间接蒸发冷水机组系统方案比选探讨

汤小丹

1.引言

随着国家经济持续发展，中西部地区建设飞速进行，这些区域有着特有的气候及地理环境，其特点是地处干旱半干旱地区，室外空气含湿量极低，常规空气处理过程在这些地区不仅不适用，其中夏季除湿过程还会造成大量的能源浪费。蒸发式制冷技术非常适合当地气候特征，被列入中西部部分地区的地标节能规范，是以可持续发展做为现代化建设战略，经多年试运行，再研发后得出的利用可再生能源满足建筑舒适性要求的空调系统。

蒸发式制冷系统是在干旱地区，利用干燥空气的不饱和性，通过水的蒸发产生冷量作为冷源，并利用干燥新风直接排除室内湿负荷的空调系统。蒸发式空调系统在研发过程中历经种种优化至今，发展出多种系统，目前，间接蒸发式冷水机组由于受建筑类型和空间条件制约少，与常规空调末端系统能够较好的结合，是应用较为广泛且成熟的冷源系统。

间接蒸发式冷水机组是以干燥的室外空气蒸发带走热量作为获取低温的手段，制取空调冷水，由于干热气候区湿球温度低，制取的冷水温度较中湿度地区更低，间接蒸发后可接近于空气露点温度，直接供给空调水系统，但是水温高于常规机械制冷7℃/12℃的空调供回水温度，非常适合干热气候区不需要除湿，只需要降温的空气处理需求。

2.适用地区特殊性：

根据我国不同地区的室外气象条件，按湿度划分为多个区域，按照《蒸发式冷气机》GB/T25860-2010中，将我国按照湿度划分为多个区域，分为高湿度地区、中等湿度地区、干燥地区，湿球温度小于23℃为干燥地区典型城市如：拉萨、西宁、乌鲁木齐、昆明、兰州、呼和浩特、银川等，这个地区的主要特点是干湿球温差大，露点温度相对较低，空气含湿量低。

在新疆公共建筑节能设计标准 XJJ034-2017中对空气处理过程有所要求：新风处理过程：新风经等湿降温处理，再经直接蒸发（沿等焓线绝热加湿）至送风状态点，新风承担室内全部湿负荷，并承擔全部室内显热负荷。如果还有另一末端（如风机盘管）同时承担室内显热负荷，室内回风也是等湿降温处理，都是由高温冷水系统实现这两套过程，处理时不除湿，间接蒸发冷水机组出水温度约为16℃，水温高于室内露点温度（在夏季室内设计温度25℃，湿度50%时，室内露点温度为14℃），整个空调系统无冷凝水系统。由于水温不会造成结露现象，在此类地区，如果冬季采用地板辐射供暖时，夏季还可共享地板辐射联合供冷，是较为舒适与节能的空调系统。

3.系统形式及特点

间接蒸发冷水机组作为冷源的空调系统在设计过程中，根据末端形式不同，水系统可设置为并联式与串联式，以下以末端为最常规的风盘+新风方式为例介绍两种形式：

3.1并联式：通常情况下，常规机械式冷水机组温差为5℃，常规冷机作为冷源的空调系统均采用并联式连接方式，在末端采用风机盘管加新风形式时，冷冻水从冷冻机组由水泵供给至分水器，分水器分出各区域供风机盘管支路和供新风机组支路，两支路的供回水温度相同，流量根据各区域各支路实际负荷确定，各末端支管再回至集水器，由集水器再回至冷水机组，各支路流量总和为冷冻水系统总流量。即风盘与新风两系统分配各自所需的流量，流量不同，但是共享一套主管路温差，供回水温差见图解。

如图中所示：总冷冻水量G=G1+G2

供回水温差∆t=（G1x∆t1+G2x∆t2）/（G1+G2）

G1：新风机组支路冷冻水量

G2：风机盘管支路冷冻水量

3.2串联式：冷冻水从冷冻机组由水泵分别先后供给至各用户侧，供风机盘管支路和供新风机组支路串联，两支路的冷冻水供回水流量相同，前后两处末端所分配温差不同，设计温差根据实际各末端用户侧负荷确定，各末端温差总和等于冷源侧温差总和。

如图中所示：

总冷冻水量G无变化。

总供回水温差∆t=∆t1+∆t2

∆t1：新风机组支路冷冻水量

∆t2：风机盘管支路冷冻水量

3.3系统分析：上图中可以看出，并联式较适合小温差大流量的运行方式，可由一组水泵完成整套水系统的运输，适用于常规冷源和蒸发供水温度较高的地区，这种地区干湿球温差较小，中度干热。

而对于串联系统，各层末端逐级分配温差，各级末端负担的部分负荷采用相同流量，采用多组水泵共同完成，更适合大温差小流量系统，间接蒸发冷水机组的供回水温升幅度可以根据当地气候条件确定，在极为干热的地方干湿球温度相差很大，供回水温升可达到10℃甚至更高，由于这种先天气候条件，可充分利用供回水温差，采用多种不同的末端形式逐层分级分配温差，每级末端都可分配得到3～6℃的温差，当承担室内负荷的末端种类越多时，单种类型末端承担的负荷越少;同时，单级末端的温差越大时，单级系统流量也越少，单级流量与总流量基本一致，则整个水系统的流量也可以相应减小，相应降低系统能耗。所以建议在建筑已经有冬季地板辐射的条件下，可以联合地板辐射末端供冷，室内负荷由地板辐射和风盘联合负担，新风负荷由新风机组和风盘联合负责，分级摊小单各末端所负责的负荷，相应减小系统水泵流量。由于新疆地区的干湿球温差很大，新疆地区的地标节能设计规范也推广新风、风盘、地暖三级末端联合供冷的系统形式。不支持采用常规冷却塔+常规低温冷机的形式，由于湿度过低，冷却塔的出水温度可达到18度，按常规设计选配的冷水机组会给实际运行性能带来较大偏差和过失。

4.应用于实际的工程设计：

4.1系统确定原则：

根据使用地点的室外温湿度条件、建筑使用功能特点、建筑负荷特点选择适合的系统形式。

室外温湿度条件决定了蒸发系统的出水温度及供回水最大温差，由此可以确定是否有条件采用大温差小流量的串联式系统。建筑的具体功能和负荷特点也确定了末端是否有条件采用多末端联合供冷的方式，如果是人员密集的高大空间如体育场馆等可直接采用蒸发式全空气系统;建筑内多为小开间的办公类建筑等一般可采用风盘+新风系统，医院病房楼或旅馆类建筑，冬季根据舒适度要求还可增设地板辐射系统共享给夏季使用。

4.2以具体实例按步骤进行设计：

（1）根据建筑所在地区，确定夏季空调室内、外设计参数、分析建筑的使用功能及适用的末端系统。

项目概况：新疆某医院，地理位置靠近乌鲁木齐市，项目总建筑面积为73857.57㎡，共分为四栋单体建筑，其中1#病房楼建筑面积18618㎡，地上十层，地下一层，建筑高度46.25m，地下功能为丙二类库房及职工更衣室等，首层为入院大厅及理疗等用房，二层三层为科室护理单元，四层至七层为病房区，八至十层为相关科室办公及财务审计等办公用房。

室外计算参数采用乌鲁木齐市，属于严寒C区，夏季室外相对湿度为34%，夏季室外空调计算干球温度为33.5，夏季室外空调计算湿球温度为18.2℃。夏季室内病房设计干球温度为26℃，相对湿度40%，新风量为50m³/h.p。末端形式为：除洁净空调系统以外的病房、候诊、诊室、理疗、休息、办公等房间均采用风机盘管加新风系统，气流组织形式为上送上回。按建筑房火分区或建筑功能划分空调新风系統，新风经过初、中效过滤、夏季等含湿量降温至间接送风点后经高压微雾绝热加湿至热湿比线后沿热湿比线送至室内，冬季采用地板辐射采暖方式为房间供暖。乌鲁木齐地区的蒸发式冷水机组的出水温度可达到16℃，适宜采用串联式系统。

（2）确定建筑内的负荷，计算热湿比，按步骤选配系统及设备。

经负荷计算和新风量确定，按风量选择新风机组、计算新风所能承担的室内显热冷负荷，经计算确定风盘所需承担的室内显热冷负荷，地板辐射系统按照冬季热负荷需求设置，根据其排布管间距及敷设方式及地面结构形式等根据2～3℃温升计算出夏季供冷能力，再计算出地面辐射系统可分摊的负荷后修正新风及风盘系统各自负担的冷负荷。

最终本项目的空调冷源及水系统设计方案的确定：

本项目冷源为间接蒸发冷水机组加机械制冷系统，冷水机房设在病房楼地下一层。屋面设总制冷量1208kW的间接蒸发冷水机组。地下机房设置1台制冷量为604 kW的高温螺杆式冷水机组，COP值为5.44。间接蒸发式冷水机组出来经第一级交换后供18./21.℃水温供地板辐射供冷，经二级交换后供22/29℃水温供空调新风机组，第三级进高温冷源，出12/17℃水温供风机盘管系统。第一、第二级各设一套板换及两台水泵，水泵为一用一备，第三级设两台水泵，水泵为一用一备，辅机配置全自动多项全程水处理器、真空脱气机、定压膨胀补水机组。病房楼风机盘管系统冷冻水供/回水温度为12/17℃;一次侧冷却水供/回水温度为17/32℃，一次侧总温差达到15℃。热源由设在地下一层的热交换站内板式换热机组提供。空调机组、新风机组、风机盘管等空调热水热媒为供/回水温度65/50℃热水。部分设备用房及卫生间采用的散热器采暖系统热水热媒为供/回水温度75/50℃热水，此组热水兼供空调机组、新风机组等冬季预热。病房采用的地暖系统热水热媒为供/回水温度45/35℃热水。空调水系统的补水定压在各病房楼地下设置，空调水系统分为空调箱、风机盘管2个环路。

5.结语

本文对间接蒸发冷水机组的串联、并联系统进行分析探讨，以实际工程设计为例，给出不同地区及不同建筑类型适宜的系统形式，简单按设计流程举例了系统选择方案过程，供设计人员参考。