制冷与低温技术模型（论文寒冷地区蒸发冷却与机械制冷联合供冷的工程应用）

制冷与低温技术模型（论文寒冷地区蒸发冷却与机械制冷联合供冷的工程应用）1 工程概况及空调系统设计近年来，工程师在建筑及暖通空调节能设计方面竭尽所能，却忽略了使用方的运行节能。利用“干空气能”的蒸发冷却空调系统具有能效高、运行费用低、节能环保等优势，但其又受室外气象条件的限制，同时与室内冷负荷有关。因此，蒸发冷却空调系统各运行时刻的供冷量是否满足相应时刻建筑冷负荷的需求，不可知。本文以寒冷地区喀什某医院综合楼为例，分析典型气象年室外气象参数对建筑冷负荷、系统供冷量的影响，深入研究蒸发冷却空调系统供需问题，提出适合的系统运行策略，计算运行调节前后空调系统耗电量及运行调节节能率。作者新疆建筑设计研究院有限公司 曾婷婷 王玉娇 王绍瑞0 引言

摘要

以寒冷地区某医院综合楼为例，通过分析蒸发冷却空调系统供冷量与建筑冷负荷之间的关系，提出了蒸发冷却与机械制冷联合供冷的双温冷水系统，以及系统运行策略。对比分析结果显示，空调系统优化运行后，可减少耗电量36.4%，运行节能潜力较大。

关键词

寒冷地区 建筑冷负荷 系统供冷量 蒸发冷却 机械制冷 联合供冷 双温冷水系统 运行策略

作者

新疆建筑设计研究院有限公司 曾婷婷 王玉娇 王绍瑞

0 引言

近年来，工程师在建筑及暖通空调节能设计方面竭尽所能，却忽略了使用方的运行节能。利用“干空气能”的蒸发冷却空调系统具有能效高、运行费用低、节能环保等优势，但其又受室外气象条件的限制，同时与室内冷负荷有关。因此，蒸发冷却空调系统各运行时刻的供冷量是否满足相应时刻建筑冷负荷的需求，不可知。本文以寒冷地区喀什某医院综合楼为例，分析典型气象年室外气象参数对建筑冷负荷、系统供冷量的影响，深入研究蒸发冷却空调系统供需问题，提出适合的系统运行策略，计算运行调节前后空调系统耗电量及运行调节节能率。

1 工程概况及空调系统设计

1.1 工程概况

寒冷地区喀什某医院儿科综合楼总建筑面积为11 151.57㎡，地上6层，地下1层，建筑高度为23.88 m。1层为急诊、门诊室，2层为各科门诊室，3～6层为病房、设备机房等。空调面积8 004.39 ㎡。该建筑为节能50%公共建筑。

1.2 空调设计计算参数

空调系统的室内外设计参数见表1、2。

1.3 夏季空调冷负荷计算及分析

1.3.1 设计冷负荷计算

笔者通过计算得到该建筑的夏季空调冷负荷（不含新风）、室内湿负荷及新风负荷，结果见表3。由于该建筑为医疗建筑，根据门诊室、急诊室、病房、办公室等功能房间的最小新风量设计新风系统，新风量按换气次数不小于2 h-1计算，该建筑所需最小新风量为116 000 m3/h。

1.3.2 供冷季室外气象条件对空调冷负荷的影响

利用DeST能耗模拟软件计算该建筑供冷季（6月15日至9月15日）空调逐时冷负荷，分析8月室外气象参数及空调逐时冷负荷可知，8月室外日最高温度基本出现在每日16:00—18:00，日最低温度出现在每日07:00—08:00，室外干球温度变化呈波浪状，而该建筑8月每日（24 h）的建筑冷负荷变化呈驼峰状，高峰负荷出现的时段为18:00—19:00，见图1。由此可知，夏季室外气象参数是影响建筑冷负荷的关键因素，但受建筑围护结构热惰性的影响，建筑高峰负荷出现时段比室外最高温度出现时段延迟了1～3 h， 且冷负荷衰减缓慢，23:00时最大冷负荷仍为260.76 kW。

图1 喀什8月工作日夏季冷负荷与室外气象参数关系

建筑冷负荷的影响因素包括室内、外计算参数，太阳辐射，人员，灯光、设备的使用情况等。通过分析该建筑供冷季冷负荷变化情况可知，由于午休时段的灯光、设备关闭，人员离开建筑，使得该建筑的冷负荷在14:00—15:00骤然降低（如图1所示），由此可见，对于人员密集、设备较多的医院类建筑，人员、灯光、设备得热量较大，对建筑冷负荷的影响较大，不容忽视。

2 蒸发冷却空调设计

2.1 间接蒸发冷水机组出水工况分析

间接蒸发冷水机组供水温度低于湿球温度，可达到室外湿球温度和露点温度平均值，很好地满足了干燥地区对空调冷源的需求。当高温机组出水温度tW≤20 ℃时，空调冷源才具有经济合理性。当高温机组出水温度为15 ℃左右的工况分布时数较多时，空调系统显热末端的经济性可较大改善。由此利用典型气象年数据可推算出喀什市采用间接蒸发冷水机组的出水温度tW（tW=（ts td）/2，其中ts为室外湿球温度，td为室外露点温度），并统计不同出水温度分布的时数，见表4。

由表4可知，寒冷地区喀什的间接蒸发冷水机组出水温度tW≤20 ℃的时数占总供冷时间的98.4%～98.9%，其中出水温度tW≤15℃的时数占总供冷时间的66.3%～67.1%，因此仅采用间接蒸发冷水机组供冷无法满足需求，须与机械制冷冷源联合使用。

2.2 冷源及冷水系统设计

按第2.1节分析进一步计算该项目设计工况、最佳运行工况及最不利工况下建筑冷负荷及系统供冷量。如表5所示，由于该建筑的冷负荷为476.5 kW，新风负荷为304.5 kW，计算最佳工况得到间接蒸发冷水机组的供冷量（含新风降温供冷量）为695.2kW，计算最不利工况得到需要机械制冷冷水机组供冷量为242.5 kW，故选用2台单台制冷量为350 kW的间接蒸发冷水机组（供/回水温度为18.5 ℃/23.5 ℃，冷水流量为60 t/h）和1台制冷量为268 kW的螺杆式冷水机组（机组供/回水温度为15 ℃/20 ℃，冷水流量为46 m3/h， 冷却水流量为54 m3/h）。

通过上述计算选型，假定该项目设计采用间接蒸发冷水机组（以下简称“高温冷源”）与螺杆式冷水机组（以下简称“低温冷源”）联合供冷的双温冷水系统，末端为蒸发冷却新风机组和辐射地板。由于间接蒸发冷水机组为开式系统，为防止腐蚀及含泥砂浊水进入地板辐射盘管，设置板式换热器，经换热器换热后冷水温度提高1.5 ℃，冷水系统流程如图2所示。

图2 双温冷水系统流程图

1．间接蒸发冷水机组；2．螺杆式冷水机组蒸发器；3．螺杆式冷水机组冷凝器；4．辐射地板；5．新风机组冷却盘管；6．冷水循环泵；7．一次冷水循环泵；8．二次冷水循环泵；9．换热器；F1～F3．转换阀门。

最不利工况下，高温冷源为蒸发冷却新风机组的间接蒸发冷却段（以下简称“间冷段”）提供20 ℃的冷水，经换热器对室外新风降温后将25 ℃的回水通入低温冷源，为机组冷凝器散热；低温冷源为地板辐射提供供/回水温度为15 ℃/20 ℃的冷水；经板式换热器换热后21.5 ℃/26.5 ℃的冷水为蒸发冷却新风机组间冷段供冷，如图2b所示。通过计算可知，在最不利工况下蒸发冷却新风机组供冷量为234 kW，地板辐射供冷量约为213.64 kW，总供冷量约为447.64 kW，仍不能满足建筑冷负荷要求。综上所述，在最不利工况下，即使采用双温冷水系统为末端供冷，由于末端供冷能力有限，供冷量仍不能满足设计冷负荷需求，因此需要增加其他末端（干式风机盘管）来补充供冷。

2.3 新风系统设计计算

最不利工况（含设计工况）时，低温冷源是否同时给地板辐射和蒸发冷却新风机组间冷段提供供/回水温度为15 ℃/20 ℃的冷水，需经分析计算确定。按最不利情况计算，根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第7.5.4条规定，当高温冷源的出水温度为20 ℃时，新风机组间冷段后出风温度为25 ℃，直接蒸发冷却段（以下简称“直冷段”）后出风温度为20 ℃，如图3所示；若按低温冷源提供出水温度为15 ℃的冷水计算，新风机组间冷段后出风温度为18.5 ℃，直冷段后出风温度为18 ℃;则低温冷源给新风机组提供的供冷量为253.8 kW，最终仅使送风温度降低了2 ℃，新风机组供给室内的冷量仅增加了78.1 kW。因此，该工程在最不利工况下，采用低温冷源给蒸发冷却新风机组提供供/回水温度为15 ℃/20 ℃的冷水，以降低送风温度，增加供冷量的方式，能效低、经济性差，不建议采用此方式。

图3 最不利工况时空气处理过程

注：W为室外状态点；N为室内状态点；D为经地板辐射处理后空气状态点；O为间冷段处理后空气状态点（tL=15℃）;L为新风机组送风状态点（tL=15 ℃）;O′为间冷段处理后空气状态点（tL′=20℃）;L′为新风机组送风状态点（tL′=20 ℃）。

综上所述，该项目根据系统所需新风量，设计选用2台单台风量30000 m3/h和2台单台风量28000 m3/h蒸发冷却新风机组。在最不利工况（含设计工况）下运行时，蒸发冷却新风机组由高温冷源提供供/回水温度为20 ℃/25 ℃的冷水供冷，显热末端（辐射地板、干式风机盘管）由低温冷源提供供/回水温度为15 ℃/20 ℃的冷水供冷。

3 蒸发冷却空调系统运行分析

蒸发冷却空调系统的供冷能力亦与室外气象参数密切相关，当室外温度较高时，建筑冷负荷较大，而此时蒸发冷却空调系统的供冷量却降低，因此，每日各时刻系统供冷量能否满足建筑冷负荷要求未知。笔者以上述工程为例，分析系统供需关系，确定蒸发冷却空调系统运行策略。

3.1 系统供需分析

利用DeST能耗模拟软件计算该建筑供冷季（6月15日至9月15日，共2 232 h）逐时建筑冷负荷，统计分析每日建筑逐时冷负荷，计算出各时刻集中出现概率在50%以上的冷负荷平均值。同时按照各时刻间接蒸发冷水机组出水温度，除出水温度低于15 ℃的小时数外，计算集中出现的冷水机组平均出水温度及室外平均干、湿球温度。根据上述计算结果及设计供回水温差5 ℃，估算出每日各时刻蒸发冷却空调系统的供冷量，结果如表6所示。由图4可知，该工程蒸发冷却空调系统每日各时刻供冷量与建筑冷负荷的变化趋势不同，且每日大部分时段蒸发冷却空调系统的供冷量可以满足建筑冷负荷需求，仅13:00、16:00—21:00时（图4红色区域）不能满足建筑冷负荷需求，需采用双温冷水系统联合供冷。

图4 喀什供冷季各时刻冷负荷与供冷量对比分析

3.2 系统运行策略

如图4所示，绿色阴影区域是蒸发冷却空调系统供冷量大于建筑冷负荷的区域，此时段可通过有效控制运行策略，降低空调系统能耗，且具有巨大的节能潜力。

蒸发冷却空调系统与其他空调系统不同，易受室外气象参数的影响。下面通过对喀什室外气象参数进行分析，以该工程蒸发冷却空调系统最佳工况下的送风状态点L（18.8 ℃，90%）和室内状态点N（26 ℃，60%）为基准，在焓湿图上划分了5个区域，再根据喀什典型气象年供冷季室外气象参数分析2 232 h的室外空气状态并将其标记在焓湿图上，如图5所示。分析喀什供冷季逐时室外气象参数可知：整个供冷季约有1 679 h的室外空气状态点位于Ⅰ、Ⅱ区，约占总供冷时长的75.2%；有405 h的室外空气状态点位于Ⅲ区，约占总供冷时长的18.2%；有148 h的室外空气状态点位于Ⅳ、Ⅴ区，仅占总供冷时长的6.6%。进一步统计分析可知，每日各时刻室外空气状态点处于Ⅰ、Ⅱ区的小时数占比在37%～91%之间，每日02:00—10:00的室外空气状态点处于Ⅰ、Ⅱ区的小时数占比在81%以上，19:00—22:00时的小时数占比在59%以下，如表7所示。

图5 喀什供冷季室外空气状态点分布

注：L点湿球温度为17.7 ℃。

结合以上计算的逐时冷负荷及处于Ⅰ、Ⅱ区室外气象参数的小时数比例，选用合适的运行模式，结果如表7所示。Ⅰ、Ⅱ区控制参数为室外空气含湿量dW≤送风状态点含湿量dL，tW≤18.8℃，ts≤17.7 ℃；Ⅲ区控制参数为dW≤dL，tW>18.8 ℃，ts>17.7℃；Ⅳ、Ⅴ区控制参数为dW>dL。00:00—10:00仅开启蒸发冷却新风机组通风或直冷段（模式①），直冷段的供冷量≥281 kW，满足建筑冷负荷要求；11:00—12:00、14:00—15:00 及22:00—23:00按最佳工况运行，开启蒸发冷却新风机组及地板辐射供冷（模式②），末端总供冷量在301～410 kW范围内，可满足建筑冷负荷要求；13:00、16:00—21:00按最不利工况运行，由间接蒸发冷水机组和螺杆式冷水机组联合的双温冷水系统（模式③）分别为蒸发冷却新风机组、地板辐射供冷，即可满足建筑冷负荷需求。

4 蒸发冷却空调系统的运行能耗分析

以往对空调系统能耗计算常采用温频法，根据室外气象参数计算得到供冷季空调系统的总能耗。此法忽略了其他因素对建筑冷负荷的影响，由图1可知，建筑冷负荷并非完全与室外气象参数的变化趋势一致，存在延时或其他情况，即室外日最高干球温度与日最大冷负荷出现在不同时刻，这种计算方法与实际运行情况存在很大差异，必然导致计算结果存在偏差。

根据喀什供冷季每日建筑逐时冷负荷与系统供冷量关系，确定每日各时段系统运行模式，计算得到该工程供冷季空调系统耗电量如表8、图6所示。该项目供冷季空调系统的总耗电量为120 978.0 kW·h， 系统供冷季单位面积耗电量为15.11 kW·h/（㎡·a）。此外，同时计算得到了未进行运行调节的空调系统总耗电量为164 999.7 kW·h， 系统供冷季单位面积耗电量为20.61 kW·h/（㎡·a）。

图6 空调系统2种运行策略

对比表8中的2种运行策略，若根据建筑冷负荷需求调节空调系统运行模式，空调系统可减少耗电量36.4%。按喀什商业平均电价0.415 7元/（kW·h）计算，每个供冷季该工程空调系统可节省运行费用约18 300元。

5 结语

寒冷地区受室外气象条件的限制，间接蒸发冷水机组供冷量不能满足建筑冷负荷需求，需要补充机械制冷冷源，机械制冷冷源应按最不利工况下扣除间接蒸发冷水机组供冷量后选择。

蒸发冷却空调系统供冷量受室外气象参数的影响，系统最大供冷量与建筑冷负荷峰值并非耦合出现，因此蒸发冷却空调系统需按建筑冷负荷需求设计系统运行策略。笔者以喀什某医院综合楼为例，计算经运行调节的空调系统可减少耗电量36.4%，运行调节节能潜力较大。

本文引用格式：曾婷婷，王玉娇，王绍瑞.寒冷地区蒸发冷却与机械制冷联合供冷的工程应用[J].暖通空调，2021，51（8）：30-35