蒸發(fā)冷卻式空調(diào)在建筑中的應(yīng)用

蒸發(fā)冷卻式空調(diào)在建筑中的應(yīng)用

0面向干熱地區(qū)的應(yīng)用由于蒸發(fā)冷卻空調(diào)的顯著節(jié)能效果，越來(lái)越多的人關(guān)注它，并在中國(guó)西北部、北部和中部的干熱地區(qū)得到廣泛應(yīng)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(qū),被較多地用在工廠通風(fēng)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(guò)詳細(xì)的計(jì)算,分析探討在南方地區(qū)公共建筑和住宅建筑內(nèi)采用蒸發(fā)冷卻式空調(diào)的可行性,以擴(kuò)大該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用范圍。1反射薄膜玻璃該建筑地處廣州,其東西向長(zhǎng)60m,南北向長(zhǎng)13.8m,總建筑面積2415m2。外墻為200mm厚加氣混凝土,內(nèi)墻為輕質(zhì)龍骨結(jié)構(gòu),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?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.307W/(m2·K),外墻傳熱系數(shù)為2.005W/(m2·K),外窗傳熱系數(shù)為5.5W/(m2·K)。照明發(fā)熱量為11W/m2;人員密度為6m2/人;辦公設(shè)備散熱量為20W/m2。該建筑的空調(diào)設(shè)計(jì)要求為全年各計(jì)算時(shí)刻的室內(nèi)參數(shù)均處于文獻(xiàn)給出的等效空調(diào)參數(shù)范圍內(nèi),即全年各計(jì)算時(shí)刻室內(nèi)干球溫度不高于28.0℃,相對(duì)濕度不大于80%,空氣流速不大于1.2m/s。2過(guò)程溫濕比的確定根據(jù)該建筑的基本情況和設(shè)計(jì)要求,采用DeST模擬軟件計(jì)算出的全年逐時(shí)冷負(fù)荷如圖1所示。計(jì)算條件為:夏季空調(diào)室外計(jì)算逐時(shí)溫度以典型氣象年逐時(shí)溫度計(jì);房間類型屬中型;全天照明,室內(nèi)時(shí)刻有人。由圖1可以看出,全年最大冷負(fù)荷為221.9kW,此時(shí)的熱濕比為24358kJ/kg。以送風(fēng)點(diǎn)相對(duì)濕度90%為基準(zhǔn),可計(jì)算得到該時(shí)刻的送風(fēng)干球溫度為25.9℃,濕球溫度為24.6℃,露點(diǎn)溫度為24.1℃,空氣密度為1.17kg/m3,系統(tǒng)所需的風(fēng)量為2.82×105m3/h。3空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)從圖1可以看出,即使在室內(nèi)溫度不高于28.0℃、相對(duì)濕度不大于80%的條件下,廣州地區(qū)也幾乎是全年都有冷負(fù)荷,空調(diào)能耗占建筑能耗的比例很大。蒸發(fā)冷卻式空調(diào)雖然被公認(rèn)為是一種節(jié)能環(huán)保型空調(diào),但由于廣州地區(qū)的設(shè)計(jì)濕球溫度為27.8℃,高于直接蒸發(fā)式空調(diào)的最高允許濕球溫度24.8℃,因此蒸發(fā)冷卻式空調(diào)不能直接在廣州地區(qū)使用。對(duì)于目前在新疆地區(qū)應(yīng)用比較多的三級(jí)蒸發(fā)冷卻式空調(diào),設(shè)其間接蒸發(fā)效率為60%,直接蒸發(fā)效率為90%,則按照廣州的設(shè)計(jì)條件,其理論送風(fēng)含濕量為21.8g/kg,高于室內(nèi)設(shè)計(jì)含濕量19.1g/kg,所以也不能直接在廣州地區(qū)使用。在廣州地區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)中不能直接采用蒸發(fā)冷卻式空調(diào),但能不能間接采用呢?對(duì)此,筆者借助室外氣象參數(shù)分區(qū)圖(見(jiàn)圖2)進(jìn)行分析。圖2中,建筑全年存在冷負(fù)荷的室外氣象數(shù)據(jù)被分為4個(gè)區(qū)域。區(qū)域1是室外干球溫度不高于25.9℃的區(qū)域,室外氣象參數(shù)處于該區(qū)域的時(shí)間為5928h。在該區(qū)域內(nèi),系統(tǒng)僅通過(guò)通風(fēng)換氣的方式將室內(nèi)的余熱排除即可保證室內(nèi)參數(shù)處于等效空調(diào)參數(shù)的范圍內(nèi)。區(qū)域2是露點(diǎn)溫度高于24.1℃的區(qū)域,室外氣象參數(shù)處于該區(qū)域的時(shí)間為1548h。在該區(qū)域內(nèi),系統(tǒng)需除濕,采用傳統(tǒng)的機(jī)械式制冷時(shí),需要新風(fēng)系統(tǒng)。新風(fēng)可通過(guò)兩級(jí)間接蒸發(fā)的方式進(jìn)行預(yù)冷。區(qū)域3是露點(diǎn)溫度不高于24.1℃、濕球溫度高于24.6℃的區(qū)域,室外氣象參數(shù)處于該區(qū)域的時(shí)間為347h。在該區(qū)域內(nèi)可采用直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻以及傳統(tǒng)的機(jī)械式制冷相組合的冷卻方式。至于兩級(jí)蒸發(fā)冷卻是否需要全開(kāi),是否需要機(jī)械式制冷,則需根據(jù)計(jì)算確定?；镜脑瓌t是能用蒸發(fā)冷卻達(dá)到要求的就無(wú)需采用機(jī)械式制冷。區(qū)域4為干球溫度高于25.9℃、濕球溫度不高于24.6℃的區(qū)域,室外氣象參數(shù)處于該區(qū)域的時(shí)間為937h,在該區(qū)域內(nèi)可采用直接蒸發(fā)式冷卻。根據(jù)上述分析,該建筑的空調(diào)系統(tǒng)需采用如圖3所示的直接蒸發(fā)冷卻、兩級(jí)間接蒸發(fā)冷卻和傳統(tǒng)的機(jī)械式制冷構(gòu)成的蒸發(fā)冷卻空調(diào)集成系統(tǒng)。其中的送風(fēng)機(jī)和機(jī)械式制冷系統(tǒng)需要根據(jù)室內(nèi)冷負(fù)荷的大小進(jìn)行變頻控制,以節(jié)約能源。系統(tǒng)在區(qū)域1內(nèi)工作時(shí),間接蒸發(fā)冷卻段1和間接蒸發(fā)冷卻段2的二次風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)和供水系統(tǒng)關(guān)閉,傳統(tǒng)冷卻段內(nèi)無(wú)冷水,直接蒸發(fā)冷卻段供水系統(tǒng)關(guān)閉,系統(tǒng)僅有風(fēng)機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)在區(qū)域2內(nèi)工作時(shí),采用新回風(fēng)混合式系統(tǒng)。新風(fēng)通過(guò)間接蒸發(fā)的方式進(jìn)行預(yù)冷,即此時(shí)間接蒸發(fā)冷卻段1和間接蒸發(fā)冷卻段2的二次風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)和供水系統(tǒng)在低負(fù)荷下運(yùn)行。預(yù)冷后的新風(fēng)與回風(fēng)混合后,再采用機(jī)械方式制冷,即傳統(tǒng)冷卻段正常工作,此時(shí),系統(tǒng)中直接蒸發(fā)冷卻段供水系統(tǒng)關(guān)閉。系統(tǒng)在區(qū)域3內(nèi)工作時(shí),間接蒸發(fā)冷卻段1的二次風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)和供水系統(tǒng)開(kāi)啟,直接蒸發(fā)冷卻段供水系統(tǒng)開(kāi)啟,傳統(tǒng)冷卻段是否工作以及間接蒸發(fā)冷卻段2的二次風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)和供水系統(tǒng)是否開(kāi)啟,需根據(jù)負(fù)荷大小由計(jì)算確定。系統(tǒng)在區(qū)域4內(nèi)工作時(shí),間接蒸發(fā)冷卻段1和間接蒸發(fā)冷卻段2的二次風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)和供水系統(tǒng)關(guān)閉,傳統(tǒng)冷卻段內(nèi)無(wú)冷水,直接蒸發(fā)冷卻段供水系統(tǒng)開(kāi)啟。4空調(diào)系統(tǒng)能效系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)選用離心式風(fēng)機(jī),根據(jù)最大風(fēng)量(2.82×105m3/h)功率選為35.3kW。送風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,根據(jù)負(fù)荷的變化變頻運(yùn)行。理論上,在部分負(fù)荷下,送風(fēng)機(jī)的功率和風(fēng)量之間為三次冪關(guān)系,但考慮到變頻損失和風(fēng)機(jī)效率并不一直為常數(shù)等原因,送風(fēng)機(jī)的功率和風(fēng)量之間采用二次冪關(guān)系比較合適。設(shè)直接蒸發(fā)的效率為90%,間接蒸發(fā)的效率為60%。根據(jù)上述條件,可計(jì)算得區(qū)域1內(nèi)送風(fēng)機(jī)的總耗電量為7070kWh。區(qū)域2內(nèi),新風(fēng)量設(shè)定為10000m3/h,兩級(jí)間接蒸發(fā)段二次風(fēng)排風(fēng)量均為6000m3/h,功率為300W,總耗電量為929kWh。送風(fēng)機(jī)總耗電量為20153kWh。傳統(tǒng)冷卻段的冷水由蒸氣壓縮式冷水機(jī)組提供,設(shè)其系統(tǒng)的總能效比為3.5,得其總耗電量為69221kWh。三者合計(jì)為90303kWh。區(qū)域3內(nèi),經(jīng)計(jì)算,采用直接蒸發(fā)冷卻段和一級(jí)間接蒸發(fā)冷卻段后出風(fēng)溫度超過(guò)設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度0.1～0.3℃的時(shí)間僅有3h,故在本區(qū)域內(nèi)無(wú)需開(kāi)啟傳統(tǒng)冷卻段以及間接蒸發(fā)冷卻段2的二次風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)和供水系統(tǒng)。其送風(fēng)機(jī)的總耗電量為2581kWh。一級(jí)間接蒸發(fā)段二次風(fēng)排風(fēng)機(jī)為定速運(yùn)行,其排風(fēng)量假設(shè)為148968m3/h,功率為7.45kW,總耗電量為2585kWh,兩者合計(jì)為5166kWh。區(qū)域4內(nèi)送風(fēng)機(jī)的總耗電量為3071kWh。該系統(tǒng)在4個(gè)區(qū)域內(nèi)的總耗電量為106210kWh。當(dāng)區(qū)域2～4內(nèi)全部采用傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式集中空調(diào)系統(tǒng)時(shí),若送風(fēng)溫差按10℃計(jì)算,可計(jì)算出最大送風(fēng)量為59280m3/h,離心送風(fēng)機(jī)電功率設(shè)為7.4kW,也采用變頻送風(fēng),則其總耗電量為7989kWh。新風(fēng)量仍設(shè)定為10000m3/h,但不進(jìn)行預(yù)冷,新風(fēng)送風(fēng)機(jī)功率假定為1.3kW,則總耗電量為3680kWh。制冷系統(tǒng)耗電量根據(jù)每個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)所需的冷負(fù)荷除以能效比得出,其值為119674kWh。而根據(jù)區(qū)域1的最大通風(fēng)量232486m3/h可單獨(dú)選用1臺(tái)11.6kW的軸流風(fēng)機(jī)作通風(fēng)換氣用。運(yùn)行中,仍采用變頻調(diào)節(jié),可計(jì)算得其耗電量為3425kWh。這樣,采用傳統(tǒng)空調(diào)全年總的耗電量為134768kWh。當(dāng)該建筑為一空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為08:00—18:00的辦公建筑或一空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為18:00—08:00的住宅建筑時(shí),根據(jù)上述同樣的方法,可以得到如表1所示的計(jì)算結(jié)果。由表1可以看出,對(duì)于空調(diào)全天使用的建筑,采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)集成系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電21.2%,對(duì)于辦公建筑將節(jié)電29.2%,而住宅建筑將節(jié)電11.8%。說(shuō)明在廣州地區(qū)的辦公建筑中使用蒸發(fā)冷卻空調(diào)集成系統(tǒng)的節(jié)能效果最好。5蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用5.1蒸發(fā)冷卻式空調(diào)集成系統(tǒng)可以在廣州地區(qū)用于產(chǎn)生建筑內(nèi)空氣溫度不超過(guò)28.0℃、相對(duì)濕度不大于80%的等效空調(diào)環(huán)境。5.2對(duì)于全年存在冷負(fù)荷的室外氣象參數(shù),根據(jù)蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn),可將其分為4個(gè)可