温湿度独立控制+蒸发冷却技术在西宁某办公建筑的应用分析

武佳琛

温湿度独立控制+蒸发冷却技术在西宁某办公建筑的应用分析

武佳琛

（澳希工程顾问（上海）有限公司 上海 200063）

以西宁某高层办公建筑为对象，基于风机盘管+新风系统的空调形式，结合当地气候特点，寻求该楼夏季空调的较优方案，探索温湿度独立控制和蒸发冷却技术在其中的应用，并对各方案进行技术经济对比分析。经分析，对新风采用间接+直接蒸发冷却处理并结合加大新风量的方案是较优的方案，其综合机电成本最优，且运行费用较常规方案节省约25%，这对具有相似气候特点的空调系统设计具有一定借鉴意义。

办公建筑；风机盘管；新风除湿；温湿度独立控制；蒸发冷却；经济性

0 引言

随着我国东西部的协同发展，西部重要城市的办公写字楼需求逐年增加，越来越多的高层乃至超高层建筑在城市中出现，并成为城市地标。我国西北五省，气候干燥，夏季干热，湿球温度低，运用蒸发冷却技术有显著的技术优势和节能潜力[1-3]；得益于其布置灵活、控制方便和成本节省等优势，风机盘管是目前办公建筑中应用较为广泛的空调末端[4,5]；但基于风机盘管末端的办公建筑蒸发冷却技术应用研究相对较少[6]，温湿度独立控制系统在西北地区的应用也较为缺乏[7]。本文依托西宁某高层办公建筑的设计，探究温湿度独立控制和蒸发冷却技术在其中的应用，对其夏季空调方案及冷源形式进行技术经济分析，以确定较优方案，进而希望对具有相似气候特点的空调设计起到一定参考意义。

1 概况

1.1 建筑概况

该办公地上建筑面积约8万m2，建筑高度约120m。根据项目定位和实际条件等因素，确定该办公楼空调热源采用市政热力，空调水系统采用两管制，办公区域采用“风机盘管+新风”的空调末端形式。

1.2 当地能源价格

根据当地政府发布数据，西宁商业电价按1.2元/kWh计，自来水价格按3.65元/m3计。

2 设计参数

2.1 办公区域室内设计参数

办公区域夏季室内设计参数如表1所示。

表1 办公区域夏季室内设计参数

2.2 西宁室外气象参数

西宁的夏季空调室外设计参数如表2[8]所示。

表2 西宁夏季空调室外设计参数

图1 西宁夏季办公空调运行时段室外干湿球温度变化曲线

由表2，并结合图1[9]，西宁夏季室外的干湿球温度整体较低，室外空气含湿量明显低于室内空气含湿量，这使得室外新风具备了“天然”的除湿能力，并为蒸发冷却技术提供了应用潜力。

3 空调负荷统计

3.1 建筑负荷统计

利用华电源负荷计算软件对空调负荷进行详细计算，在设计工况下，整个办公区域的全热冷负荷约为3970kW，显热冷负荷约为4179kW，室外新风的低湿低焓贡献了“负值”的新风潜热，从而使得建筑全热负荷低于显热负荷。

3.2 基准房间负荷统计

为便于对各空调比选方案分析，现设定一个120m2的基准办公房间，依第2节室内设计参数和室外设计参数计算其空调负荷，该房间的负荷统计列于表3。

表3 基准房间负荷统计表

注：房间最小新风量2.2节确定的按30m3/h·P新风标准计算。

综合考虑设备布置条件、送风气流组织和房间噪声（≤45dB（A））等要求，对该基准办公房间进行风机盘管末端的配置，选取4台8号风机盘管（三排管）作为基准房间的室内末端，配置风机盘管的台数、型号和盘管排数均是常规范围内的较大值，保证了充足的末端换热面积。该风机盘管配置的制热能力亦满足房间冬季热负荷需求，后文将在此风机盘管选型的基础上，确定各空调方案的空调冷水供回水温度。

4 新风除湿可行性分析

针对由室外新风承担房间全部湿负荷的可行性，本小节将对该问题进行具体分析计算：即能够满足房间湿负荷的“除湿”新风需要多少。根据房间湿量守恒，计算承担房间湿负荷的新风量[9]：

式中，为新风量，m3/h；为室内湿负荷，g/h；d为室内空气含湿量，g/kg干空气；d为室外空气含湿量，g/kg干空气；为空气密度，kg/m3，西宁地区取0.92；

按上式计算可得，在设计工况下满足房间除湿要求的新风量为393.2m3/h，小于房间的最小新风量450m3/h，即在最小新风标准条件下，房间新风量足够承担房间的全部湿负荷。按照以上关系式反推最小新风标准下，满足室内设计湿度要求的室外最大允许含湿量约为12g/kg干空气。根据西宁夏季室外空气含湿量的变化，整个夏季中含湿量超过12g/kg干空气且干球温度超过22℃的小时数不足50小时，即在夏季空调的运行时间内，室外新风可以满足室内湿负荷的处理需求，利用室外新风对室内进行除湿具有可行性。

5 空调比选方案

设定基准方案A，即采用常规的电制冷冷水机组作为空调冷源，供给风机盘管和新风空调机组冷水，空调冷水供回水温度为7/12℃。按上小节的分析，房间湿负荷全部由新风承担具备可行性，基于此，再提出方案B和方案C，各方案的主要特点及空调冷源形式如表4，理论上风机盘管的冷源也可采用间接蒸发冷水机组，但按设计工况，该设计不能满足室内的负荷需求，故不将其纳入比选方案，此处不再赘述。

表4 各比选方案汇总对比表

以下对方案B和方案C进行阐述。

5.1 比选方案B：新风免费除湿

方案B空调新风按最小新风标准，即30m3/h·P，室外新风不进行冷却处理，只进行必要的空气净化后送入室内，按上小节分析，该状态下的新风可以承担室内的全部湿负荷；房间全部的显热负荷由室内的风机盘管承担，风机盘管的冷水由冷水机组提供。这实际形成一套温湿度独立控制的空调系统，将房间热湿的处理过程解耦后，风机盘管不处理房间湿负荷，其供回水温度可进行一定提升，从而使空调冷源的运行能效得到提升。

应当注意，直接送入室内的新风在满足室内湿负荷处理需求的同时，也将新风的显热负荷带入了室内，这部分的显热负荷和室内的显热负荷由室内的风机盘管一并承担。按下式（2）计算新风带入室内的显热负荷：

式中，1为新风显热负荷，kW；C为空气定压比热容，J/(kg·℃)，取1.01；T为室外设计干球温度，取26.5℃；T为室内设计干球温度，取25℃；

按设定基准房间，计算得新风所带入室内的显热负荷约为0.17kW，房间的总显热负荷为9.6+0.17=9.8kW。图2为8号风机盘管显热处理能力随冷水供水温度变化（供回水温差均为5℃）的变化曲线[10]，当冷水供回水温度为7/12℃时，单台风机盘管的显热处理能力约为6.1kW，相较于房间显热负荷，该末端处理制冷能力显然“富富有余”；按基准房间9.8kW的总显热负荷，并考虑合适的安全系数，在本方案中选取的冷水机组供回水温度为11/16℃。

图2 8号风机盘管（三排管）显热处理能力随冷水供水温度变化

5.2 比选方案C：对新风进行两级蒸发冷却处理

在方案B中，房间显热负荷均由风机盘管承担，为进一步利用室外干燥空气的节能潜力，方案C引入蒸发冷却技术，由外冷型两级蒸发冷却空气处理机组对新风进行处理，仍由新风承担室内的全部湿负荷，处理过的新风同时也将承担一部分房间的显热负荷，室内其余的显热负荷由风机盘管承担，风机盘管的冷水由冷水机组提供。外冷型两级蒸发冷却空气处理机组的示意图如图3所示，进入机组室外新风先经过间接蒸发冷却段的冷却处理，该段的冷水由间接蒸发冷水机组提供，再经过一段直接蒸发冷却段，将新风处理至送风状态点。

图3 外冷型两级蒸发冷却空气处理示意图

间接蒸发冷水机组的原理示意图如图4所示。

图4 间接蒸发冷水机组示意图

方案C中新风的空气处理过程如图5所示：即室外新风先经过表冷段的等湿冷却，处理到W1点，再经过直接蒸发冷却段，将空气处理到送风状态点O，直接蒸发冷却是近似的等焓加湿降温的过程。送风状态点O为不低于室内的露点温度要求（16.7℃）和1.5℃的风机温升的设计结果，空气相对湿度按95%。

图5 方案C中新风处理过程

各处理状态点的参数如表5所示。

表5 方案C中新风处理各状态点参数

经过直接蒸发冷却段的空气处理过程，新风的送风温度进一步的降低，对处理室内的显热负荷有利，但新风增加的含湿量降低了新风的除湿能力。因此，为满足房间全部湿负荷的要求，需加大房间的新风送入量；按公式（1）的湿量守恒原理，计算可得基准房间的新风量约为760m3/h，相当于房间的人均新风标准提升至50m3/P。考虑方案的可操作性，方案C的新风量取最小新风量的2倍，即人均新风标准按60m3/P，这样可利用双速风机实现新风空气处理机组冬夏工况的切换。

增大新风量会增加额外的新风输送能耗，但新风的显热处理能力会进一步增强，按下式（3）计算可得，本方案下基准房间的新风能够承担的房间显热负荷约为1.92kW。这样，室内风机盘管所承担的显热负荷得到一定程度的削减，按基准房间，室内风机盘管承担的显热负荷约为7.9kW，选取经济合理的冷水机组供回水温度为13/18℃。

式中，2为新风承担的室内显热负荷，kW；T为室内设计干球温度，取25℃；T为新风送风温度，取15.2℃。

6 各方案经济性对比

对各比选方案A、B和C的进行综合经济性对比分析，确定其中较优方案。

6.1 主要设备配置及初投资估算

按照设计总负荷，对方案A、B和C，空调冷源的主要设备进行选型，并估算其设备初投资费用，结果如表6和表7所示。

表6 方案A&B空调冷源主要设备选型及初投资费用

表7 方案C空调冷源主要设备选型及初投资费用

6.2 运行费用估算

空调系统全年或季节能耗的计算，有度日法、当量满负荷运行时间法、负荷频率法等[12]，其中负荷频率法简称BIN法，该方法计算不同负荷下的能耗，并根据负荷频率数，累加可得全年或季节的总能耗。运用负荷频率法估算各夏季空调方案的运行费用，结果如表8、表9和表10所示。

表8 方案A空调冷源运行费用

表9 方案B空调冷源运行费用

表10 方案C空调冷源运行费用

在方案C中加大新风量运行，新风进行间接蒸发冷却+直接蒸发冷却的空气处理，新风能够承担的室内总显热负荷约为930kW，占室内总显热负荷的23%。保守认为：当室内显热负荷≤设计工况的23%时，仅开启空调新风及其相关的间接蒸发冷水机组和直接蒸发冷却段（不需开启冷水机组）即可满足负荷需求；当室内显热负荷>设计工况的23%时，需开启相应冷水机组系统，承担其余的室内显热负荷。

6.3 各方案经济性对比

汇总各方案的经济性计算结果如表11所示。

表11 各方案经济性汇总结果

7 结论

综合以上分析，可得结论如下：

（1）西宁地区的室外新风本身已具备了相当的除湿能力，按30m3/h·P的新风标准，室外新风可承担室内的全部湿负荷，不需再考虑其它除湿手段；方案B采用温湿度独立控制的空调方案，由室外新风直接承担房间的湿负荷，由风机盘管承担房间全部的显热负荷；该方案较好的匹配了西宁地区的气候特点，其夏季空调的运行费用较方案A节省约12%。

（2）方案C的空调方案进一步利用蒸发冷却技术，由间接蒸发冷水机组+两级蒸发冷却空气处理机组对空调新风进行处理，承担房间全部的湿负荷和约20%的显热负荷，由风机盘管承担其余的显热负荷；该方案在夏季相当的时间段内，不需要开启电制冷冷水机组就可以满足房间的制冷需求；方案C主要设备初投资较方案A和方案B节省约2%，夏季空调运行费用较方案A节省约25%，较方案B节省约13%。

（3）方案C同时还降低了冷水机组的容量，其用电功率需求最低，可间接降低变压器容量，其综合机电成本最优；此外，在方案C中，房间的新风量倍增，提高了室内的空气品质和舒适度，对办公档次的提升也大有裨益；虽然增大空调新风量会对建筑核心筒的管井面积及避难层机房的面积产生一定影响，但本案均可处理解决，最终选用方案C作为其夏季空调方式。

（4）“风机盘管+新风”是办公建筑中广泛应用的末端空调形式，本文推荐的空调方案对于其它类似气候地区具有一定的参考意义。空调系统的设计需要密切结合当地的气候环境特点，因地制宜“订制”的空调系统往往能事半功倍，实现舒适性和经济性的兼而有之。

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Application Analysis of Independent Temperature-humidity Control and Evaporative Cooling in an Office Building in Xining

Wu JIiachen

( LC-MEP Consultant, Shanghai, 200063 )

This article takes a high-rise office building in Xining as an object, the air conditioning terminal unit is FCU+PAU. Combining the characteristics of the local climate, the independent temperature & humidity control and evaporative cooling technology is applicated; Depending on the economic analysis, a better plan of air conditioning scheme is obtained. After comparison, the plan which uses the indirect + direct evaporative cooling treatment for fresh air increasing fresh air volume is a better plan. In the plan, the overall mechanical and electrical cost is the best, and the operating cost is about 25% less than the conventional plan. This research result can be used for reference by other buildings in the similar climate region.

office building; fan coil unit; fresh-air-dehumidification; independent temperature and humidity control; evaporative cooling; economic analysis

1671-6612（2021）03-412-07

TU831

A

武佳琛（1987.10-），男，硕士，工程师，E-mail：pslwty@163.com

2021-01-14