同的末端形式逐層分級分配溫差，每級末端都可分配得到3～6℃的溫差，當承擔室內負荷的末端種類越多時，單種類型末端承擔的負荷越少;同時，單級末端的溫差越大時，單級系統流量也越少，單級流量與總流量基本一致，則整個水系統的流量也可以相應減小，相應降低系統能耗。所以建議在建筑已經有冬季地板輻射的條件下，可以聯合地板輻射末端供冷，室內負荷由地板輻射和風盤聯合負擔，新風負荷由新風機組和風盤聯合負責，分級攤小單各末端所負責的負荷，相應減小系統水泵流量。由于新疆地區的干濕球溫差很大，新疆地區的地標節能設計規范也推廣新風、風盤、地暖三級末端聯合供冷的系統形式。不支持采用常規冷卻塔+常規低溫冷機的形式，由于濕度過低，冷卻塔的出水溫度可達到18度，按常規設計選配的冷水機組會給實際運行性能帶來較大偏差和過失。

4.應用于實際的工程設計：

4.1系統確定原則：

根據使用地點的室外溫濕度條件、建筑使用功能特點、建筑負荷特點選擇適合的系統形式。

室外溫濕度條件決定了蒸發系統的出水溫度及供回水最大溫差，由此可以確定是否有條件采用大溫差小流量的串聯式系統。建筑的具體功能和負荷特點也確定了末端是否有條件采用多末端聯合供冷的方式，如果是人員密集的高大空間如體育場館等可直接采用蒸發式全空氣系統;建筑內多為小開間的辦公類建筑等一般可采用風盤+新風系統，醫院病房樓或旅館類建筑，冬季根據舒適度要求還可增設地板輻射系統共享給夏季使用。

4.2以具體實例按步驟進行設計：

（1）根據建筑所在地區，確定夏季空調室內、外設計參數、分析建筑的使用功能及適用的末端系統。

項目概況：新疆某醫院，地理位置靠近烏魯木齊市，項目總建筑面積為73857.57㎡，共分為四棟單體建筑，其中1#病房樓建筑面積18618㎡，地上十層，地下一層，建筑高度46.25m，地下功能為丙二類庫房及職工更衣室等，首層為入院大廳及理療等用房，二層三層為科室護理單元，四層至七層為病房區，八至十層為相關科室辦公及財務審計等辦公用房。

室外計算參數采用烏魯木齊市，屬于嚴寒C區，夏季室外相對濕度為34%，夏季室外空調計算干球溫度為33.5，夏季室外空調計算濕球溫度為18.2℃。夏季室內病房設計干球溫度為26℃，相對濕度40%，新風量為50m3/h.p。末端形式為：除潔凈空調系統以外的病房、候診、診室、理療、休息、辦公等房間均采用風機盤管加新風系統，氣流組織形式為上送上回。按建筑房火分區或建筑功能劃分空調新風系統，新風經過初、中效過濾、夏季等含濕量降溫至間接送風點后經高壓微霧絕熱加濕至熱濕比線后沿熱濕比線送至室內，冬季采用地板輻射采暖方式為房間供暖。烏魯木齊地區的蒸發式冷水機組的出水溫度可達到16℃，適宜采用串聯式系統。

（2）確定建筑內的負荷，計算熱濕比，按步驟選配系統及設備。

經負荷計算和新風量確定，按風量選擇新風機組、計算新風所能承擔的室內顯熱冷負荷，經計算確定風盤所需承擔的室內顯熱冷負荷，地板輻射系統按照冬季熱負荷需求設置，根據其排布管間距及敷設方式及地面結構形式等根據2～3℃溫升計算出夏季供冷能力，再計算出地面輻射系統可分攤的負荷后修正新風及風盤系統各自負擔的冷負荷。

最終本項目的空調冷源及水系統設計方案的確定：

本項目冷源為間接蒸發冷水機組加機械制冷系統，冷水機房設在病房樓地下一層。屋面設總制冷量1208kW的間接蒸發冷水機組。地下機房設置1臺制冷量為604 kW的高溫螺桿式冷水機組，COP值為5.44。間接蒸發式冷水機組出來經第一級交換后供18./21.℃水溫供地板輻射供冷，經二級交換后供22/29℃水溫供空調新風機組，第三級進高溫冷源，出12/17℃水溫供風機盤管系統。第一、第二級各設一套板換及兩臺水泵，水泵為一用一備，第三級設兩臺水泵，水泵為一用一備，輔機配置全自動多項全程水處理器、真空脫氣機、定壓膨脹補水機組。病房樓風機盤管系統冷凍水供/回水溫度為12/17℃;一次側冷卻水供/回水溫度為17/32℃，一次側總溫差達到15℃。熱源由設在地下一層的熱交換站內板式換熱機組提供。空調機組、新風機組、風機盤管等空調熱水熱媒為供/回水溫度65/50℃熱水。部分設備用房及衛生間采用的散熱器采暖系統熱水熱媒為供/回水溫度75/50℃熱水，此組熱水兼供空調機組、新風機組等冬季預熱。病房采用的地暖系統熱水熱媒為供/回水溫度45/35℃熱水。空調水系統的補水定壓在各病房樓地下設置，空調水系統分為空調箱、風機盤管2個環路。

5.結語

本文對間接蒸發冷水機組的串聯、并聯系統進行分析探討，以實際工程設計為例，給出不同地區及不同建筑類型適宜的系統形式，簡單按設計流程舉例了系統選擇方案過程，供設計人員參考。