蒸發冷卻式空調在建筑中的應用

0面向干熱地區的應用由于蒸發冷卻空調的顯著節能效果，越來越多的人關注它，并在中國西北部、北部和中部的干熱地區得到廣泛應用。由于其使用效果極大地受制于濕球溫度,故在濕度較大的南方地區,被較多地用在工廠通風降溫方面,很少有人將其用于公共建筑和住宅建筑中。本文以廣州某3層建筑為例,試圖通過詳細的計算,分析探討在南方地區公共建筑和住宅建筑內采用蒸發冷卻式空調的可行性,以擴大該系統的實際應用范圍。1反射薄膜玻璃該建筑地處廣州,其東西向長60m,南北向長13.8m,總建筑面積2415m2。外墻為200mm厚加氣混凝土,內墻為輕質龍骨結構,外窗為6mm厚熱反射鍍膜玻璃。首層層高4.2m,2層和3層層高均為3.6m。屋面傳熱系數為1.307W/(m2·K),外墻傳熱系數為2.005W/(m2·K),外窗傳熱系數為5.5W/(m2·K)。照明發熱量為11W/m2;人員密度為6m2/人;辦公設備散熱量為20W/m2。該建筑的空調設計要求為全年各計算時刻的室內參數均處于文獻給出的等效空調參數范圍內,即全年各計算時刻室內干球溫度不高于28.0℃,相對濕度不大于80%,空氣流速不大于1.2m/s。2過程溫濕比的確定根據該建筑的基本情況和設計要求,采用DeST模擬軟件計算出的全年逐時冷負荷如圖1所示。計算條件為:夏季空調室外計算逐時溫度以典型氣象年逐時溫度計;房間類型屬中型;全天照明,室內時刻有人。由圖1可以看出,全年最大冷負荷為221.9kW,此時的熱濕比為24358kJ/kg。以送風點相對濕度90%為基準,可計算得到該時刻的送風干球溫度為25.9℃,濕球溫度為24.6℃,露點溫度為24.1℃,空氣密度為1.17kg/m3,系統所需的風量為2.82×105m3/h。3空調系統分區從圖1可以看出,即使在室內溫度不高于28.0℃、相對濕度不大于80%的條件下,廣州地區也幾乎是全年都有冷負荷,空調能耗占建筑能耗的比例很大。蒸發冷卻式空調雖然被公認為是一種節能環保型空調,但由于廣州地區的設計濕球溫度為27.8℃,高于直接蒸發式空調的最高允許濕球溫度24.8℃,因此蒸發冷卻式空調不能直接在廣州地區使用。對于目前在新疆地區應用比較多的三級蒸發冷卻式空調,設其間接蒸發效率為60%,直接蒸發效率為90%,則按照廣州的設計條件,其理論送風含濕量為21.8g/kg,高于室內設計含濕量19.1g/kg,所以也不能直接在廣州地區使用。在廣州地區的空調系統中不能直接采用蒸發冷卻式空調,但能不能間接采用呢?對此,筆者借助室外氣象參數分區圖(見圖2)進行分析。圖2中,建筑全年存在冷負荷的室外氣象數據被分為4個區域。區域1是室外干球溫度不高于25.9℃的區域,室外氣象參數處于該區域的時間為5928h。在該區域內,系統僅通過通風換氣的方式將室內的余熱排除即可保證室內參數處于等效空調參數的范圍內。區域2是露點溫度高于24.1℃的區域,室外氣象參數處于該區域的時間為1548h。在該區域內,系統需除濕,采用傳統的機械式制冷時,需要新風系統。新風可通過兩級間接蒸發的方式進行預冷。區域3是露點溫度不高于24.1℃、濕球溫度高于24.6℃的區域,室外氣象參數處于該區域的時間為347h。在該區域內可采用直接蒸發冷卻和間接蒸發冷卻以及傳統的機械式制冷相組合的冷卻方式。至于兩級蒸發冷卻是否需要全開,是否需要機械式制冷,則需根據計算確定。基本的原則是能用蒸發冷卻達到要求的就無需采用機械式制冷。區域4為干球溫度高于25.9℃、濕球溫度不高于24.6℃的區域,室外氣象參數處于該區域的時間為937h,在該區域內可采用直接蒸發式冷卻。根據上述分析,該建筑的空調系統需采用如圖3所示的直接蒸發冷卻、兩級間接蒸發冷卻和傳統的機械式制冷構成的蒸發冷卻空調集成系統。其中的送風機和機械式制冷系統需要根據室內冷負荷的大小進行變頻控制,以節約能源。系統在區域1內工作時,間接蒸發冷卻段1和間接蒸發冷卻段2的二次風排風系統和供水系統關閉,傳統冷卻段內無冷水,直接蒸發冷卻段供水系統關閉,系統僅有風機運行。系統在區域2內工作時,采用新回風混合式系統。新風通過間接蒸發的方式進行預冷,即此時間接蒸發冷卻段1和間接蒸發冷卻段2的二次風排風系統和供水系統在低負荷下運行。預冷后的新風與回風混合后,再采用機械方式制冷,即傳統冷卻段正常工作,此時,系統中直接蒸發冷卻段供水系統關閉。系統在區域3內工作時,間接蒸發冷卻段1的二次風排風系統和供水系統開啟,直接蒸發冷卻段供水系統開啟,傳統冷卻段是否工作以及間接蒸發冷卻段2的二次風排風系統和供水系統是否開啟,需根據負荷大小由計算確定。系統在區域4內工作時,間接蒸發冷卻段1和間接蒸發冷卻段2的二次風排風系統和供水系統關閉,傳統冷卻段內無冷水,直接蒸發冷卻段供水系統開啟。4空調系統能效系統送風機選用離心式風機,根據最大風量(2.82×105m3/h)功率選為35.3kW。送風機在運行過程中,根據負荷的變化變頻運行。理論上,在部分負荷下,送風機的功率和風量之間為三次冪關系,但考慮到變頻損失和風機效率并不一直為常數等原因,送風機的功率和風量之間采用二次冪關系比較合適。設直接蒸發的效率為90%,間接蒸發的效率為60%。根據上述條件,可計算得區域1內送風機的總耗電量為7070kWh。區域2內,新風量設定為10000m3/h,兩級間接蒸發段二次風排風量均為6000m3/h,功率為300W,總耗電量為929kWh。送風機總耗電量為20153kWh。傳統冷卻段的冷水由蒸氣壓縮式冷水機組提供,設其系統的總能效比為3.5,得其總耗電量為69221kWh。三者合計為90303kWh。區域3內,經計算,采用直接蒸發冷卻段和一級間接蒸發冷卻段后出風溫度超過設計送風溫度0.1～0.3℃的時間僅有3h,故在本區域內無需開啟傳統冷卻段以及間接蒸發冷卻段2的二次風排風系統和供水系統。其送風機的總耗電量為2581kWh。一級間接蒸發段二次風排風機為定速運行,其排風量假設為148968m3/h,功率為7.45kW,總耗電量為2585kWh,兩者合計為5166kWh。區域4內送風機的總耗電量為3071kWh。該系統在4個區域內的總耗電量為106210kWh。當區域2～4內全部采用傳統的蒸氣壓縮式集中空調系統時,若送風溫差按10℃計算,可計算出最大送風量為59280m3/h,離心送風機電功率設為7.4kW,也采用變頻送風,則其總耗電量為7989kWh。新風量仍設定為10000m3/h,但不進行預冷,新風送風機功率假定為1.3kW,則總耗電量為3680kWh。制冷系統耗電量根據每個時刻系統所需的冷負荷除以能效比得出,其值為119674kWh。而根據區域1的最大通風量232486m3/h可單獨選用1臺11.6kW的軸流風機作通風換氣用。運行中,仍采用變頻調節,可計算得其耗電量為3425kWh。這樣,采用傳統空調全年總的耗電量為134768kWh。當該建筑為一空調運行時間為08:00—18:00的辦公建筑或一空調運行時間為18:00—08:00的住宅建筑時,根據上述同樣的方法,可以得到如表1所示的計算結果。由表1可以看出,對于空調全天使用的建筑,采用蒸發冷卻空調集成系統比傳統空調系統節電21.2%,對于辦公建筑將節電29.2%,而住宅建筑將節電11.8%。說明在廣州地區的辦公建筑中使用蒸發冷卻空調集成系統的節能效果最好。5蒸發冷卻空調系統的應用5.1蒸發冷卻式空調集成系統可以在廣州地區用于產生建筑內空氣溫度不超過28.0℃、相對濕度不大于80%的等效空調環境。5.2對于全年存在冷負荷的室外氣象參數,根據蒸發冷卻式空調系統的特點,可將其分為4個可