新疆某電廠辦公樓蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)測試分析及校核性設(shè)計

李依軒，黃 翔，鞠昊宏，董 愷

(西安工程大學(xué),陜西西安 710048)

新疆某電廠辦公樓蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)測試分析及校核性設(shè)計

李依軒，黃 翔，鞠昊宏，董 愷

(西安工程大學(xué),陜西西安 710048)

對新疆某電廠辦公樓空氣—水蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)設(shè)備運行效果和室內(nèi)溫降效果未達(dá)到預(yù)期效果，本文對其原因進(jìn)行了分析。采用設(shè)計—校核的思路，分別從設(shè)計參數(shù)選擇、相關(guān)計算及設(shè)計流程幾方面入手，提出一種空氣—水蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)校核性設(shè)計方法，從空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計角度出發(fā)闡述了解決問題的辦法，以及提高蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)效率，減少能源消耗的辦法。

空氣-水蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng);運行效果;測試分析;校核性設(shè)計;設(shè)計流程

1 前言

本工程建設(shè)地點位于新疆自治區(qū)烏魯木齊市米東區(qū),建筑面積5300m2，層高15.4m，1-2層為活動、培訓(xùn)室，3-4層為標(biāo)準(zhǔn)間、辦公室。

空氣-水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)負(fù)責(zé)夏季(6月1日—9月30日)供冷，冬季(11月15日—次年3月15日)采用散熱器采暖的形式。

2 系統(tǒng)使用情況

2.1 基本概況

空氣-水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備包括蒸發(fā)冷卻冷水機組和蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組，蒸發(fā)冷卻冷水機組布置于屋頂，每層單獨留有空調(diào)機房布置蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組，末端采用干式風(fēng)機盤管。整個空調(diào)系統(tǒng)為小溫差大流量式，蒸發(fā)冷卻冷水機組制備的高溫冷水直接通往各房間的干式風(fēng)機盤管，然后回到冷水機組循環(huán)。每層房間單獨設(shè)置新風(fēng)機組。

本工程空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置有2臺蒸發(fā)冷卻冷水機組，單臺制冷量290 kW，流量25 m3/h，單臺機組功率15 kW。1層的新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計為風(fēng)量4000 m3/h的兩級蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組，實際采用12000 m3/h風(fēng)量機組，2～4層設(shè)計為3000 m3/h的兩級蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組，實際采用8000 m3/h風(fēng)量，制冷量90.9 kW，功率5.29 kW，機外余壓400 Pa。兩級蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組為管式間接-直接組成。

2.2 系統(tǒng)運行效果測試及分析

2015年8月7～8日對辦公樓空氣-水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行測試，分析空調(diào)系統(tǒng)運行效果。測試內(nèi)容主要包括三部分：(1)蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組測試:在有檢修門的功能段前后各布置測點，如圖1，自左向右分別是室外進(jìn)風(fēng)空氣參數(shù)、表冷后空氣參數(shù)、間接段水溫、間接后空氣參數(shù)、直接段水溫；(2)蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組測試，測點布置如圖2，從左至右依次為室外進(jìn)風(fēng)空氣參數(shù)、間接段后空氣參數(shù)、直接段后空氣參數(shù)、二次排風(fēng)空氣參數(shù)；(3)室內(nèi)測試包括室內(nèi)空氣參數(shù)、新風(fēng)送風(fēng)口參數(shù)以及室內(nèi)干式風(fēng)機盤管出風(fēng)參數(shù)。

圖1 蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組測點布置示意

圖2 蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組測點布置示意

2.2.1 蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組運行效果

從圖3可以看出，6個時刻點的數(shù)據(jù)是運行工況穩(wěn)定時相同時間間隔下的平均測試數(shù)據(jù)，是有效數(shù)據(jù)。對于烏魯木齊米東區(qū)域8月份大部分時間濕球溫度偏低，從圖中可以得知蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組出水溫度在烏魯木齊米東區(qū)域比室外濕球溫度低1～2 ℃，出水溫度平均在17.4 ℃，完全符合高溫冷水的溫度要求。

圖3 不同時刻點蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組進(jìn)風(fēng)參數(shù)及出水溫度

從表1可知，進(jìn)風(fēng)干球溫度變化范圍為39.4～39.7 ℃，表冷后空氣溫度變化范圍為35.5～36.0 ℃，一級平均溫降3.8 ℃，間接段后空氣溫度變化范圍28.1～28.8 ℃，二級平均溫降7.2 ℃。但是間接段蒸發(fā)冷卻效率較低，平均在50%。本工程蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組是由蒸發(fā)冷卻和機械制冷復(fù)合而成，蒸發(fā)冷卻部分由直接和間接組成，其中間接蒸發(fā)冷卻部分包含表冷器(低溫冷水)和間接蒸發(fā)冷卻器(高溫冷水)，主要目的在于預(yù)冷室外空氣，當(dāng)室外濕球溫度較低，只開啟蒸發(fā)冷卻段就可以制取高溫冷水。測試期間室外平均濕球溫度18.7 ℃，僅開啟蒸發(fā)冷卻段即可，但實際表冷段也是開啟狀態(tài)，這是造成能量浪費和效率偏低的直接原因。

表1 不同時刻點蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組進(jìn)風(fēng)參數(shù)處理原溫度及出水溫度

間接段水溫平均在19.5 ℃，直接段水溫平均在17.4 ℃。實際機組供水是由這兩段的水箱混合供給的，實際出水水溫較高。

2.2.2 蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組運行效果

一層蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組測試結(jié)果見表2，室外空氣干球溫度平均為33.85 ℃，濕球溫度平均為20.3 ℃。經(jīng)間接蒸發(fā)冷卻處理后平均達(dá)到27.2 ℃，平均溫降6.65 ℃，直接蒸發(fā)冷卻處理后平均達(dá)到20.43 ℃，平均溫降13.42 ℃，溫降效果理想。進(jìn)風(fēng)含濕量平均值為10.7 g/kg，送風(fēng)含濕量的平均值為16.1 g/kg，機組理論上可進(jìn)行加濕的含濕量為5.4 g/kg，但經(jīng)過風(fēng)管送到室內(nèi)后，其實際所能加濕的能力有所下降，經(jīng)測試送風(fēng)溫度約為27.6 ℃，送風(fēng)含濕量約為11 g/kg，因此加濕不滿足設(shè)計要求。

表2 測試時刻點空氣溫濕度變化

間接段效率平均為50%，直接段效率平均為74%，如圖4所示，間接段和直接段效率偏低，初步分析造成這種現(xiàn)象的原因：(1)管式間接段設(shè)計選型時選擇帶螺旋線立管換熱器，但本工程機組管式間接段的布水通過立管內(nèi)部，被降溫的空氣(一次空氣)在立管外，所以螺旋線不但不會增加流體流速，反而會影響布水均勻性，降低立管效率；(2)直接段模塊沒有被完全潤濕，或者由于使用時間較長造成堵塞，從而影響直接段的效率。

圖4 不同時刻點蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組的效率變化

2.2.3 室內(nèi)環(huán)境運行效果

本次測試的對象是辦公樓1層西南角某一房間。房間面積為60.75m2，新風(fēng)口尺寸為100mm×230mm，風(fēng)速為1.2m/s，新風(fēng)量為99.36m3/h，送風(fēng)口的送風(fēng)溫度約為27.6℃，送風(fēng)含濕量約為11g/kg。根據(jù)辦公室內(nèi)工作人員的反映，除了在夏季最熱的那幾天比較悶熱以外，其他時間都是很舒適的，并無普通室內(nèi)柜機的冷風(fēng)感和室內(nèi)溫度過低的問題，但是在辦公室人數(shù)較多的時候，就必須開門開窗。

由于新風(fēng)量的實測值較設(shè)計值明顯偏小，才會出現(xiàn)悶熱和必須開門開窗的現(xiàn)象，蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組風(fēng)量設(shè)備型號增大后，室內(nèi)風(fēng)量并沒有實質(zhì)性的增加，初步分析是進(jìn)風(fēng)口布置設(shè)計不合理，產(chǎn)生了較大的阻力。

3 系統(tǒng)校核性計算

作者對之前實際應(yīng)用工程進(jìn)行測試分析，發(fā)現(xiàn)了設(shè)計中存在的問題，并采用設(shè)計—校核的思路，彌補傳統(tǒng)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中的不足，同時也是對新設(shè)計方法的驗證。

在實際工程空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計過程中常常遇到如下問題：(1)在進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，要求的空氣終參數(shù)，蒸發(fā)冷卻設(shè)備無法滿足；(2)要求的蒸發(fā)冷卻設(shè)備終狀態(tài)，與實際達(dá)到的終狀態(tài)不符；(3)在設(shè)計過程中，蒸發(fā)冷卻設(shè)備型號是預(yù)先確定的，但僅限于確定規(guī)格、尺寸等。為了避免以上問題，讓空調(diào)系統(tǒng)的理論設(shè)計計算狀態(tài)轉(zhuǎn)變到與建筑物本身相融合、適應(yīng)多種變化因素的狀態(tài)，就需要采用更加細(xì)化的設(shè)計方法進(jìn)行校核性設(shè)計。

3.1 夏季空氣調(diào)節(jié)室外設(shè)計參數(shù)

本工程設(shè)計時采用的是《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50019-2003)中的夏季空調(diào)室外計算干球溫度33.4 ℃，室外計算濕球溫度18.3 ℃，與最新的《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50736-2012)中的夏季空調(diào)室外計算干球溫度33.5 ℃，室外計算濕球溫度18.2 ℃不相符，在校核性設(shè)計中應(yīng)采用最新的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1]。同時通過文獻(xiàn)[2～4]可知，設(shè)計規(guī)范中的夏季室外計算參數(shù)并不是十分適用于蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，由圖5可以看出，規(guī)范中濕球溫度的統(tǒng)計值明顯偏高，這與其統(tǒng)計方法和干濕球溫度時刻不對應(yīng)有關(guān)。根據(jù)與水接觸的空氣越干燥，蒸發(fā)就越容易進(jìn)行，水溫就越容易降低的原理，越干燥代表室外濕球溫度越低，即在同樣的干球溫度下，濕球溫度越低蒸發(fā)冷卻越適用，濕球溫度和干濕球溫差與蒸發(fā)冷卻的關(guān)聯(lián)程度更高，所以采用典型氣象年的逐時氣象參數(shù)(如圖5所示8760個氣象參數(shù))統(tǒng)計全年不保證50 h的干球溫度與所對應(yīng)的平均濕球溫度的方法確定了更適用于蒸發(fā)冷卻的夏季室外計算參數(shù)，但是在實際工程設(shè)計中還是應(yīng)按照設(shè)計規(guī)范中的參數(shù)設(shè)計，統(tǒng)計出的夏季室外計算參數(shù)可以供設(shè)計人員判斷蒸發(fā)冷卻技術(shù)的適用性等[5～9]。

圖5 不同時刻點蒸發(fā)冷卻高溫冷水機組室外溫度

3.2 負(fù)荷計算

與機械制冷負(fù)荷計算不同，蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，因室內(nèi)顯熱負(fù)荷與潛熱負(fù)荷由不同的設(shè)備負(fù)擔(dān)(表3)。所以在負(fù)荷計算上需分別計算，結(jié)果見表4。

表3 顯熱負(fù)荷與潛熱負(fù)荷組成部分

表4 空氣-水蒸發(fā)冷卻空調(diào)負(fù)荷計算結(jié)果

3.3 設(shè)計流程

3.3.1 干式風(fēng)機盤管承擔(dān)負(fù)荷與選型

空氣-水蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的實際空氣處理過程如圖6所示。在系統(tǒng)設(shè)計時，先按照滿足衛(wèi)生和消除室內(nèi)濕負(fù)荷計算室內(nèi)新風(fēng)量，再計算出這些新風(fēng)所能承擔(dān)的室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷，并控制新風(fēng)承擔(dān)的室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷不大于室內(nèi)總顯熱冷負(fù)荷，則剩余的室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷由室內(nèi)末端(干式風(fēng)機盤管)承擔(dān)。但這種方法會使室內(nèi)末端承擔(dān)的負(fù)荷過大，以至于室內(nèi)風(fēng)機盤管型號選擇過大，噪聲過大。根據(jù)經(jīng)驗，若采用小溫差型冷水機組空氣-水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，新風(fēng)機組采用間接-直接蒸發(fā)冷卻機組時，承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷比例建議值為50%[2]。

圖6 夏季空氣過程

由負(fù)荷計算結(jié)果表5得知一層活動室a冷負(fù)荷Q=4.8 kW；顯熱冷負(fù)荷Qx=3.82 kW；總濕負(fù)荷W=2.35 kg/h。首先計算熱濕比，熱濕比ε=Q/W=7353 kJ/kg。室內(nèi)干式風(fēng)機盤管承擔(dān)的顯熱負(fù)荷Qx1=1910 W，根據(jù)干式風(fēng)機盤管型號規(guī)格及性能表6，選擇2臺型號為FPG-85的風(fēng)機盤管。初設(shè)計時選用的是2臺FPG-102的風(fēng)機盤管，很明顯風(fēng)機盤管的型號選擇過大，這也是室內(nèi)測試噪聲過大的原因。

表5 一層空調(diào)負(fù)荷計算結(jié)果

表6 高靜壓臥式暗裝干式風(fēng)機盤管型號性能表

3.3.2 蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組承擔(dān)負(fù)荷與選型

(1)蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組承擔(dān)的顯熱負(fù)荷Qx1=2400 W。

(2)根據(jù)廠家樣本提供的間接蒸發(fā)冷卻段效率85%，計算新風(fēng)機組間接段出風(fēng)狀態(tài)點W1，進(jìn)而確定新風(fēng)機組的出風(fēng)狀態(tài)點L，具體步驟：

ηIEC=(tWg-tW1g)/(tWg-tWs)=0.85

式中tWg——間接段進(jìn)風(fēng)干球溫度，℃tW1g——間接段出風(fēng)干球溫度，℃tWs——間接段進(jìn)風(fēng)濕球溫度，℃

得tW1g=20.5 ℃，之后可在焓濕圖上確定出W1和L狀態(tài)點，見圖6。

(3)計算新風(fēng)量，以帶走室內(nèi)所有產(chǎn)濕為原則，所以活動室a新風(fēng)量Gx1=W/(dN-dL)=2350/(14.1-10.5)×1.2=544 m3/h，與滿足房間最小新風(fēng)量相比取較大值確定為活動室a的新風(fēng)量，Gx1=544 m3/h>最小新風(fēng)量180 m3/h，即新風(fēng)量為544 m3/h。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于室內(nèi)測試新風(fēng)量99.36 m3/h。其余房間所需新風(fēng)結(jié)果如表7，由此可以看出實際選用新風(fēng)機組風(fēng)量12000 m3/h符合所需新風(fēng)量。由于新風(fēng)機組風(fēng)量設(shè)備型號與最初選用有所增大，但進(jìn)風(fēng)口的布置并未隨之改變，引起了較大的阻力，從而導(dǎo)致房間內(nèi)實際新風(fēng)量并沒有實質(zhì)性的增加。

表7 各個房間所需新風(fēng)量結(jié)果匯總

3.3.3 蒸發(fā)冷卻冷水機組運行方案

首先對米東地區(qū)非供暖季(3月16日—11月14日)每天8:00～18:00共計3171 h進(jìn)行統(tǒng)計。發(fā)現(xiàn)含濕量≥14.0 g/kg時間段僅為3 h，即在非供暖季的時間里，僅有3 h需要除濕；同樣的，濕球溫度≥20.0 ℃的時間為5 h，在3171 h里僅有5 h單獨使用蒸發(fā)冷卻制取高溫冷水不能滿足要求，需要機械制冷加以輔助。經(jīng)校核計算蒸發(fā)冷卻冷水機組間接蒸發(fā)冷卻段要求效率ηIEC=(33.5-24.2)/(33.5-18.2)=61%，一般情況下可以保持該效率運行。所以在供冷季，蒸發(fā)冷卻冷水機組只需開啟蒸發(fā)冷卻段即可滿足要求，無需開啟機械制冷，否則不但降低了蒸發(fā)冷卻段的使用效率還增加了機組能耗。

根據(jù)理論計算，蒸發(fā)冷卻段的開啟時間是100%，出水溫度是14.5 ℃，但實測平均出水溫度為17.4 ℃，可以看出實際水溫有一定溫升，但其高溫冷水的溫度剛好符合要求。而實際機組供水是由直接段和間接段的水箱混合供給，造成最終出水水溫較高，經(jīng)校核，只需采用設(shè)計時的直接段水箱中的出水作為供給末端的高溫冷水。

4 結(jié)論

(1)對實際應(yīng)用的蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行測試，并分析測試結(jié)果，其中包含所使用的蒸發(fā)冷卻設(shè)備運行效果和室內(nèi)溫降效果，發(fā)現(xiàn)未能達(dá)到預(yù)期效果的原因是由于最初設(shè)計有誤。

(2)從實際測試結(jié)果分析中不難發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)冷卻段單獨運行不能滿足要求、從室內(nèi)濕度過大、新風(fēng)量過大等問題在實際都不曾出現(xiàn)，反而若設(shè)計不當(dāng)，會產(chǎn)生要求的空氣終參數(shù)，蒸發(fā)冷卻設(shè)備無法滿足；要求的蒸發(fā)冷卻設(shè)備終狀態(tài)，與實際達(dá)到的終狀態(tài)不符等問題。因此空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮與建筑物本身相融合、適應(yīng)多種變化因素，需要采用更加細(xì)化的設(shè)計方法進(jìn)行校核性設(shè)計。

(3)設(shè)計參數(shù)選擇和相關(guān)負(fù)荷計算是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，采用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)校核其正確性是之后方案設(shè)計和設(shè)備選擇的前提。

(4)本工程所采用的空氣—水蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的干式風(fēng)機盤管、蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組和蒸發(fā)冷卻冷水機組的選型設(shè)計是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的核心，而設(shè)計流程的不同對其結(jié)果也有一定影響。例如干式風(fēng)機盤管應(yīng)按所承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷直接選型，再計算新風(fēng)量，也可以先算新風(fēng)量，再計算新風(fēng)所能承擔(dān)的室內(nèi)顯熱負(fù)荷，根據(jù)剩下的顯熱負(fù)荷選末端，后者會使室內(nèi)末端承擔(dān)的負(fù)荷過大，以至于室內(nèi)干式風(fēng)機盤管型號選擇過大，噪聲過大；還有蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機組可以根據(jù)廠家提供的效率確定送風(fēng)狀態(tài)點，也可根據(jù)承擔(dān)符合比例圖解法求狀態(tài)點，而前者用于設(shè)計使用后校核，后者用于初步設(shè)計，由于不能確保蒸發(fā)冷卻設(shè)備一直在高效率下運行，仍需進(jìn)行校核來確定蒸發(fā)冷卻及機械制冷的開啟時間。

(5)本文根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)運行效果分析，提出一種空氣—水蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)校核性設(shè)計方法，從空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計角度來闡述如何在蒸發(fā)冷卻技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率，減少能源消耗。

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Test Analysis and Checking Design of Evaporative Cooling Ventilation Air Conditioning System in Power Plant Office Building in Midong

LI Yi-xuan,HUANG Xiang,JU Hao-hong,DONG Kai

(Xi′an Polytechnic University,Xi′an 710048,China)

The test results of the air-water evaporative cooling ventilation air conditioning system of a power plant office building was analyzed,including the use of equipment operating results and indoor temperature drop effect,found that did not achieve the desired results, and the reasons was analyzed.Using the design - check the idea,from the design parameter selection, the correlation computation and the design smooth several aspects to start,a set of calibration design method of air - water evaporative cooling ventilation and air conditioning system is proposed,from the air conditioning system design point of view to explain how to solve the above problems,And how to improve the efficiency of evaporative cooling ventilation and air conditioning systems to further reduce energy consumption.

air-water evaporative cooling ventilation air conditioning system;running effect;test analysis;checking design;design flow

1005-0329(2017)03-0069-06

2016-11-18

2016-12-21

西安工程大學(xué)創(chuàng)新基金資助項目(CX201615)

TH12

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.015

李依軒(1992-)，女,在讀碩士研究生，通訊地址：710048 陜西西安市金花南路19號西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,E-mail:minilyx0204@163.com。