蒸发冷却技术应用于北京公共建筑中的节能潜力分析

周 玮

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

蒸发冷却技术应用于北京公共建筑中的节能潜力分析

周 玮

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

从暖通设计师的角度，以公建中最常见的水—空气系统为研究对象，分析了蒸发冷却技术应用在北京过渡季制冷中的节能潜力。

蒸发冷却；节能；公共建筑

0 引言

当前人类社会的发展，由于过度依赖化石能源，已经招致大自然的惩罚：温室气体激增，全球变暖—冰川融化，海平面上升；厄尔尼诺现象频发—局地干旱，局地暴雨，恶劣气候增多；等等。摒弃粗狂式发展，倡导节约高效利用能源，是刻不容缓需要面对的问题。我国建筑能耗在能源总耗量中的比重逐日增加，现在已经超过了三分之一；而建筑能耗中，有一半是消耗在了暖通空调系统中。由此可见，暖通的节能尤为重要。

现代建筑由于体量越建越大，导致进深越来越深，再加之窗墙比的增大以及可开启外窗面积的大幅减少，使得内区比重相比传统建筑要大得多。内区由于远离外围护结构，这使之成为与室外环境隔绝的区域：只有内热，没有外扰，全年需要制冷。冬季和过渡季的室外空气就是天然的免费冷源，但却由于一墙之隔，很多建筑并没有很好的利用，造成了不必要的能源浪费。

现在较好解决这一问题的措施主要有两个：冷却塔制冷和新风制冷。冷却塔（全水系统）在冬季制冷的表现良好，但由于其是间接冷却室内空气，加上本身换热效率的限制，使得过渡季的制冷效果大打折扣；新风制冷则是直接去除室内余热，过渡季全新风运行的全空气系统可以达到良好的节能效果，但空气—水（冷媒）系统由于新风量有限，不能充分利用过渡季的免费冷源。北京是过渡季很长的地区，如何能够更充分的利用室外冷源，是实现进一步节能的目的所在。

蒸发冷却技术可以充分利用免费冷源，其设备在我国气候比较干燥的西部和北部地区已经有所应用，并且得到了很好的节能效果[1，2]，这为该技术向更广泛区域发展奠定了基础。蒸发冷却技术可以实现比冷却塔更深一级甚至两级的制冷程度，而且可以直接冷却新风。由此可见，蒸发冷却技术可以让有限的新风运载更多的冷量，进而更充分的利用过渡季免费冷源。

本文选取公共建筑中空气-水系统作为研究对象，探讨蒸发冷却技术的节能潜力和在北京公共建筑中的可行性。

1 蒸发冷却技术原理

蒸发冷却分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却两种。冷却塔即是利用了直接蒸发冷却，空气和水充分混合，经过水的蒸发（相变）吸热过程，实现加湿冷却空气；间接蒸发冷却是以直接蒸发冷却后的空气水为冷源，通过间接（非接触）换热的方式，实现等湿冷却空气。

根据空气、水所需处理程度的不同，蒸发冷却又分为三级。一级只有直接蒸发冷却一个过程，理论上可以处理到空气的湿球温度点；二级是间接+直接蒸发冷却两个过程，空气首先被直接蒸发冷却后的空气水间接等湿冷却，再经历直接蒸发冷却二个过程，理论上可以处理到比空气湿球温度更低的状态；三级是间接+间接+直接蒸发冷却三个过程，空气首先被直接蒸发冷却后的空气水间接等湿冷却，再被间接+直接蒸发冷却后的空气水间接等湿冷却，最后再经历直接蒸发冷却，理论上可以处理到接近空气露点温度的状态。

实际工程应用中，一、二、三级蒸发冷却一般可以将水空气分别处理到比空气的湿球温度高4~6℃、达到甚至低于空气湿球温度[1]、趋近于空气露点温度[2]。出于经济可靠和方便计算的考虑，本文以二级蒸发处理到湿球温度点为基准进行分析。

2 内区房间空气-水系统节能分析

在北京的公共建筑中，空气-水系统几乎是不可或缺的，其最典型的形式为风机盘管+新风系统。由于其服务的房间种类繁多，本文仅参考《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005中提及的部分典型房间作为研究对象，即普通办公室、会议室、餐厅和一般商店。统一假定房间高度不高于5.0m，均为内区房间（无外围护结构），只有冷负荷，需要全年制冷；冬季和过渡季只考虑满足室内设计温度一个指标，没有湿度标准要求。通过天正HVAC负荷计算软件的计算，得出这四种典型房间单位面积显热负荷。见表1、表2。

表1 空调房间设计参数

表2 空调房间单位面积显热负荷、新风量和风盘风量

由表2可以看出，除一般商店外，单位面积新风量和风盘风量基本相当。然而风盘是间接制冷，室外冷源（空气）需要经历“空气-水-空气”的两次转换才能把冷带进室内，受到中间换热环节的热损失以及空气冷却器热质交换能力的局限性影响[3]，制冷效果会衰减很多，即其对免费冷源的要求更严苛。由此可见，采用新风直接制冷更高效和可靠。

3 新风制冷条件

根据能量平衡，可以计算出除去室内显热负荷所需的新风量。

式中Q—制冷量，W；

Gw—新风量，m3/h；

ρw—室外空气密度，kg/m3；

Cp—空气定压比热容，kJ/（kg·K）；

表3 除去室内显热负荷所需的新风量

tn—室内设计温度，℃；

tw—新风温度，℃。

由表3可知，除了会议室和星级较高餐厅外，其它房间的设计新风量不能满足制冷所需最少新风量的要求。由于蒸发冷却设备和传统新风机是并联运行关系，只是共用了新风管道；当为制冷需要提高新风量，则可能产生超速及噪音问题；为避免此问题，暖通设计师可以在设计新风管道时，酌情调低设计风速，放大管道尺寸。

4 蒸发冷却技术的节能效果

按照10℃送风温差考虑，送入房间的新风干球温度需要处理到15℃或以下。当室外空气干球温度低于15℃时，可以直接引入未处理的新风制冷；当室外干球温度高于15℃，且湿球温度低于15℃时，则可以利用蒸发冷却设备处理新风进行制冷。

由于室外干、湿球温度时刻在变，本文为了方便研究，以北京典型气象年每日9：00~17：00（朝九晚五）的平均温湿度为基准判别适用哪种制冷方式。两者的适用月份及天数见表4。

表4 不同制冷方式适用月份和天数d

由于11月、12月、1月、2月、3月属于北京的采暖季，室外空气干球温度很低，新风基本无需处理便可以达到直接制冷的要求；4月、5月、10月是过渡季，只有15天可以直接利用新风，而应用蒸发冷却技术后，这一天数可以再增加58天，即可以额外减少近2个月的制冷机组开启时间，这占到了北京过渡季的1/3左右。

参照《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005中对于离心水冷机组COP值（4.4~5.1）的规定，并假定过渡季部分负荷下冷机COP不折减，蒸发冷却技术的应用在减少制冷机组开启方面即可实现节约电费约4.0~7.2度/m2；而且，蒸发冷却的载冷剂为空气，冷水机组的载冷剂为水，空气环路的阻力损失远小于水环路，这使得其在输送环节上也可实现一定的节能效果；此外，当室外湿球温度高于15℃且低于19.41℃（夏季室内设计温度25℃，相对湿度60%时对应的湿球温度）时，虽然无法单靠蒸发冷却技术满足制冷要求，但仍然可以将新风处理到不承担室内热湿负荷的状态点，如此又可以再节省约50 d的新风机组能耗。

5 结语

以二级蒸发冷却技术为基准，研究分析了其在北京公共建筑过渡季空气—水系统制冷中的节能效果。计算表明，该技术的应用可以更高效充分利用室外空气作为免费冷源，在不影响舒适度且兼顾室内空气品质的前提下，大幅减少了制冷机组的开启时间，并同时降低了输冷能耗；当室外条件不能满足其单独制冷要求时，蒸发冷却技术还可以在相当长的时间里辅助处理新风负荷。由此可见，蒸发冷却技术的应用并不仅仅局限于西北等全年空气干燥的区域，也可以在过渡季较长的华北、东北等类北京的区域有良好的节能表现。

[1]谢晓云，江亿，刘拴强，等.间接蒸发冷水机组设计开发及性能分析[J] .暖通空调，2007，37（7）：66~85.

[2]黄翔，周斌，于向阳，等.新疆地区三级蒸发冷却空调系统工程应用分析[J].暖通空调，2005，35（7）：104~107.

[3]GB 50736-2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

Analysis of Energy Saving Potential by Using the Evaporative Cooling Technology in Transition Seasons in Public Buildings in Beijing

ZHOU Wei
（China IPPR International Engineering Co.，Ltd，Beijing 100089，China）

From the perspective of a HVAC designer，the passage analyses the energy saving potential ability of the Evaporative Cooling Technology in transition seasons in Beijing by selecting the most common type of air-water system in public building as the research object.

evaporative cooling technology；energy saving；public buildings

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.024

TU831.6

B

2095-3429（2015）06-0089-03

2015-10-15

修回日期：2015-12-18

周玮（1984-），男，北京人，硕士研究生，工程师，主要从事暖通设计工作。