蒸发冷却半集中式空调系统在西安某办公楼的应用

蒸发冷却半集中式空调系统在西安某办公楼的应用西安工程大学刘小文黄翔吴志湘摘要：以西安某公司的办公楼为实体，进行了蒸发冷却半集中式空调系统的设计。系统所采用的主要设备包括蒸发冷却新风机组，蒸发式冷水机组，风冷热泵，干工况风机盘管。并根据设计结果进行了能耗分析。结果表明，采用蒸发冷却半集中式系统较传统半集中式空调系统能够大大节约能耗，降低运行成本，减少机械制冷装机容量。同时这一工程应用实例为蒸发冷却半集中式系统在中湿度地区的应用奠定了基础。关键词：蒸发冷却半集中式系统；蒸发冷却新风机组；蒸发式冷水机组；干工况风机盘管THEAPPLICATIONOFSEMI-CENTRALEVAPORATIVECOOLINGAIRCONDITIONINGSYSTEMINANOFFICEBUIDINGOFXI’ANLiuXiaowen,HuangXiang,WuZhixiang(CollegeofEnvironment&ChemicalEngineering,Xi′anPolytechnicUniversity)Abstract:Designedasemi-centralevaporativecoolingairconditioningsystemforanofficebuildinginXi'an.Therearesomemainequipmentsinthesystem,suchasevaporativecoolingfreshairhandingunits,evaporativechiller,air-cooledheatpump,dryconditionfanoil.Andweconducttheenergyconsumptionanalysisaccordingtothedesigning.Formtheresult,wecandrawthatthesemi-centralevaporativecoolingairconditioningsystemcansaveenergygreatly,cutdowntherunningcostsandreducethecoolingcapacityofchillerssignificantlythanthetraditionalsemi-centralsystem.Meanwhiletheprojectexamplelaidthefoundationfortheapplicationofsemi-centralevaporativecoolingairconditioningsysteminmiddle-humidityareas.Keywords:semi-centralevaporativecoolingairconditioningsystem;evaporativecoolingfreshairhandingunits;evaporativechiller;dryconditionfanoil0前言目前，蒸发冷却虽然已经在新疆大范围应用，但是由于蒸发冷却的驱动势是室外空气的干球温度和露点温度之差，在中湿度地区这一推动力明显下降，因此很多人对蒸发冷却系统在西安的应用仍持怀疑态度。本文以西安某公司的办公楼为实体，进行了蒸发冷却半集中式空调系统的设计。这种半集中式蒸发冷却系统既克服了传统中央空调能耗居高不下的问题，又解决了蒸发冷却全空气系统风管尺寸大、布置困难的现象［1-3］。1建筑概况该建筑位于西安高新区某公司三层办公区，空调面积：580m2,建筑层高3.9m。室内设计参数根据国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》［4］（GB50019-2003）规定，取为：26℃，60%。西安地区夏季空调室外设计参数为：干球温度35.2℃，湿球温度26℃。工作日办公时间为：8：00—18：00。2蒸发冷却半集中式空调系统此建筑三层房间较多，面积较小，要求各房间互不干扰，可以独立的调节室温。因此设计时采用的是蒸发冷却半集中式系统，即蒸发冷却新风机组+干工况风机盘管系统。这种空调方式比蒸发冷却全空气系统节省空间，比带冷源的分散设置的空气调节器和变风量系统造价低。并可随时根据需要开、停机组，节省运行费用，满足用户的使用要求。该系统夏季空气处理过程如下：图1蒸发冷却新风机组+干工况风机盘管夏季运行模式夏季运行时，干工况风机盘管仅仅承担室内的显热负荷，而新风机组承担新风负荷及室内的全部潜热负荷和剩余部分的显热负荷。过渡季节运行模式：（a）直接蒸发冷却（b）间接+直接蒸发冷却图2过渡季节运行模式过渡季节运行时，根据室外空气的状况，可以分为两种运行模式。当室外空气的温度比较低时，可以直接采用一级蒸发冷却进行等焓加湿处理后直接送入室内。而当室外空气的温度相对比较高，一级蒸发冷却的温降有限难以满足室内温湿度要求时，则可以先采用间接蒸发等湿冷却，再开启直接蒸发冷却填料段进行加湿处理。由于一年中大部分时间处于过渡季节，因此过渡季的空调能耗所占的比例也相当大。在过渡季节采用蒸发冷却全新风的空调方式，既可以有效改善室内空气品质，又可以充分利用自然冷源实现“免费供冷”，与传统机械制冷系统相比节能80%左右［5］。3蒸发冷却半集中式系统平面图及机组功能段3.1半集中式蒸发冷却空调系统布置平面图图3蒸发冷却半集中式系统布置平面图3.2蒸发冷却新风机组此半集中式系统中，新风处理到低于室内空气的含湿量线，新风处理机组实现的是一个冷却除湿的过程。焓差大，水温要求5℃以下，需要特制的新风机组［6］。这种特制的新风机组需要的低温冷水来自于特制的低温冷水机组，成本和能耗都很高。针对这种情况，同时考虑到夏季降温除湿和过渡季节加湿的要求，此蒸发冷却新风机组各个功能段依次为：高温表冷器、低温表冷器、直接蒸发冷却器、送风机。其结构示意图如图4所示。夏季开启的功能段为：高温表冷+低温表冷+送风段。传统的新风机组，室外空气直接从W点被冷却到L点，焓差大。而蒸发冷却新风机组先用一级高温表冷器，将室外空气等湿降温到W1,再利用低温表冷器冷却去湿到L点。将大焓差LWh分两步来完成，先是1WWh，再是LWh1。这样在低温表冷段，需要处理的焓差大大减少，采用传统的7—12℃低温冷水完全可以满足需要。过渡季节运行时，蒸发冷却半集中式空调系统为全新风运行模式。3.3半集中式蒸发冷却系统冷源此半集中式蒸发冷却空调系统夏季运行时，其冷源是由蒸发式冷水机组和风冷热泵共同来提供的。蒸发式冷水机组和风冷热泵共同提供给干工况风机盘管高温冷水。而新风机组高温表冷器中的高温水是通过干工况风机盘管升温后的高温水。低温表冷器的水由风冷热泵来提供。最终回到蒸发式冷水机组中进行喷淋。经蒸发式冷水机组冷却降温后的水温介于湿球温度和露点温度之间，作为系统高温冷源。在水侧，由高低温冷水共同供给，这是一种机械制冷与蒸发冷却相结合的复合式空调系统。这种空调方式可以有效降低高品位能源的消耗，提高系统的能效比［7-9］。1—过滤段；2—高温表冷段；3—低温表冷段；4—直接蒸发冷却段；5—送风段图4蒸发冷却新风机组机构示意图4能耗分析选取此办公室中一个房间101为例，进行能耗分析。此房间维护结构冷负荷为5.17Kw,总的冷负荷为6.9Kw房间湿负荷为1.2kg/h，通过确定各个状态点在焓湿图上位置，得到了每个状态点的参数。4.1采用传统半集中式空调系统：湿式盘管+新风机组在此系统中，新风被处理到室内状态点的等焓线，其空气处理过程见图5。（1）根据设计条件，确定西安地区室外状态点W和室内状态点NW（℃2.35gT，℃26sT），N（℃26gT,60%）（2）确定机器露点L和考虑温升后的状态点KL（℃4.21gT,90%），K（℃9.22gT，℃6.20sT）（3）确定室内送风状态点O房间内热湿比值ε=Q/W=5.17/1.2/3600）=15510kJ/kg，过N点作ε线，与φ=90%的相对湿度线交于一点，即为室内送风状态点O（℃6.18gT,90%）（4）确定风机盘管处理后的状态点MM（℃18gT，℃17sT）图5传统半集中式系统（5）确定新风机组负担的冷量和盘管负担的冷量空调房间送风量：ONmhhQq=565.02.514.6017.5kg/s风机盘管风量：Fq=Wmqq=0.565-0.07=0.495kg/sFCU冷量MNFhhq=0.495×（60.4－49.7）=5.29kwAHU冷量LWWhhq=0.07×（83.6－60.4）=1.624kw4.2采用蒸发冷却半集中式空调系统：干工况风机盘管+蒸发冷却新风机组（1）依次确定各个状态点的参数如下：W（℃2.35gT，℃26sT），N（℃26gT,60%），O（℃6.18gT,90%）L（℃6.12gT，℃5.34h），K（℃1.14gT，℃2.12sT）M（℃2.19gT，℃1.18sT）（2）各部分承担的冷负荷FCU冷量：MNFhhq=0.495×（60.4-53.4）=3.465kwAHU冷量：wwQ=0.07×（83.6-74.9）=0.609kwLwQLWWhhq=0.07×（74.9-34.5）=2.828kw即新风机组承担的总的冷量为0.609+2.828=3.437kw4.3两种系统的对比在传统半集中式系统中，风机盘管和新风机组所需要的冷冻水均由机械制冷冷水机组提供。设定所需要的总的机械制冷冷量为100%，则湿工况风机盘管所需的机械制冷冷量为：%77%1009.629.5，而新风机组低温表冷器所需的机械制冷冷量为：23%。而采用蒸发冷却半集中式系统后，新风机组承担的冷负荷占总冷负荷的：%50%1009.6437.3，在这50%中，高温表冷器所承担的冷负荷为：%18%100437.3609.0，低温表冷器所需的机械制冷冷量为：82%；干工况风机盘管承担的冷负荷占总冷负荷的：%50%1009.6465.3,其中干工况风机盘管所需要的高温冷水是通过蒸发式冷水机组和风冷热泵共同提供的。在这50%的比例中，风冷热泵提供的机械制冷冷水占14%，而其余86%由蒸发式冷水机组提供的高温冷水来供给。即在蒸发冷却半集中式系统中，所需要的总的机械制冷冷量为：50%×82%+50%×14%=48%。其余52%的冷负荷由蒸发式冷水机组的高温冷源提供。与前者100%的机械制冷冷量相比，48%的机械制冷冷量大大减少了机械制冷冷水机组的装机容量，节约机械制冷冷量约50%左右。在中湿度地区采用蒸发冷却新风机组+干式（或干工况）风机盘管的方式，比湿式风机盘管+蒸发冷却新风机组的空调方式更为合理和节能［10］。由以上我们可以得出，在西安地区乃至中湿度地区干工况风机盘管+蒸发冷却新风机组的半集中式系统具有明显的节能意义和推广前景。5结论1）在蒸发冷却半集中式系统夏季运行时，冷源为蒸发式冷水机组和风冷热泵的结合，蒸发冷却新风机组的高温表冷和低温表冷串联。分别实现了蒸发冷却与机械制冷的结合,这种蒸发冷却与机械制冷相结合的复合式空调系统具有突出的节能潜力。2）在西安地区实际工程中采用蒸发冷却半集式系统即干工况风机盘管+蒸发冷却新风机组，与传统的湿式风机盘管+新风机组半集中式系统相比，能够大大节约能源，降低能耗，同时可以有效的减少机械制冷冷水机组装机冷量。3）这种空调方式的工程应用，为蒸发冷却半集中式系统在西安地区乃至中湿度地区的推广起到了很好的推动作用。6参考文献[1]黄翔.蒸发冷却空调技术发展动态[J].制冷，2009，28（1）：19-25[2]强天伟，黄翔，屈原.蒸发冷却空调应用中存在的问题及解决设想[J].制冷空调与电力机械，2007，28（4）：30-33[3]兰治科.蒸发冷却+干工况风机盘管半集中式空调系统的研究[D].西安工程大学，2007[4]《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003[S].北京：中国建筑工业出版社，2003[5]徐方成.蒸发冷却与机械制冷复合空调机组的研究[D].西安工程大