蒸发冷却与辐射供冷/热复合空调系统探讨

闫振华

(1.中国煤炭科工集团武汉设计研究院,武汉430064;2.西安工程大学,西安710048)

0 引言

国家 “十二五”规划纲要明确提出建立节能减排长效机制,节能减排已成为中央政府和社会各界普遍关注的焦点问题。蒸发冷却与辐射供冷/暖正是适应这一时代背景的复合空调技术,目前已在我国西北地区逐步得到了应用[1]。基于此,本文提出了蒸发冷却与辐射供冷/暖相复合的空调系统,并对该系统进行初步研究。

1 蒸发冷却与辐射供冷/热复合式半集中空调系统形式

根据蒸发冷却和辐射供冷/暖的特点,蒸发冷却+辐射供冷/热复合式半集中空调系统在干燥地区和中湿度地区的应用形式存在一定的差异,其辐射末端形式基本一致,而采用蒸发冷却技术制取冷风冷水时,冷源型式有差别,如图1和图2所示。

2 系统构成

(1)冷热源

在我国西北干燥地区,新风送风由蒸发冷却空调机组获取。室外新风依次经过该机组的过滤段、表冷段 (预冷作用)、间接蒸发冷却段、直接蒸发冷却段、送风段后,送风能达到15-20℃之间 (根据气象资料,西北大部分地区,尤其是甘肃、新疆等地采用这种系统送风温度一般在15～20℃之间,对于舒适性空调尤为理想)[2]。另一方面,高温冷水由冷却塔 (或间接蒸发冷水机组)直接获取,温度可达18℃左右。

图1 干燥地区蒸发冷却与辐射供冷/热相复合式半集中空调系统

图2 中湿度地区蒸发冷却与辐射供冷/热复合式半集中空调系统

在我国中湿度地区 (以西安为代表),空调系统的冷源获取方式与西北干燥地区有所不同。由于中湿度地区的室外空气湿球温度偏高 (西安为26℃),干湿球温差有限,采用传统的蒸发冷却技术时,夏季供给空调区的冷风和冷水温度都偏高于设计要求值,故夏季供冷时不能单独采用蒸发冷却技术。目前蒸发冷却技术在此区域应用时,通常要和机械制冷相结合,在夏季炎热季节由机械制冷来承担一部分负荷,同样也能达到满意的空调效果。新风送风由蒸发冷却组合式空调机组获取。室外新风依次经过该机组的过滤段、间接蒸发冷却段、机械制冷段、直接蒸发冷却段、送风段后,送风能达到17～23℃之间 (通过调整机械制冷段的冷水参数,可得到符合要求的送风温度)。另一方面,在夏季炎热季节,高温冷水不能由冷却塔 (或间接蒸发冷水机组)直接获取,而是先由机械制冷设备(蒸发冷凝式冷水机组)制取低温冷水,然后通过高效板式换热器进行热交换,于二次侧产生高温冷水。在夏季空调区非高负荷时,由机械制冷设备制取低温冷水,间接换热后与冷却塔制取的高温冷水进行配水,然后通过高效板式换热器进行热交换,于二次侧产生高温冷水。在春秋季可由冷却塔直接制取高温冷水,间接换热后送入辐射末端。

系统的热源的选择应本着节能环保的原则,根据各地不同的条件选择合适的热源。在条件许可的情况下,应优先考虑天然的热源,如地下水、太阳能等,其它热源,如锅炉、风冷热泵等,经技术经济分析比较后再行确定[3]。

(2)换热设备

图1中,为了防止冷却水中灰尘以及通入辐射末端换热管(特别是毛细管)后在内表面产生水垢而阻塞,常采用高效板式换热器进行逆流换热。冷却水进入板式换热器,将由毛细管出来的冷水回水冷却后,进入蒸发冷却空调机组表冷段对室外新风进行预冷,同时辐射末端换热管出来的冷水回水被冷却后,进入室内辐射末端进行冷辐射和对流换热。

图2中,采用两个换热器,其目的同样是为了保持辐射末端循环水的洁净度,防止辐射末端阻塞。另外由于机械制冷的工质运行属于闭式循环系统,而冷却塔的冷却水运行是开式循环系统,当两者同时运行时,采用换热器I把二者隔开,采用换热器II进行二次换热,这样机械制冷和冷却塔就能同时运行了。

(3)空调末端

辐射末端可采用辐射吊顶、辐射墙、辐射地板的任一种形式或组合形式,当然这要根据空调区的具体情况而决定。送风末端可采用混合送风,也可采用置换通风方式。目前比较流行的空调末端形式是辐射末端+置换通风器,该形式具有较好的舒适性和节能性,而且空调工作区空气品质极佳。

3 系统特点

(1)高效节能

充分利用了西北地区干燥空气可再生能源和免费供冷提供的冷风和冷水资源,大大降低空调系统运行费用[4]。

(2)初投资少

一套系统,既能冬季供暖,又可夏季供冷,全年使用,大大降低空调系统初投资。

(3)舒适性强

采用辐射空调系统,室内垂直温度梯度小,舒适性提高,供冷、供暖效果优于传统的对流空调方式。

(4)生态环保

采用水为制冷剂的蒸发冷却制冷方式,降低了CFCs的排放及温室效应,符合环保要求[5]。

4 应用领域

该复合式半集中空调系统,适合于我国广大的干燥地区、中湿度地区的旅馆饭店、写字楼、医院、住宅、高层 (档)建筑等场所。

5 运行模式

蒸发冷却技术与辐射供冷相复合时,在中湿度地区的夏季运行模式与在西北炎热干燥地区的运行模式有着显著的不同,蒸发冷却需要机械制冷的配合才能达到除湿效果。下面以图2为研究对象,分别说明空调系统四季运行模式。

图3 干燥地区夏季运行空气处理h-d图

a.夏季运行模式

夏季运行时,辐射供冷末端承担建筑围护结构传热、日照热负荷、室内设备、人员的瞬时显热负荷。室内的湿负荷和部分显热负荷由蒸发冷却组合式空调机组承担,新风处理到机器露点Lx后,送入室内与辐射供冷末端处理后的室内循环风混合达到室内送风状态点Ox。其空调过程如图3、图4所示,空气处理流程如图5所示。

图4 中湿度地区夏季运行空气处理h-d图

图5 中湿度地区夏季运行空气处理过程

b.春秋季运行模式

春秋季节时,室外相对湿度偏低,室外空气工况点在室内设计工况点的左侧,空调运行时,负荷分配同夏季。新风处理到机器露点L后,送入室内与辐射供冷末端处理后的室内循环风混合达到室内送风状态点O。其空调过程如图6所示,空气处理流程如图7所示。

c.冬季运行模式

在冬季运行时,辐射供热末端承担室内显冷负荷,室内的湿负荷和部分显冷负荷由蒸发冷却组合式空调机组承担,室外新风处理到Wd'或Wd”后,送入室内与辐射供热末端处理后的室内循环风混合达到室内送风状态点Od。其空调过程如图8所示,空气处理流程如图9所示。

图9 冬季运行空气处理过程

6 结束语

本文在基于蒸发冷却和辐射供冷/热空调系统的理论基础上,提出了基于蒸发冷却辐射供冷/热复合式半集中空调系统形式,分析了该空调系统构成、系统特点、应用领域及其运行模式。在西北干燥地区,该复合空调系统的冷源采用蒸发冷却技术提供,在中湿度地区,冷源采用以蒸发冷却为主,兼以蒸发冷却与机械制冷相结合的形式,而不是通过传统的机械制冷获取。系统辐射末端形式齐全,布置灵活。蒸发冷却新风送风采用置换送风方式,节能效果明显。

[1] 王如竹,黄翔,杨昭等.制冷学科进展研究与发展报告[M].北京:中国制冷学会科学出版社,2007

[2] 黄翔.国内外蒸发冷却空调技术研究进展 (3)[J].暖通空调,2007,37(4):24-29

[3] 陈启,马一太,马利蓉.辐射供暖、供冷系统冷热源的研究[J].煤气与热力,2005,25(9):14-18

[4] 黄翔,徐方成,武俊梅.蒸发冷却在节能减排中的重要作用[J].制冷与空调,2008,8(4):17-21

[5] 黄翔,狄育慧,吴志湘,等.空调工程[M].北京:机械工业出版社,2006