侯連建

新疆某項(xiàng)目蒸發(fā)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

侯連建

（筑博設(shè)計(jì)股份有限公司 深圳 518040）

蒸發(fā)制冷技術(shù)利用干空氣能，來(lái)制取建筑空調(diào)用高溫冷水，實(shí)現(xiàn)溫濕度獨(dú)立控制，節(jié)能潛力巨大，比傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)能40%～70%左右。以新疆某藝術(shù)中心為例，介紹大空間展廳和藝術(shù)大街暖通空調(diào)設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題，可供同地區(qū)同類型的項(xiàng)目設(shè)計(jì)參考。

蒸發(fā)制冷技術(shù)；干空氣能；大空間暖通空調(diào)設(shè)計(jì)

0 引言

新疆屬于干熱地區(qū)，夏季室外空調(diào)設(shè)計(jì)干球溫度較高，空氣含濕量、濕球溫度和室外空調(diào)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度均較低.烏魯木齊夏季室外焓值為55.8kJ/kg （室外干球溫度33.5℃，濕球溫度18.2℃）[1]，室內(nèi)焓值59.5kJ/kg（設(shè)計(jì)溫度26度，相對(duì)濕度55%）[2]，夏季室外焓值比室內(nèi)設(shè)計(jì)焓值還要低，夏季充分利用室外焓值更低的新鮮空氣，不僅能夠節(jié)能還能使室內(nèi)新鮮空氣充足，提高舒適性。

本文以新疆某藝術(shù)中心項(xiàng)目為例，介紹本項(xiàng)目大空間展廳暖通空調(diào)設(shè)計(jì)，夏季空調(diào)末端采用臥式多級(jí)蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組全新風(fēng)運(yùn)行，充分利用室外焓值低的新鮮空氣。

1 蒸發(fā)制冷技術(shù)原理

蒸發(fā)制冷技術(shù)就是利用干空氣能來(lái)獲得空調(diào)所需制冷量，在不同類型的蒸發(fā)制冷裝置中，利用水和干空氣的熱濕交換獲得低溫的冷風(fēng)或冷水的一種制冷技術(shù)。

2 案例分析

2.1 項(xiàng)目概況

新疆某藝術(shù)中心項(xiàng)目，位于新疆烏魯木齊，設(shè)計(jì)主體包含新疆美術(shù)館、新疆畫院、新疆文化館、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)研究中心。建筑面積78291m2，占地52960.85m2，屬于一類高層，主體3層，局部5層，建筑高度為20.00m，局部因展廳運(yùn)輸、展廳凈高要求及設(shè)備房高度要求抬高，屋面上存在22.00、23.90、25.80、27.00的建筑高度；東側(cè)和西側(cè)展廳之間由單層30m高藝術(shù)大街連接，負(fù)一層為展廳、車庫(kù)和設(shè)備用房，負(fù)二層為美術(shù)館展廳庫(kù)房及附屬用房、車庫(kù)和設(shè)備用房；設(shè)計(jì)主體為新疆藝術(shù)中心，包含美術(shù)館、文化館、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)研究中心、畫院四個(gè)單位及各功能配套業(yè)務(wù)用房。

2.2 冷源設(shè)計(jì)

項(xiàng)目冷源采用干空氣能間接蒸發(fā)冷水機(jī)組.大溫差小流量冷水機(jī)組服務(wù)于臥式多級(jí)蒸發(fā)制冷空氣處理新風(fēng)機(jī)組，供回水溫度分別為16℃/26℃，小溫差大流量冷水機(jī)組服務(wù)于干式風(fēng)機(jī)盤管及地板輻射，供回水溫度分別為16.5℃/21.5℃。

2.3 展廳暖通空調(diào)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目有11個(gè)大型展廳，每個(gè)展廳面積約900m2，展廳室內(nèi)凈高7m，還有一個(gè)20多米高的藝術(shù)大街，藝術(shù)大街室內(nèi)凈面積約3000m2。屬于高大空間，合理的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)能非常有利，展廳和藝術(shù)大街均采用地板輻射供冷/暖＋臥式多級(jí)蒸發(fā)制冷空氣處理新風(fēng)機(jī)組。新風(fēng)機(jī)組用“免費(fèi)供冷”的方式送入大量新風(fēng)，消除室內(nèi)余濕和顯熱負(fù)荷，室內(nèi)空氣品質(zhì)良好。

以3號(hào)展廳暖通設(shè)計(jì)為例，該展廳空調(diào)面積約900m2，室內(nèi)總?cè)藬?shù)300人，室內(nèi)顯熱負(fù)荷Q=60kW，室內(nèi)濕負(fù)荷=38kg/h。

2.3.1 室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)

表1 室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3.2 夏季空調(diào)末端設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用一臺(tái)風(fēng)量20000m3/h的臥式多級(jí)蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組供冷，夏季全新風(fēng)運(yùn)行，室內(nèi)吊頂下凈高按7m，夏季空氣處理過(guò)程如圖1所示。

W—室外空氣狀態(tài)點(diǎn)；N—室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)；P—間接蒸發(fā)制冷段后空氣狀態(tài)點(diǎn)；S—直接蒸發(fā)段后空氣狀態(tài)點(diǎn)；R—機(jī)組直接蒸發(fā)制冷段出風(fēng)參數(shù)能達(dá)到的極限狀態(tài)點(diǎn)；h—等焓線；ε—熱濕比線

2.3.3 夏季處理過(guò)程分析

室外狀態(tài)點(diǎn)W經(jīng)間接蒸發(fā)制冷后變成狀態(tài)點(diǎn)P，此過(guò)程屬于等濕降溫過(guò)程，根據(jù)設(shè)計(jì)指南[5]，機(jī)組的使用地點(diǎn)和型號(hào)確定后，P點(diǎn)出風(fēng)參數(shù)是一個(gè)定值（干球溫度為19.7℃，含濕量為8.1g/kg），由干空氣能間接蒸發(fā)冷水機(jī)組的間蒸發(fā)制冷段處理，再由P點(diǎn)經(jīng)直接蒸發(fā)制冷后到S點(diǎn)，水吸收空氣中的熱量后蒸發(fā)變成水蒸氣，此過(guò)程屬于等焓加濕過(guò)程，由機(jī)組的直接蒸發(fā)制冷段處理，直接蒸發(fā)段效率確定見下，如計(jì)算結(jié)果機(jī)組制冷量不滿足要求再調(diào)整直接蒸發(fā)段效率。

確定空氣處理機(jī)組的直接蒸發(fā)制冷段效率：

依據(jù)設(shè)計(jì)指南[5]，直接蒸發(fā)段制冷效率可以根據(jù)含濕量d和室外含濕量d的大小，按以下原則確定：

（1）如果d-d<1g/kg時(shí)，按=0%確定送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)S；

（2）如果d-d>1g/kg時(shí)，按送風(fēng)溫差d-d=1g/kg確定送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)S和直接蒸發(fā)制冷段效率；

（3）如果d-d>1g/kg時(shí)，并且當(dāng)取90%時(shí)，仍然有d-d>1g/kg時(shí)，按=90%確定送風(fēng)狀態(tài)S；

本案例室內(nèi)含濕量d=12.8g/kg，室外含濕量d=8.58g/kg，可知d-d>1g/kg，且取90%時(shí)，d=10.7g/kg。

d-d=12.8-10.7=2.1g/kg，因此按=90%確定送風(fēng)狀態(tài)S。經(jīng)查焓濕圖得S狀態(tài)點(diǎn)干球溫度為14.3℃，含濕量為10.7g/kg。

確定需要的新風(fēng)量：

（1）滿足除濕要求的最小新風(fēng)量為：/[×(d-d)]=38/[1.05×(12.8-10.7)]×1000=17233m3/h。

（2）滿足衛(wèi)生要求的最小新風(fēng)量為：6000m3/h（按每人20m3/h計(jì)算）。

設(shè)計(jì)選用新風(fēng)量為20000m3/h。

計(jì)算新風(fēng)所能擔(dān)負(fù)的室內(nèi)顯冷負(fù)荷

=G×C××(t-t)/3600

=17233×1.01×1.05×(26-14.3)/3600

=64.1kW

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出來(lái)，新風(fēng)機(jī)組擔(dān)負(fù)的室內(nèi)顯冷負(fù)荷為64.1kW，而房間所需要的顯冷負(fù)荷為61.3kW，新風(fēng)所能夠承擔(dān)的室內(nèi)顯冷負(fù)荷等于建筑所需要的顯冷負(fù)荷，設(shè)計(jì)滿足要求。新風(fēng)機(jī)組選型為20000m3/h，室內(nèi)換氣次數(shù)約=3次/h。

2.4 藝術(shù)大街暖通設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目藝術(shù)大街高度約20m，面積約3000m2，室內(nèi)總?cè)藬?shù)1000人，室內(nèi)顯熱負(fù)荷290.5kW，室內(nèi)濕負(fù)荷120kg/h，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26℃，相對(duì)濕度=55%，室內(nèi)含濕量12.8g/kg。采用地板輻射供冷/暖＋臥式多級(jí)蒸發(fā)制冷空氣處理新風(fēng)機(jī)組，新風(fēng)機(jī)組消除室內(nèi)余濕和部分顯熱負(fù)荷，空調(diào)的顯冷末端—地板輻射供冷在干工況下運(yùn)行，承擔(dān)消除房間和人體熱負(fù)荷的作用，地板輻射供冷供水溫度16.5℃，高于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，不存在盤管表面凝水結(jié)露的問(wèn)題，地板輻射盤管在干工況下運(yùn)行，無(wú)病菌的滋生問(wèn)題，室內(nèi)空氣品質(zhì)良好。

2.4.1 夏季空調(diào)制冷末端設(shè)計(jì)

空氣處理過(guò)程參考展廳空氣處理過(guò)程，P點(diǎn)和S點(diǎn)的參數(shù)確定方法同展廳空氣處理過(guò)程。此處直接蒸發(fā)段效率也按90%考慮。

確定需要的新風(fēng)量：

（1）滿足除濕要求的最小新風(fēng)量為：/[×(d-d)]=120×1000/[1.05×(12.8-10.7)]=54421m3/h

（2）滿足衛(wèi)生要求的最小新風(fēng)量為：20000m3/h（按每人20m3/h計(jì)算）

設(shè)計(jì)選用新風(fēng)量為54421m3/h。

計(jì)算新風(fēng)所能擔(dān)負(fù)的室內(nèi)顯冷負(fù)荷：

=G×C××(t-t)/3600

=54421×1.01×1.05×(26-14.3)/3600

=187.6kW

比較新風(fēng)所能承擔(dān)的室內(nèi)顯冷負(fù)荷與建筑需要的顯冷負(fù)荷：

新風(fēng)所能承擔(dān)的室內(nèi)顯冷負(fù)荷為187.6kW，小于建筑所需要的顯冷負(fù)荷（290.5kW），僅靠新風(fēng)不能滿足排除全部顯熱要求，剩余的室內(nèi)顯冷負(fù)荷由地板輻射盤管承擔(dān)。

確定地板輻射盤管需要承擔(dān)的室內(nèi)顯冷負(fù)荷：

地板輻射盤管需要承擔(dān)的室內(nèi)顯冷量為：290.5-187.6=102.9kW

地板輻射盤管單位面積制冷量約為23.1W/m2[5]，此結(jié)果來(lái)源于ASHRAE Handbook 2000中提供的計(jì)算公式，并用ASHRAE Transactions 103(1)42-48頁(yè)的文章中，關(guān)于管間距冷量修正系數(shù)進(jìn)行修正后的結(jié)果（表中計(jì)算條件為：室內(nèi)空氣溫度26℃；管道間距為200mm；平均水溫為19℃）[6]。

地板輻射盤管承擔(dān)總顯冷負(fù)荷為23.1×3000/1000=69.3kW，小于102.9kW，因此需要加大新風(fēng)量以減少地板輻射盤管，因?yàn)榭諝馓幚頇C(jī)組直接蒸發(fā)制冷段效率已經(jīng)達(dá)到了90%，不宜再加大，這時(shí)，只能適當(dāng)放松濕度控制，直接加大風(fēng)量，為此，將新風(fēng)量加大到65000m3/h，這時(shí)，新風(fēng)能夠承擔(dān)室內(nèi)顯冷量224W，因此，需要地板輻射盤管承擔(dān)290.5-224=66.5kW。設(shè)計(jì)選用2臺(tái)20000m3/h和1臺(tái)風(fēng)量25000m3/h的臥式多級(jí)蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組，總風(fēng)量65000m3/h。

2.4.2 藝術(shù)大街分層空調(diào)技術(shù)

藝術(shù)大街采用分層空調(diào)技術(shù)形式[6]，由于藝術(shù)大街頂部設(shè)置了天窗，夏季頂部聚集很多熱氣，在上部非空調(diào)區(qū)設(shè)置排風(fēng)將熱氣排出去，以改善室內(nèi)環(huán)境，如圖2所示。

圖2 藝術(shù)大街分層空調(diào)技術(shù)示意圖

3 節(jié)能分析

（1）采用干空氣能間接蒸發(fā)冷水機(jī)組只有水泵和風(fēng)機(jī)的電量，而常規(guī)水冷式冷水機(jī)組電量包括：冷水機(jī)組壓縮機(jī)、冷凍水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)電量、冷卻水泵，因此冷水機(jī)組能夠大幅度地節(jié)省運(yùn)行能耗和費(fèi)用。

（2）臥式多級(jí)蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組比常規(guī)空調(diào)機(jī)組多一個(gè)直接蒸發(fā)制冷段，需要設(shè)置水泵，然而此水泵的用電量很小，以風(fēng)量為20000m3/h的臥式多級(jí)蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組為例，直接蒸發(fā)制冷段水泵功率0.55kW，相比制冷主機(jī)的用電量，占很少一部分，考慮主機(jī)節(jié)約的電量，綜合節(jié)能達(dá)40%～70%左右，以3號(hào)展廳計(jì)算為例，在同樣的房間冷負(fù)荷和濕負(fù)荷情況下，房間達(dá)到設(shè)計(jì)溫、濕度，選用空調(diào)設(shè)備，分別對(duì)兩種空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能計(jì)算，相對(duì)傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)能約40%，不同規(guī)模、不同類型建筑節(jié)能數(shù)值會(huì)存在差異。

表2 兩種空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能計(jì)算

（3）本項(xiàng)目設(shè)計(jì)臥式多級(jí)蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組+地板輻射盤管系統(tǒng)，新風(fēng)機(jī)組風(fēng)量按消除室內(nèi)散濕量選型，此時(shí)新風(fēng)機(jī)組能夠負(fù)擔(dān)室內(nèi)大部分或者全部顯熱負(fù)荷，剩下的室內(nèi)顯熱負(fù)荷由地板輻射盤管承擔(dān)，充分利用室外焓值比室內(nèi)焓值低的新鮮空氣[5]，不僅能夠節(jié)能還能使室內(nèi)新鮮空氣充足，提高舒適性。

（4）藝術(shù)大街層高約20m，采用分層空調(diào)技術(shù)，將空間分層上、下2個(gè)區(qū)域，上部屬于非空調(diào)區(qū)，設(shè)置排風(fēng)，下部屬于空調(diào)區(qū)，縮小空調(diào)區(qū)的高度范圍，有利于建筑的節(jié)能。

（5）臥式多級(jí)蒸發(fā)制冷空氣處理機(jī)組采用變頻控制，當(dāng)室內(nèi)冷負(fù)荷減少時(shí)，風(fēng)機(jī)通過(guò)變頻減少送風(fēng)量以滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)，風(fēng)機(jī)采用變頻能夠適當(dāng)降低運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)能夠根據(jù)室內(nèi)冷負(fù)荷變化來(lái)調(diào)整供冷量。

4 結(jié)論

西北等地區(qū)擁有豐富的干空氣能，采用干空氣能間接蒸發(fā)冷水機(jī)組能夠獲得顯著的節(jié)能效果，本文能夠起到一定的借鑒作用；可以參考干空氣能間接蒸發(fā)冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南，該指南由新疆綠色使者空氣環(huán)境技術(shù)有限公司編寫。

設(shè)計(jì)過(guò)程中有以下問(wèn)題需要注意：在設(shè)計(jì)選用干空氣能間接蒸發(fā)冷水機(jī)組時(shí)，不能采用傳統(tǒng)冷水機(jī)組的選型方法，直接根據(jù)建筑用戶的總冷負(fù)荷選擇冷水機(jī)組型號(hào)，而要根據(jù)所需要的冷水流量來(lái)選型[5]；在大氣壓力較低的地區(qū)空氣密度也較低，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮大氣壓對(duì)空氣密度的影響，空氣密度會(huì)影響空氣處理過(guò)程計(jì)算結(jié)果還會(huì)影響風(fēng)機(jī)壓頭，如果設(shè)計(jì)沒有考慮空氣密度的影響可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際風(fēng)機(jī)壓頭不滿足設(shè)計(jì)要求；室內(nèi)干式風(fēng)機(jī)盤管和地板輻射盤管系統(tǒng)空調(diào)水溫要采用高溫冷源防止室內(nèi)結(jié)露。

[1] GB 50736-2012,民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

[2] GB 51251-2015,公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2015.

[3] 全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施-暖通空調(diào)·動(dòng)力(2009版)[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2009.

[4] JGJ 218-2010,展覽建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

[5] 干空氣能間接蒸發(fā)冷水機(jī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南[R].新疆:新疆綠色使者空氣環(huán)境技術(shù)有限公司,2015:3-27.

[6] ASHRAE Handbook 2000[M].

[7] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

[8] JGJ142-2012,輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

[9] 劉曉華,江億.溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

[10] 江億,謝曉云,于向陽(yáng).間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)-中國(guó)西北地區(qū)可再生干空氣資源的高效應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2009,39(9): 1-4.

Evaporative Refrigeration System Design and Analysis of Project in Xinjiang

Hou Lianjian

( ZHUBO Design Group Co., Ltd, Shenzhen, 518040 )

Evaporative refrigeration technology use Dry air energy. To preparation Building air conditioning high temperature water, Realizing Independent Control of Temperature and Humidity Great potential for energy conservation40%～70% energy saving compared with traditional air conditioning Taking an Art Center in Xinjiang as an example This paper introduces the HVAC design of large space exhibition hall and Art Street as well as the problems needing attention in the design process. The same type of project design in the same area can be referred to in this paper.

Vaporative refrigeration technology; Dry air energy; HVAC Design for Large Space

1671-6612（2020）06-727-04

TU831

B

侯連建（1986.10-），男，本科，工程師，主要從事暖通空調(diào)工程設(shè)計(jì)，E-mail：472873913@qq.com

2020-03-10