乌鲁木齐某大厦蒸发冷却通风空调设计

李依轩黄 翔王兴兴褚俊杰张新利

（1.西安工程大学 西安 710048；2.扬州华奕通讯设备有限公司 乌鲁木齐 830001）

乌鲁木齐某大厦蒸发冷却通风空调设计

李依轩1,2黄 翔1王兴兴1褚俊杰1张新利2

（1.西安工程大学 西安 710048；2.扬州华奕通讯设备有限公司 乌鲁木齐 830001）

介绍了乌鲁木齐市某大厦蒸发冷却通风空调系统设计，针对室内、外主要设计参数选取及系统设计过程，描述蒸发冷却通风空调系统的特殊性，采用全空气蒸发冷却通风空调系统和空气—水蒸发冷却通风空调系统两种系统，着重分析系统设计的节能技术措施，并就运行模式、耗水量和新风量与机械制冷系统进行对比，为设计人员设计蒸发冷却通风空调设计提供建议。

蒸发冷却；空调系统；室外气象参数；系统设计；运行模式；耗水量；新风量

0 工程概况

本工程建设地点位于乌鲁木齐市开发区。地上十层，地下一层框架结构办公楼，总建筑面积15529.21m2。其中地上建筑面积12689.91m2。

建筑内部空间功能各样，内设各类办公室、员工休息区、客房、阅读室、会议室、培训室、餐厅等。1层为大厅，2～3、5～9层用于办公、会议等，4层为酒店客房、培训室，10层用于餐饮。本文重点介绍各类功能空间空调系统的节能设计。

1 空调系统方案的确定

1.1 室内主要设计参数

由于蒸发冷却通风空调系统的送风量较传统空调系统的送风量大，风感较强，一般在相同舒适条件下，夏季室内空气设计干球温度的设定值可比传统空气温度舒适区高2～3℃，相对湿度在允许范围内取较大的值，以合理的降低空调系统的换气次数[1]。如果将目前的空调房间设定温度夏季提高2℃，就可以削减空调峰值电力负荷10%-15%[2]。在美国ASHRAE55-2010标准中认为气流速度增大的情况下，较高温湿度也可以满足人体舒适的需求。

综上所述，室内主要设计参数如下表所示。

表1 室内主要设计参数Table1 Main indoor design parameters

1.2 冷负荷

建筑物总空调面积：10955.92m2；显热冷负荷为：830307W；单位面积冷负荷指标：76W/m2；湿负荷为125.602kg/h。

1.3 工程特点及设计要点

1.3.1 室外气候特点

如图1所示，将乌鲁木齐典型气象年室外逐时气象状态点标注在焓湿图上，W点为夏季空气调节室外计算参数状态点[1]，N点为夏季空气调节室内计算参数状态点，其他状态点均为夏季空气调节室外逐时气象状态点（4～9月4391个状态点）。通过夏季室外逐时气象状态点，可以看出，乌鲁木齐夏季空气调节室外平均湿球温度较低，干湿球温差较大，室外含湿量远远低于室外含湿量。同时也发现，W点并不是夏季空气调节室外逐时气象状态点的平均状态点，其湿球温度比平均状态点的更高，进一步查阅ASHRAE[3]中所使用的气象参数与我国暖通规范中的也是不同。通过研究发现，我国暖通规范中的干湿球温度是不关联的[4]，再通过根据典型气象年逐时气象参数统计方法的研究，发现“逐时气象参数统计全年不保证50h的干球温度与所对应的平均湿球温度”的方法统计出的夏季空气调节室外计算参数更加合理。但理论研究与工程实际还是有距离的，执行还是应该遵守相关规范，只有在下一步规范修正时，国家采纳相关意见，该问题才能进一步解决。

图1 乌鲁木齐典型气象年逐时气象参数焓湿图Fig.1 Urumqi typical meteorological year-hour meteorological parameters of the enthalpy diagram

综上所述，本工程室外设计参数如表2所示。

表2 室外主要设计参数Table2 Outdoor main design parameters

1.3.2 系统方案确定

根据对乌鲁木齐室外特殊的气候特点，本工程空调系统选取蒸发冷却通风空调系统。结合本工程特点，1层和10层空间较大，人员密度大，需集中进行温湿度控制，选取全空气蒸发冷却通风空调系统；2～9层房间功能多样，选取空气—水蒸发冷却通风空调系统。两种系统夏季冷源均采用两级间接加直接蒸发冷却冷水机组，全空气系统和空气—水系统末端分别采用蒸发冷却通风空调机组及蒸发冷却新风机组。冬季根据《公共建筑节能设计标准－新疆维吾尔自治区实施细则》[5]，新建工程冬季基本不用风机盘管采暖，全部采用热水集中采暖。

2 蒸发冷却通风空调系统设计

2.1 全空气蒸发冷却通风空调系统设计计算

2.1.1 送风状态点计算

以一层为例。通过负荷计算，1层夏季总冷负荷70.27kW，湿负荷36.751kg/h，经计算ε=Q/W=6883kJ/kg。由室内状态点N（25℃，60%）和ε，得到送风状态点O（15℃）。经焓湿图判定该工程位于空调气象区Ⅱ区，可以采用。

2.1.2 夏季送、排风量计算

夏季送风量公式：

式中：Gm为夏季送风量，kg/s；Q为冷负荷，kW；hN为室内空气状态点比焓，kJ/kg；hO为送风状态点比焓kJ/kg。得1层夏季送风量Gm=Q/(hN-hO)=14969m3/h。排风量保证室内的正压为5～10Pa即可，当室内正压为10Pa时，每小时约为1.0～1.5次换气次数，所以1层夏季排风量为15000m3/h。

2.1.3 蒸发冷却设备效率计算

直接段效率公式：

间接段效率公式：

式中：tw1为直接段进风干球温度，℃；tw1s为直接段进风湿球温度，℃；to为直接段出风温度，℃；twg为间接段进风干球温度，℃；tw1为间接段出风干球温度，℃；tws为间接段二次空气进风湿球温度，℃。得直接段效率ηDEC=（33.5-21.5）/（33.5-18.2）=78.4%；间接段效率ηIEC=（21.5-15）/（21.5-14.2）=89%。

2.1.4 设备选型

图2 高温表冷-立管间接-直接蒸发冷却空气处理过程焓湿图Fig.2 High temperature table cold - stand pipe indirect -direct evaporative cooling air treatment process enthalpy diagram

经计算间接蒸发冷却段要求效率较高，目前实际应用的间接蒸发冷却器效率较难一直保持较高效率，因此采用高温表冷与立管间接蒸发冷却段两级对新风进行等湿降温，达到设计要求，如图2所示。

计算高温表冷段降温效率：ηIEC1=（twg-tW1g）/（tWg-tWs）=（33.5-25.5）/（33.5-18.2）=52%

管式间接蒸发冷却段效率：ηIEC2=（tW1g-tW2g）/（tW1g-tW1s）=（25.5-21.5）/（25.5-14.2）=35.4%

选择1台高温表冷与管式间接段效率可达到90%，直接段效率为80%，风量为20000m3/h高温表冷-立管间接-直接的蒸发冷却通风空调机组。

2.2 空气-水蒸发冷却通风空调系统设计计算

2.2.1 空调送风状态点计算

以三层办公区域为例。通过负荷计算，3层夏季总冷负荷85.93kW，湿负荷42.206kg/h，经计算ε=Q/W=7330kJ/kg。由办公室室内状态点N（28℃，55%）和ε，根据最大送风温差（10℃）确定空调送风状态点O（tog=18℃）。经焓湿图判定该工程位于空调气象区Ⅱ区，可以采用空气—水蒸发冷却空调系统。

2.2.2 水系统形式

冷水机组所制取的高温冷水先供给显热末端，从显热末端的出水经过新风机组表冷式间接蒸发冷却段进一步温升，形成大温差冷水系统。系统形式如图3所示。

图3 空气-水蒸发冷却空调系统Fig.3 Air-water evaporative cooling air conditioning system

2.2.3 风量计算

夏季送风量可根据式（1）进行计算，得3层夏季送风量Gm=Q/（hN-hO）=21384m3/h。按每人30m3/h，根据3层办公区域划分，应取较大值，新风量Gm,x取12830m3/h；风机盘管风量Gm,F=Gm-Gm,x=8554m3/h。

2.2.4 新风及显热末端送风状态点计算

室内热湿负荷由新风和闲人末端分别承担，已知状态点N、O，根据ΔNOM和ΔL`OL的相似原理，NO/OL`=OL/OM=Gm,x/Gm,F，求出L`之后，沿等d线交90～95%相对湿度线于新风送风状态点L（tLg=15.3℃，φ=90%），连接LO并延长与N等d线的交点即为显热末端送风状态点M（tMg=21.9℃，φ=79%），如图4所示。

图4 空气-水蒸发冷却通风空调系统焓湿图Fig.4 Air-water evaporative cooling ventilation and air conditioning system enthalpy diagram

2.2.5 蒸发冷却新风机组及显热末端选型

本工程选用的是大温差型冷水机组空气-水蒸发冷却通风空调系统，这时新风机组采用三级蒸发冷却空调机组，其中第一级表冷段承担室内显热负荷比例建议值范围25%～30%是比较合理的，高温冷水流量若有富余可通过旁通管道回到蒸发冷却冷水机组中。计算高温表冷段降温效率为48%；管式间接蒸发冷却段效率为39%；直接蒸发冷却段效率为88%。

选择1台高温表冷与管式间接段效率可达到75%，直接段效率为88%，风量为14000m3/h高温表冷-立管间接-直接的三级蒸发冷却新风机组。

根据制冷量选取显热末端，根据下式进行计算。

式中：Gm,F为显热末端送风量，kg/s；QF为显热末端制冷量，kW；Δh为显热末端处理空气焓差，kJ/kg。得3层夏显热末端制冷量QF=Gm,FΔh=2.376×（65.4-58.9）=15.44kW，本工程显热末端选用干式风机盘管，再根据3层每个房间干式风机盘管设计个数，选择型号。

2.2.6 蒸发冷却冷水机组选型

首先判断蒸发冷却冷水机组在该地区适用，其次根据蒸发冷却冷水机组分区图确定采用间接蒸发冷却式与机械制冷同时运行制取高温冷水。由于冷水机组所制取的高温冷水先供给显热末端，之后再经过新风机组表冷式间接蒸发冷却段，所以显热末端总需水量即为蒸发冷却冷水机组水流量。根据下式进行计算。

式中：GW为显热末端总水流量，kg/s；Cw为水的定压比热，kJ/（kg·℃）；Δt为显热末端送风温差，℃。得Gw=QF/(CwΔt)=15.44/4.19（21.9-18）=3402kg/h。当然最终的冷水机组选型要根据每层显热末端总需水量之和来确定。

2.3 选用设备

综上所述，选用4台冷水流量50m3/h、制冷量290kW的蒸发冷却冷水机组放置在楼顶，产生的高温冷水分别供给蒸发冷却空气处理机组（风量20000m3/h、制冷量100kW）的高温表冷段和干式风机盘管-蒸发冷却新风机组（风量14000m3/h、制冷量60kW）高温表冷段，其中干式风机盘管与蒸发冷却新风机组串联，蒸发冷却空气处理机组与干式风机盘管-蒸发冷却新风机组并联，所以最终当然最终的冷水机组选型要根据每层显热末端总需水量之和与新风机组所需的供水流量相加之后的值来确定。干式风机盘管的型号根据每个房间的冷负荷来选择。

3 节能技术措施

3.1 运行模式

蒸发冷却通风空调系统跟室外空气干湿球驱动是密切相关的，也就是说，室外气象参数决定着蒸发冷却通风空调系统的运行效果，为了解决蒸发冷却空调技术发展中的瓶颈，蒸发冷却相关设备根据室外气象参数变化实现自动化控制，调节其运行模式。在夏季（6-9月，约3188小时），根据图5所示，室外干球温度15～20℃时，采用直接蒸发冷却段即可满足，占1133小时；而20～30℃，开启管式间接蒸发冷却段，与直接段相配合，占整个制冷季56%；20～35℃和>35℃高温天气，开启高温表冷段辅助降温，仅占8%。可见，乌鲁木齐地区大部分时间仅使用蒸发冷却就可以满足要求，92%的时间在充分利用西北地区丰富的干空气能。对于蒸发冷却调节问题，建议设计时应从整年的节能率考虑，而非某一时间点的节能率，同时还应考虑机组提升效率后的阻力也相继提升的问题。

图5 乌鲁木齐全年各级干球温度出现小时数Fig.5 Urumqi dry bulb temperature at all levels appear hours

在过渡季（3-5月及10-11月，约3672小时），根据2.1和2.2可知，大厅大空间含湿量13.3g/kg，办公室小空间含湿量14.5g/kg，根据图6分析，室外空气含湿量较低，普遍低于室内，所以将新风直接引入室内是不会引起显热负荷，并能将室内湿负荷去除。可见，乌鲁木齐地区过渡季节只要采用蒸发冷却通风空调系统的通风模式即可。

图6 乌鲁木齐过渡季节干球温度与含湿量关系图Fig.6 Relationship between dry bulb temperature and moisture content in the transition season of Urumqi

同样，由于乌鲁木齐夏季湿球温度较低的原因，传统机械制冷采用冷却塔直接供冷模式来节能，当然，机械制冷的运行模式是较为单一的。

3.2 耗水量

一些文献对于蒸发冷却通风空调系统耗水量的问题作了阐述[6]。但是笔者认为单纯的依靠计算公式得到的耗水量并不是十分准确，对于整个系统耗水量应为通风系统和空调系统耗水量之和，并按照4.1分析的全年运行时间分别计算。当然在设计阶段耗水量可以根据公式计算，为工程设计提供依据[6]。

初步计算本工程蒸发冷却通风空调系统耗水量1.05m3/h，机械制冷耗水量3.1m3/h。对于蒸发冷却，水为制冷剂，所以大家主观认为其比较耗水，但是忽略了冷却塔也是十分耗水。就本工程而言，蒸发冷却耗水量基本为机械制冷的1/3，也就是说，蒸发冷却在因地制宜的同时与西北干燥地区水资源短缺现状相适应。因此，2011年新疆自治区出台相关文件，推荐对公共建筑和工业建筑使用蒸发冷却技术，并且对使用这一技术的项目给与投资额5%的专项财政补贴。

3.3 新风量设计

办公室室内焓值为65.4kJ/kg·干空气，大厅室内焓值为59kJ/kg·干空气，室外空气设计焓值为 55.1kJ/kg·干空气。大多数时间段内，室外低于室内焓值，充分利用这一特点，增大新风量，冷水机组提供的冷量将更少，能耗将更低。新风量增加后，完全可以用新风来承担室内的潜热负荷与部分显热负荷，而风机盘管只需承担室内显热负荷即可。采用全新风冷水机组需要承担的负荷为（55.1-49.5）风量=5.6风量，如果采用全回风则需要冷水机组承担的负荷为（65.4-49.5）风量=15.9风量，可见冷水机组提供的冷量可以减少两倍。本工程采用空气-水蒸发冷却通风空调系统正是全新风，并且新风量12830m3/h是机械制冷新风量1624m3/h的7.9倍之多。由于新风量的增大，机组尺寸也会随之增大，设计时不能选取太大机组。另外本工程设计每层为一个单独的空调系统，各层单独控制，送风管路比较简单，所选用的送风机相对风压需求比较小，风机的耗电功率就比较低，首先从管路的设计上考虑到了节能；如某层不使用时，可以关闭该层的系统，又进一步从运行管理上实现了节能。建议设计时将蒸发冷却设备有机的融合到建筑中去，考虑蒸发冷却技术是否适用不同形式、目的的建筑。

4 结论

本文以乌鲁木齐市某大厦为例介绍了蒸发冷却通风空调系统设计，针对空调方案确定及系统设计过程，描述蒸发冷却通风空调系统的特殊性，采用全空气系统和空气—水系统两种系统，对比设计过程，着重分析系统设计的节能技术措施得到以下结论。

（1）对于蒸发冷却通风空调系统，应注意其室内、外主要设计参数选取的特殊性，在不忽视蒸发冷却技术与室外气象参数密切关系的同时尽可能的利用干空气能，但执行还应遵守相关规范，将发现的问题提出，等待下一步规范修正，更适用于蒸发冷却的室外主要设计参数可以用于理论分析。

（2）蒸发冷却通风空调系统设计难度大于机械制冷系统，两者设计方法上存在诸多不同。本工程针对大厅等人员密度大的大空间采用全空气系统和办公等分区控制的小空间采用的空气—水系统，建议干式风机盘管与蒸发冷却新风机组串联，蒸发冷却空气处理机组与干式风机盘管-蒸发冷却新风机组并联。

（3）本文未对校核性计算做描述，但对于蒸发冷却通风空调系统设计计算后的校核性计算十分重要，避免设计与理论不符、机组设计过大等问题。

（4）乌鲁木齐地区夏季92%时间使用蒸发冷却系统就可满足，过渡季节通风即可除去室内湿负荷，耗水量仅为机械制冷系统的1/3。

（5）全新风运行，在减轻冷水机组负担的同时加大了新风量，随之机组尺寸增大，但应结合建筑物形式及目的选取机组，尺寸不宜过大，结合室外设计参数从整年的节能率考虑，避免造成工程性低等问题。

[1] GB 50736-2012,民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[2] 解振华.公共建筑空调温度控制:26℃节能舒适[EB/OL].http:∥www.chinagb.net/zt/jishu/inspire/news/ 20080424/22501. shtml

[3] ASHRAE. 2009 ASHRAE Handbook-Fundamental[M]. 2009:14.1-14.9

[4] 张鑫,黄翔.蒸发冷却室外设计计算参数的确定方法[J].西安工程大学学报,2014,(4):469-473.

[5] XJJ034-2004,公共建筑节能设计标准-新疆维吾尔自治区实施细则[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[6] 董晓杰.蒸发冷却空调机组耗水量的计算与测试研究[D].西安:西安工程大学,2016.

[7] 黄翔.蒸发冷却通风空调系统设计指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[8] 15K515,蒸发冷却通风空调系统设计与安装[S].北京:中国计划出版社,2016.

[9] 黄翔,孙铁柱,汪超.蒸发冷却空调技术的诠释(1)[J].制冷与空调,2012,12(2):1-6,14.

Design of Evaporative Cooling Ventilation Air Conditioning in a Technology Research and Development Service Center in Urumqi

Li Yixuan1,2Huang Xiang1Wang Xingxing1Chu Junjie1Zhang Xinli2
( 1.Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048; 2.Yangzhou Huayi Communication Equipment Co., Urumqi, 830001)

This paper introduces the design of evaporative cooling ventilation air conditioning system of a technical research and development service center in Urumqi, according to the indoor and outdoor design parameters selection and system design process, describe the particularity of evaporative cooling ventilation and air conditioning system, The use of all-air evaporative cooling ventilation and air conditioning systems and air-water evaporative cooling ventilation and air conditioning systems of the two systems, Energy-saving technical measures of the system design are analyzed emphatically, and the operating mode, water consumption and fresh air volume and mechanical refrigeration systems are compared, designed for the design of evaporative cooling ventilation and air conditioning design advice.

evaporative cooling; air conditioning system; outdoor meteorological parameters;system design; operating mode; water consumption; fresh air volume

TU831

A

1671-6612（2017）01-047-06

西安工程大学创新基金资助项目（CX201615）

李依轩（1992.2-），女，在读研究生，E-mail：minilyx0204@163.com

黄 翔（1962.7-），男，硕士，教授，副校长，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2016-11-20