蒸发冷却与机械制冷相结合的半集中式空调系统的探讨

双庆+王熙文+曹丽

摘 要 以西安某多层建筑为实体，进行蒸发冷却与机械制冷相结合的半集中式空调系统设计，系统采用的设备主要包括蒸发冷却冷水机组，风冷热泵，蒸发冷却新风机组，干工况风机盘管，并将设计方案与其他传统空调设计方案进行对比。结果表明，采用蒸发冷却与风冷热泵相结合的半集中式空调系统比传统的半集中式空调系统更节能，降低运行成本，同时这一工程的应用也为蒸发冷却半集中式空调系统在中湿度地区的应用奠定了基础。

关键词 蒸发冷却半集中式空调系统；蒸发冷却冷水机组；蒸发冷却新风机组；风冷热泵

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）02-0052-03

蒸发冷却空调技术是利用自然环境中的干球温度与露点温度之差，通过水与空气之间的热湿交换来获取冷量的一种经济环保的冷却方式。但单纯的蒸发冷却冷水机组受室外天气的影响较大，在于炎热干燥地区温湿度要求不高的建筑物适用性较强，而对温湿度要求较高的建筑物以及中等湿度地区和高湿度地区的适用性较差，但单独的使用机械制冷制取冷水耗能较大。本文针对以上问题，以西安某商业大楼为设计对象，提出蒸发冷却与机械制冷相结合的形式，进行蒸发冷却半集中式空调系统的设计，为此类空调系统的设计提供参考依据。

1 建筑概况与空调设计概况

本工程为西安某多层建筑，地上四层设有商场，展厅及餐饮。室内设计参数根据国家标准取室内温度26℃，相对湿度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。本建筑总建筑面积为3400 m2，高度为20.4 m，本工程有供冷、供热需求，设计总冷负荷1230 kW，总热负荷760 kW，计算单位面积冷指标121 W/m2，计算单位面积热指标75 W/m2。

2 蒸发冷却与机械制冷相结合的半集中式空调系统

蒸发冷却水冷机组：本工程设计采用间接—直接蒸发冷却冷水机组，以机组的进风空气干球温度和湿球温度的差值作为制冷驱动的形式，以此获得接近进风空气露点温度的天然冷源，实现绿色节能、经济安全的冷水处理方式，与单独的直接蒸发冷却和单独的间接蒸发冷却相比，制取的冷水温度更低。

蒸发冷却半集中式空调系统：此建筑内房间较多，要求各房间互不干扰，可独立调节室温，设计时采用蒸发冷却半集中式空调系统，与蒸发冷却全空气系统相比节省空间，与变风量空调系统相比初投资小，管理与控制方便，满足不同用户的使用要求。新风机组采用蒸发冷却组合式空气处理机组，新风机组由低温表冷器、直接蒸发冷却器、送风机组成。若要对室外空气进行降温除湿处理，只需提供常规机械制冷冷水机组的冷冻水就可满足要求。若要对室外空气进行加湿处理，蒸发冷却组合式空气机组中的直接蒸发冷却器就能满足要求，以此可以很好地实现温湿度独立的控制。图1为一层蒸发冷却半集中式空调风管平面图。

受到气候条件的影响，不能在整个空调运行期利用蒸发冷却冷水机组制取满足要求的高温冷水，在室外气候条件满足要求的情况下，充分利用蒸发冷却技术获得廉价的“自然”供冷，当室外环境不适应时切换到机械制冷控制出水温度，为末端的供水提供可靠保障，如图2为蒸发冷却冷水机组与机械制冷冷水机组的全年联合运行原理图，在该系统中蒸发冷却冷水机组提供的冷水在能满足末端要求时，只开启蒸发冷却冷水机组，风冷热泵处于关闭状态；当蒸发冷却冷水机组提供的冷水在不能满足末端要求时，关闭蒸发冷却冷水机组，开启风冷热泵机组。

图2 蒸发冷却与机械制冷联合运行原理图

风冷热泵和蒸发冷却高温冷水机组设置于屋面，冬季，由风冷热泵空调机组提供45℃～40℃热水供本建筑使用，夏季，当室外湿球温度小于20℃时，开启屋面的蒸发冷却高温冷水机组，提供16℃～21℃的高温冷水，用于空调系统的末端风机盘管，以及吊顶式空气处理机组。当湿球温度大于20℃时，开启屋面风冷热泵机组，提供7℃～12℃的冷冻水供本建筑空调系统使用。

在西安地区6-9月份的供冷季节中，按每天8：00～18：00统计供冷时间共计1342小时，结合室外湿球温度统计，湿球温度≥20℃共计698小时，占整个供冷季节的52%，意味着52%的时间段内单独采用蒸发冷却技术制取高温冷水不能很好的满足末端设备的要求，需要采用机械制冷的形式。由于西安地区的室外状态点W部分时间段位于室内状态点N的左侧，此时新风机组采用蒸发冷却空调技术就能达到设计的送风要求，空气处理过程见图3。

图3 蒸发冷却运行焓湿图

图4 单独运行机械制冷焓湿图

但部分时间段室外状态点W在室内状态点N的右侧，此时不但新风机组达不到单独采用蒸发冷却技术的要求，就连蒸发冷却高温冷水机组的制冷效果也会受到影响，满足不了末端设备的供水温度，需要对整个蒸发冷却空调系统加入常规的机械制冷才能保证末端的供水温度，以及保证新风机组降温去湿的处理过程，空气处理过程见图4。

3 经济性能分析

在以上分析的前提下，提出3种不同的冷源匹配方案：采用4台243.5 kW的蒸发冷却高温冷水机组+4台305 kW风冷热泵机组；采用4台243.5 kW的蒸发冷却高温冷水机组+4台305 kW常规机械制冷冷水机组；采用4台305 kW常规机械制冷冷水机组。

3.1 各方案运行分析

方案1：采用4台243.5 kW的蒸发冷却高温冷水机组+4台305 kW风冷热泵机组，根据室外气象条件切换制冷机组形式，夏季当室外湿球温度小于20℃时，开启屋面的蒸发冷却高温冷水机组，提供16℃～21℃的高温冷水，用于空调系统的末端风机盘管，以及二级蒸发冷却新风机组。当湿球温度大于20℃时，开启屋面风冷热泵机组，提供7℃～12℃的冷冻水供本建筑空调系统使用。

满足蒸发冷却高温冷水机组的时间占总整个供冷季的48%，开启时间总计644小时。在蒸发冷却冷水机组开启时，新风机组中低温冷水段关闭其余功能段处于开启状态。不满足蒸发冷却使用要求时，机械制冷冷水机组开启占整个供冷季的52%，开启时间总计698小时，此时新风机组中低温冷水段处于开启状态，直接蒸发冷却段关闭。endprint

整个空调系统中蒸发冷却空调机组和风冷热泵机组都统一布置在屋顶，不用专门设置制冷机房布置设备，只需选用配备5台7.5 kW冷冻水循环水泵（四用一备），整套空调系统无冷却水系统。

方案2：采用4台243.5 kW的蒸发冷却高温冷水机组+4台305 kW常规机械制冷冷水机组，根据室外气象条件切换制冷机组形式，夏季当室外湿球温度小于20℃时，开启屋面的蒸发冷却高温冷水机组，提供16℃～21℃的高温冷水，用于空调系统的末端风机盘管，新风机组采用二级蒸发冷却新风机组。当湿球温度大于20℃时，开启常规制冷机组，提供7℃～12℃的冷冻水供本建筑空调系统使用，新风机组中低温冷水段处于开启状态，直接蒸发冷却段关闭。

整个空调系统中蒸发冷却空调机组布置在屋顶，常规冷水机组布置在制冷机房内，选用5台7.5 kW冷冻水循环水泵（四用一备），与方案1相比需要给常规制冷机组在一层增加制冷机房和一套冷却水系统。增加5台5.5 kW的冷却水泵，并在屋面上布置4台冷却塔。

方案3：采用4台305 kW常规机械制冷冷水机组，为本建筑空调系统提供7℃～12℃的冷冻水。常规冷水机组布置在一层制冷机房内，并增设冷却水系统。

3.2 各方案概预算与分析

蒸发冷却冷水机组输出功率为20 kW，风冷热泵机组输出功率为100 kW，水冷机组74 kW，冷冻水循环水泵输出功率为7.5 kW，冷却水泵输出功率为5.5 kW，冷却塔输出功率为3 kW。

表1 蒸发冷却与机械制冷耗电量比较

方案 制冷量/kW 设备 耗电量/kW

蒸发冷却 机械制冷

1 1250 蒸发冷却冷水机组 80 —

风冷热泵机组 — 400

冷冻水泵 30 30

总计 110 430

2 1250 蒸发冷却冷水机组 80 —

冷水机组 — 296

冷冻水泵 30 30

冷却水泵 — 22

冷却塔 — 12

总计 110 360

3 1250 冷水机组 — 296

冷冻水泵 — 30

冷却水泵 — 22

冷却塔 — 12

总计 — 360

3.2.1 电价对比

从表1中可以看出，风冷热泵机组耗电量要比水冷式冷水机组大20%左右，西安商业用电价按1.1元/千瓦时，按前面确定的1342小时总供冷时间中蒸发冷却占644小时，机械制冷占698小时，对3种不同方案的运行费用进行计算统计结果见表2。

表2 三种不同空调系统的初投资与运行费用结果

方案 初投资/（万元） 夏季总耗电量/（kWh） 运行费用/（万元）

1 220 370980 40.8

2 252 322120 35.4

3 185 483120 53.2

采用蒸发冷却与机械制冷相结合的供冷形式，明显要比单纯的采用机械制冷节能，虽然这种相结合的供冷形式，初投资较高并且存在一定要求的自控系统进行切换，但与每年节省出来运行费用相比3年就能收回。风冷机组的耗电量大，但从整个空调系统来看，比常规冷水机组少了冷却水系统，并且风冷热泵机组可与蒸发冷却水冷机组一起放在屋顶上，省去了在一层增设制冷机房。

3.2.2 初投资价格统计

一般而言，相同制冷量的风冷机组比水冷机组高20%左右。由于水冷系统机组要相应地配备冷却塔、冷却水泵、管道系统和机房等，风冷机组的整个空调系统和水冷机组的整个空调系统设备投资差不多甚至便宜些。

且本工程地下室和地上一层没有特定的空调机房，如果选择水冷式还要在一层增加空调机房，增加初投资，减少商业的适用面积。

综上所述，对于本工程实际情况，采用方案1的风冷热泵加蒸发冷却水冷系统更为优异。

4 结论

1）蒸发冷却与机械制冷相结合的半集中式空调系统，冷源采用蒸发式冷水机组和风冷热泵，这种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。

3）以此项目设计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。

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]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.

[3]刘小文，黄翔，尧德华，等.中湿度地区蒸发冷却复合式空调系统与传统集中（半集中）式空调系统的比较分析[J].广东制冷，2009（4）：63-68.

[4]孙铁柱，黄翔，文力.蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组初探[J].化工学报，2010，61（S2）：137-141.

[5]孙铁柱.蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组的研究[D].西安工程大学，2012.

[6]白彦斌.蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组关键性能参数的研究[D].西安工程大学，2013.endprint