寒冷地區(qū)蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷聯(lián)合供冷的工程應(yīng)用*

0 引言

近年來(lái)，工程師在建筑及暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)方面竭盡所能，卻忽略了使用方的運(yùn)行節(jié)能。利用“干空氣能”的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)具有能效高、運(yùn)行費(fèi)用低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，但其又受室外氣象條件的限制，同時(shí)與室內(nèi)冷負(fù)荷有關(guān)。因此，蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)各運(yùn)行時(shí)刻的供冷量是否滿(mǎn)足相應(yīng)時(shí)刻建筑冷負(fù)荷的需求，不可知。本文以寒冷地區(qū)喀什某醫(yī)院綜合樓為例，分析典型氣象年室外氣象參數(shù)[1]對(duì)建筑冷負(fù)荷、系統(tǒng)供冷量的影響，深入研究蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)供需問(wèn)題，提出適合的系統(tǒng)運(yùn)行策略，計(jì)算運(yùn)行調(diào)節(jié)前后空調(diào)系統(tǒng)耗電量及運(yùn)行調(diào)節(jié)節(jié)能率。

1 工程概況及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

寒冷地區(qū)喀什某醫(yī)院兒科綜合樓總建筑面積為11 151.57 m2，地上6層，地下1層，建筑高度為23.88 m。1層為急診、門(mén)診室，2層為各科門(mén)診室，3～6層為病房、設(shè)備機(jī)房等?？照{(diào)面積8 004.39 m2。該建筑為節(jié)能50%公共建筑。

1.2 空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1、2。

1.3 夏季空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算及分析

1.3.1設(shè)計(jì)冷負(fù)荷計(jì)算

筆者通過(guò)計(jì)算得到該建筑的夏季空調(diào)冷負(fù)荷(不含新風(fēng))、室內(nèi)濕負(fù)荷及新風(fēng)負(fù)荷，結(jié)果見(jiàn)表3。由于該建筑為醫(yī)療建筑，根據(jù)門(mén)診室、急診室、病房、辦公室等功能房間的最小新風(fēng)量設(shè)計(jì)新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)量按換氣次數(shù)不小于2 h-1計(jì)算，該建筑所需最小新風(fēng)量為116 000 m3/h。

表1 夏季空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)

表2 夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 建筑冷負(fù)荷、濕負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

1.3.2供冷季室外氣象條件對(duì)空調(diào)冷負(fù)荷的影響

利用DeST能耗模擬軟件計(jì)算該建筑供冷季(6月15日至9月15日)空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷，分析8月室外氣象參數(shù)及空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷可知，8月室外日最高溫度基本出現(xiàn)在每日16:00—18:00，日最低溫度出現(xiàn)在每日07:00—08:00，室外干球溫度變化呈波浪狀，而該建筑8月每日(24 h)的建筑冷負(fù)荷變化呈駝峰狀，高峰負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)段為18:00—19:00，見(jiàn)圖1。由此可知，夏季室外氣象參數(shù)是影響建筑冷負(fù)荷的關(guān)鍵因素，但受建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性的影響，建筑高峰負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)段比室外最高溫度出現(xiàn)時(shí)段延遲了1～3 h，且冷負(fù)荷衰減緩慢，23:00時(shí)最大冷負(fù)荷仍為260.76 kW。

建筑冷負(fù)荷的影響因素包括室內(nèi)、外計(jì)算參數(shù)，太陽(yáng)輻射，人員，燈光、設(shè)備的使用情況等。通過(guò)分析該建筑供冷季冷負(fù)荷變化情況可知，由于午休時(shí)段的燈光、設(shè)備關(guān)閉，人員離開(kāi)建筑，使得該建筑的冷負(fù)荷在14:00—15:00驟然降低(如圖1所示)，由此可見(jiàn)，對(duì)于人員密集、設(shè)備較多的醫(yī)院類(lèi)建筑，人員、燈光、設(shè)備得熱量較大，對(duì)建筑冷負(fù)荷的影響較大，不容忽視。

圖1 喀什8月工作日夏季冷負(fù)荷與室外氣象參數(shù)關(guān)系

2 蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)計(jì)

2.1 間接蒸發(fā)冷水機(jī)組出水工況分析

間接蒸發(fā)冷水機(jī)組供水溫度低于濕球溫度，可達(dá)到室外濕球溫度和露點(diǎn)溫度平均值，很好地滿(mǎn)足了干燥地區(qū)對(duì)空調(diào)冷源的需求[2]。當(dāng)高溫機(jī)組出水溫度tW≤20 ℃時(shí)，空調(diào)冷源才具有經(jīng)濟(jì)合理性[2]。當(dāng)高溫機(jī)組出水溫度為15 ℃左右的工況分布時(shí)數(shù)較多時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)顯熱末端的經(jīng)濟(jì)性可較大改善[3-4]。由此利用典型氣象年數(shù)據(jù)[1]可推算出喀什市采用間接蒸發(fā)冷水機(jī)組的出水溫度tW(tW=(ts+td)/2，其中ts為室外濕球溫度，td為室外露點(diǎn)溫度)，并統(tǒng)計(jì)不同出水溫度分布的時(shí)數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 喀什間接蒸發(fā)冷水機(jī)組出水溫度分布時(shí)數(shù)

由表4可知，寒冷地區(qū)喀什的間接蒸發(fā)冷水機(jī)組出水溫度tW≤20 ℃的時(shí)數(shù)占總供冷時(shí)間的98.4%～98.9%，其中出水溫度tW≤15 ℃的時(shí)數(shù)占總供冷時(shí)間的66.3%～67.1%，因此僅采用間接蒸發(fā)冷水機(jī)組供冷無(wú)法滿(mǎn)足需求，須與機(jī)械制冷冷源聯(lián)合使用。

2.2 冷源及冷水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按第2.1節(jié)分析進(jìn)一步計(jì)算該項(xiàng)目設(shè)計(jì)工況、最佳運(yùn)行工況及最不利工況下建筑冷負(fù)荷及系統(tǒng)供冷量。如表5所示，由于該建筑的冷負(fù)荷為476.5 kW，新風(fēng)負(fù)荷為304.5 kW，計(jì)算最佳工況得到間接蒸發(fā)冷水機(jī)組的供冷量(含新風(fēng)降溫供冷量)為695.2 kW，計(jì)算最不利工況得到需要機(jī)械制冷冷水機(jī)組供冷量為242.5 kW，故選用2臺(tái)單臺(tái)制冷量為350 kW的間接蒸發(fā)冷水機(jī)組(供/回水溫度為18.5 ℃/23.5 ℃，冷水流量為60 t/h)和1臺(tái)制冷量為268 kW的螺桿式冷水機(jī)組(機(jī)組供/回水溫度為15 ℃/20 ℃，冷水流量為46 m3/h，冷卻水流量為54 m3/h)。

通過(guò)上述計(jì)算選型，假定該項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用間接

表5 典型工況設(shè)備供冷量分析

① 間接蒸發(fā)冷水機(jī)組供冷量=地板輻射供冷量+蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組間接蒸發(fā)冷卻段供冷量。

蒸發(fā)冷水機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高溫冷源”)與螺桿式冷水機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“低溫冷源”)聯(lián)合供冷的雙溫冷水系統(tǒng)，末端為蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組和輻射地板。由于間接蒸發(fā)冷水機(jī)組為開(kāi)式系統(tǒng)，為防止腐蝕及含泥砂濁水進(jìn)入地板輻射盤(pán)管，設(shè)置板式換熱器，經(jīng)換熱器換熱后冷水溫度提高1.5 ℃，冷水系統(tǒng)流程如圖2所示。

1.間接蒸發(fā)冷水機(jī)組；2.螺桿式冷水機(jī)組蒸發(fā)器；3.螺桿式冷水機(jī)組冷凝器；4.輻射地板；5.新風(fēng)機(jī)組冷卻盤(pán)管；6.冷水循環(huán)泵；7.一次冷水循環(huán)泵；8.二次冷水循環(huán)泵；9.換熱器；F1～F3.轉(zhuǎn)換閥門(mén)。圖2 雙溫冷水系統(tǒng)流程圖

最不利工況下，高溫冷源為蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組的間接蒸發(fā)冷卻段(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“間冷段”)提供20 ℃的冷水，經(jīng)換熱器對(duì)室外新風(fēng)降溫后將25 ℃的回水通入低溫冷源，為機(jī)組冷凝器散熱；低溫冷源為地板輻射提供供/回水溫度為15 ℃/20 ℃的冷水；經(jīng)板式換熱器換熱后21.5 ℃/26.5 ℃的冷水為蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組間冷段供冷，如圖2b所示。通過(guò)計(jì)算可知，在最不利工況下蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組供冷量為234 kW，地板輻射供冷量約為213.64 kW，總供冷量約為447.64 kW，仍不能滿(mǎn)足建筑冷負(fù)荷要求。綜上所述，在最不利工況下，即使采用雙溫冷水系統(tǒng)為末端供冷，由于末端供冷能力有限，供冷量仍不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)冷負(fù)荷需求，因此需要增加其他末端(干式風(fēng)機(jī)盤(pán)管)來(lái)補(bǔ)充供冷。

2.3 新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

最不利工況(含設(shè)計(jì)工況)時(shí)，低溫冷源是否同時(shí)給地板輻射和蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組間冷段提供供/回水溫度為15 ℃/20 ℃的冷水，需經(jīng)分析計(jì)算確定。按最不利情況計(jì)算，根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.5.4條規(guī)定[5]，當(dāng)高溫冷源的出水溫度為20 ℃時(shí)，新風(fēng)機(jī)組間冷段后出風(fēng)溫度為25 ℃，直接蒸發(fā)冷卻段(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“直冷段”)后出風(fēng)溫度為20 ℃，如圖3所示；若按低溫冷源提供出水溫度為15 ℃的冷水計(jì)算，新風(fēng)機(jī)組間冷段后出風(fēng)溫度為18.5 ℃，直冷段后出風(fēng)溫度為18 ℃；則低溫冷源給新風(fēng)機(jī)組提供的供冷量為253.8 kW，最終僅使送風(fēng)溫度降低了2 ℃，新風(fēng)機(jī)組供給室內(nèi)的冷量?jī)H增加了78.1 kW。因此，該工程在最不利工況下，采用低溫冷源給蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組提供供/回水溫度為15 ℃/20 ℃的冷水，以降低送風(fēng)溫度，增加供冷量的方式，能效低、經(jīng)濟(jì)性差，不建議采用此方式。

注：W為室外狀態(tài)點(diǎn)；N為室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)；D為經(jīng)地板輻射處理后空氣狀態(tài)點(diǎn)；O為間冷段處理后空氣狀態(tài)點(diǎn)(tL=15 ℃)；L為新風(fēng)機(jī)組送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)(tL=15 ℃)；O′為間冷段處理后空氣狀態(tài)點(diǎn)(tL′=20 ℃)；L′為新風(fēng)機(jī)組送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)(tL′=20 ℃)。圖3 最不利工況時(shí)空氣處理過(guò)程

綜上所述，該項(xiàng)目根據(jù)系統(tǒng)所需新風(fēng)量，設(shè)計(jì)選用2臺(tái)單臺(tái)風(fēng)量30 000 m3/h和2臺(tái)單臺(tái)風(fēng)量28 000 m3/h蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組。在最不利工況(含設(shè)計(jì)工況)下運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組由高溫冷源提供供/回水溫度為20 ℃/25 ℃的冷水供冷，顯熱末端(輻射地板、干式風(fēng)機(jī)盤(pán)管)由低溫冷源提供供/回水溫度為15 ℃/20 ℃的冷水供冷。

3 蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行分析

蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的供冷能力亦與室外氣象參數(shù)密切相關(guān)，當(dāng)室外溫度較高時(shí)，建筑冷負(fù)荷較大，而此時(shí)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的供冷量卻降低，因此，每日各時(shí)刻系統(tǒng)供冷量能否滿(mǎn)足建筑冷負(fù)荷要求未知。筆者以上述工程為例，分析系統(tǒng)供需關(guān)系，確定蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略。

3.1 系統(tǒng)供需分析

利用DeST能耗模擬軟件計(jì)算該建筑供冷季(6月15日至9月15日，共2 232 h)逐時(shí)建筑冷負(fù)荷，統(tǒng)計(jì)分析每日建筑逐時(shí)冷負(fù)荷，計(jì)算出各時(shí)刻集中出現(xiàn)概率在50%以上的冷負(fù)荷平均值。同時(shí)按照各時(shí)刻間接蒸發(fā)冷水機(jī)組出水溫度，除出水溫度低于15 ℃的小時(shí)數(shù)外，計(jì)算集中出現(xiàn)的冷水機(jī)組平均出水溫度及室外平均干、濕球溫度。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果及設(shè)計(jì)供回水溫差5 ℃，估算出每日各時(shí)刻蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的供冷量，結(jié)果如表6所示。由圖4可知，該工程蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)每日各時(shí)刻供冷量與建筑冷負(fù)荷的變化趨勢(shì)不同，且每日大部分時(shí)段蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的供冷量可以滿(mǎn)足建筑冷負(fù)荷需求，僅13:00、16:00—21:00時(shí)(圖4紅色區(qū)域)不能滿(mǎn)足建筑冷負(fù)荷需求，需采用雙溫冷水系統(tǒng)聯(lián)合供冷。

表6 喀什供冷季各時(shí)刻冷負(fù)荷與供冷量對(duì)比分析(93 d)

圖4 喀什供冷季各時(shí)刻冷負(fù)荷與供冷量對(duì)比分析(93 d)

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行策略

如圖4所示，綠色陰影區(qū)域是蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)供冷量大于建筑冷負(fù)荷的區(qū)域，此時(shí)段可通過(guò)有效控制運(yùn)行策略，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，且具有巨大的節(jié)能潛力。

蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)與其他空調(diào)系統(tǒng)不同，易受室外氣象參數(shù)的影響。下面通過(guò)對(duì)喀什室外氣象參數(shù)進(jìn)行分析，以該工程蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)最佳工況下的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)L(18.8 ℃，90%)和室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N(26 ℃，60%)為基準(zhǔn)，在焓濕圖上劃分了5個(gè)區(qū)域，再根據(jù)喀什典型氣象年[4]供冷季室外氣象參數(shù)分析2 232 h的室外空氣狀態(tài)并將其標(biāo)記在焓濕圖上，如圖5所示。分析喀什供冷季逐時(shí)室外氣象參數(shù)可知：整個(gè)供冷季約有1 679 h的室外空氣狀態(tài)點(diǎn)位于Ⅰ、Ⅱ區(qū)，約占總供冷時(shí)長(zhǎng)的75.2%；有405 h的室外空氣狀態(tài)點(diǎn)位于Ⅲ區(qū)，約占總供冷時(shí)長(zhǎng)的18.2%；有148 h的室外空氣狀態(tài)點(diǎn)位于Ⅳ、Ⅴ區(qū)，僅占總供冷時(shí)長(zhǎng)的6.6%。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析可知，每日各時(shí)刻室外空氣狀態(tài)點(diǎn)處于Ⅰ、Ⅱ區(qū)的小時(shí)數(shù)占比在37%～91%之間，每日02:00—10：00的室外空氣狀態(tài)點(diǎn)處于Ⅰ、Ⅱ區(qū)的小時(shí)數(shù)占比在81%以上，19:00—22:00時(shí)的小時(shí)數(shù)占比在59%以下，如表7所示。

結(jié)合以上計(jì)算的逐時(shí)冷負(fù)荷及處于Ⅰ、Ⅱ區(qū)室外氣象參數(shù)的小時(shí)數(shù)比例，選用合適的運(yùn)行模式，結(jié)果如表7所示。Ⅰ、Ⅱ區(qū)控制參數(shù)為室外空氣含濕量dW≤送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)含濕量dL，tW≤18.8 ℃，ts≤17.7 ℃；Ⅲ區(qū)控制參數(shù)為dW≤dL，tW>18.8 ℃，ts>17.7 ℃；Ⅳ、Ⅴ區(qū)控制參數(shù)為dW>dL。00:00—10:00僅開(kāi)啟蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組通風(fēng)或直冷段(模式①)，直冷段的供冷量≥281 kW，滿(mǎn)足建筑冷負(fù)荷要求；11:00—12:00、14:00—15:00 及22:00—23:00按最佳工況運(yùn)行，開(kāi)啟蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組及地板輻射供冷(模式②)，末端總供冷量在301～410 kW范圍內(nèi)，可滿(mǎn)足建筑冷負(fù)荷要求；13:00、16:00—21:00按最不利工況運(yùn)行，由間接蒸發(fā)冷水機(jī)組和螺桿式冷水機(jī)組聯(lián)合的雙溫冷水系統(tǒng)(模式③)分別為蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組、地板輻射供冷，即可滿(mǎn)足建筑冷負(fù)荷需求。

注：L點(diǎn)濕球溫度為17.7 ℃。圖5 喀什供冷季室外空氣狀態(tài)點(diǎn)分布(93 d)

表7 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式

4 蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗分析

以往對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗計(jì)算常采用溫頻法，根據(jù)室外氣象參數(shù)計(jì)算得到供冷季空調(diào)系統(tǒng)的總能耗。此法忽略了其他因素對(duì)建筑冷負(fù)荷的影響，由圖1可知，建筑冷負(fù)荷并非完全與室外氣象參數(shù)的變化趨勢(shì)一致，存在延時(shí)或其他情況，即室外日最高干球溫度與日最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在不同時(shí)刻，這種計(jì)算方法與實(shí)際運(yùn)行情況存在很大差異，必然導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在偏差。

根據(jù)喀什供冷季每日建筑逐時(shí)冷負(fù)荷與系統(tǒng)供冷量關(guān)系，確定每日各時(shí)段系統(tǒng)運(yùn)行模式，計(jì)算得到該工程供冷季空調(diào)系統(tǒng)耗電量如表8、圖6所示。該項(xiàng)目供冷季空調(diào)系統(tǒng)的總耗電量為120 978.0 kW·h，系統(tǒng)供冷季單位面積耗電量為15.11 kW·h/(m2·a)。此外，同時(shí)計(jì)算得到了未進(jìn)行運(yùn)行調(diào)節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)總耗電量為164 999.7 kW·h，系統(tǒng)供冷季單位面積耗電量為20.61 kW·h/(m2·a)。

對(duì)比表8中的2種運(yùn)行策略，若根據(jù)建筑冷負(fù)荷需求調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式，空調(diào)系統(tǒng)可減少耗電量36.4%。按喀什商業(yè)平均電價(jià)0.415 7元/(kW·h)計(jì)算，每個(gè)供冷季該工程空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約18 300元。

表8 2種運(yùn)行策略下空調(diào)系統(tǒng)耗電量

圖6 空調(diào)系統(tǒng)2種運(yùn)行策略

5 結(jié)語(yǔ)

寒冷地區(qū)受室外氣象條件的限制，間接蒸發(fā)冷水機(jī)組供冷量不能滿(mǎn)足建筑冷負(fù)荷需求，需要補(bǔ)充機(jī)械制冷冷源，機(jī)械制冷冷源應(yīng)按最不利工況下扣除間接蒸發(fā)冷水機(jī)組供冷量后選擇。

蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)供冷量受室外氣象參數(shù)的影響，系統(tǒng)最大供冷量與建筑冷負(fù)荷峰值并非耦合出現(xiàn)，因此蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)需按建筑冷負(fù)荷需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行策略。筆者以喀什某醫(yī)院綜合樓為例，計(jì)算經(jīng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)可減少耗電量36.4%，運(yùn)行調(diào)節(jié)節(jié)能潛力較大。