半集中式蒸发冷却空调系统实际工程应用(孙铁柱)

半集中式蒸发冷却空调系统实际工程应用
西安工程大学孙铁柱黄翔文力
西安井上人工环境有限公司于优城唐永戬
摘要分别介绍了半集中式蒸发冷却空调系统在干燥和中等湿度地区实际工程应用案例，在干燥地区采用的是蒸发冷却式冷水机组，在中等湿度地区采用的是蒸发冷却与机械制冷复合式高温冷水机组，这两种机组目的在于充分利用空调运行期间的干空气能进行“免费”供冷，具有节能环保的特点。

并结合在西安某办公楼的实际工程详细介绍了半集中式蒸发冷却空调系统在中等湿度地区的应用情况。

关键词蒸发冷却半集中式空调系统高温冷水机组新风机组节能Application of semi-central evaporative cooling air conditioning
system
By Sun Tiezhu,Huang Xiang,Wen Li,Yu Youcheng and Tang Yongjian
Abstract Introduced the practical engineering applications of semi-central evaporative cooling air conditioning system,moisture in dry areas and moderate cases，the evaporative chiller is used in dry areas and evaporative cooling and mechanical refrigeration compound high temperature chiller in the middle humidity area,which make full use of the dry air during the running of air conditioning to perform a"free cooling"and has the characteristics of energy conservation and environmental bined with the practical project in Xi′an introduced the application of semi-central evaporative cooling air conditioning system in medium humidity area.
Keywords evaporative cooling，semi-central air conditioning system，high temperature cold water chiller，fresh air handing unit，save-energy
0引言
在实际应用中，集中式蒸发冷却空调系统一般多采用全新风的直流式空调系统，也就是将室外的新鲜空气通过集中设置的蒸发冷却机组处理后，由风管送入各房间，从而在满足室内热舒适性的同时，改善室内空气品质。

集中式蒸发冷却空调系统设备集中，便于集中管理和维修，使用寿命长。

但是，由于集中式蒸发冷却空调全部采用空气承担室内负荷，并且送风温度较高，送风焓差较小，因此这种全新风的空调系统所需的风量较大，风机的能耗较大，风管的截断面积较大，占用空间较大，在房间吊顶高度较小时很难布置，给蒸发冷却空调的推广造成了困难。

此外，集中式蒸发冷却空调系统也不能灵活地对各房间进行分时分室控制，使用灵活性差。

[1～3]为此，借鉴传统半集中式空调系统的理念，早在2003年《暖通空调》第四期《蒸发冷却空调系统自动控制方案的探讨》[4]一文中就提出了半集中式蒸发冷却空调系统。

本文是从实际工程，详细阐述了半集中式蒸发冷却空调系统在中等湿度地区西安的应用情况，并对系统中所采用的新型高温冷水机组及新风机组做了详细介绍。

1半集中式蒸发冷却空调系统[1]
半集中式蒸发冷却空调系统与传统的半集中式空调系统是既有相似又有区别，主要不同之处体现在以下两个方面：
首先，传统的半集中式空调系统中，新风机组与风机盘管等末端装置中所用的冷媒多由常规冷水机组（如电驱动的活塞式、螺杆式、离心式冷水机组，以及热驱动的吸收式冷水机组等）提供。

而半集中式蒸发冷却空调系统中，可利用我国西北地区独有的炎热干燥的气候环境选用单级或多级蒸发冷却新风机组处理新风，选用蒸发式冷水机组或冷却塔提供“末端装置”所需的高温冷媒水。

根据新疆、西藏、青海、宁夏、甘肃五省气象台站的统计数据，
最湿月室外平均含湿量为10.2g/kg，由此房间的湿负荷，可以完全依靠干燥的新风带走。

同时通过设计蒸发式冷水机组，利用室外干空气制得15～20℃的高温冷水，送入室内的辐射地板、风机盘管等干式末端，带走房间的显热。

蒸发冷却新风机组以及蒸发式冷水机组能效比较高，系统的节能效果更好。

其次，传统的半集中式空调系统如传统风机盘管加新风系统，风机盘管进水温度较低（一般为7℃），室内空气被冷却去湿，室内热湿负荷联合处理，风机盘管工作在湿工况下。

而半集中式蒸发冷却空调系统中，由于蒸发式冷水机组提供的冷水温度较高（16～18℃），半集中式蒸发冷却空调系统的末端装置多采用去除显热的末端装置，而室内的全部潜热负荷、新风负荷及剩余显热负荷则由新风系统承担。

末端装置工作在干工况下，系统属于独立新风空调系统（DOAS，Dedicated Outdoor Air System），是一种全新风系统，系统无回风，所有送风均通过渗透和排风排出建筑物外，在防止病毒、细菌扩散方面具有其他空调系统无法比拟的优越性，避免了现有空调系统中温湿度联合带来的损失，可以满足房间温湿度不断变化的要求。

本文介绍的半集中式蒸发冷却空调系统案例，一个是在干燥地区以单独蒸发冷却式冷水机组为高温冷源，另一个是应用在中等湿度地区采用蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组制取高温冷水，后者是针对中等湿度地区的气候特点而开发，目的在于充分利用空调运行期间的干空气能进行“免费供冷”，在室外空气湿球温度过高时，有机械制冷辅助供冷，从而保证了空调系统末端供水的稳定性。

2半集中式蒸发冷却空调系统在干燥地区某办公楼应用工程概况
新疆五彩湾某办公楼，总建筑面积5100m2，采用蒸发冷却与干式风机盘管相结合的半集中式蒸发冷却空调系统，夏季空气处理过程如图1所示，采用的高温冷源是单独蒸发冷却式冷水机组如图2所示，采用的蒸发冷却式新风机组如图3所示。

图1新疆五彩湾某办公楼空调系统夏季空气处理焓湿图
图2新疆五彩湾某办公楼采用的蒸发冷却式冷水机组实物图
图3新疆五彩湾某办公楼采用的蒸发冷却式新风机组实物图
在新疆地区，单独蒸发冷却式冷水机组出水温度比室外露点温度高3～5℃，五彩湾地区室外设计干球温度32.4℃，空调设计湿球温度19.7℃，相应设计状态的露点温度为13.6℃，按照设计条件，如图2所示的蒸发冷却式冷水机组出水温度在16.6～18.6℃，满足干式风机盘管的进水要求。

3半集中式蒸发冷却空调系统在中等湿度地区某办公楼应用工程概况
西安某办公楼，其空调面积770m2，空调冷负荷115.5kw，采用干式风机盘管加新风半集中式蒸发冷却空调系统。

其夏季运行焓湿图如图4所示。

图4干式风机盘管加蒸发冷却空调新风机组夏季运行焓湿图
3.1半集中式蒸发冷却空调系统在西安某办公楼所采用的高温冷水机组
该办公楼空调系统高温冷水机组采用的是蒸发冷却与风冷热泵式复合冷热水机组（结构图见图5，实物图见图7），该机组机械制冷段采用的风冷热泵冷（热）水机组，可以夏季供冷，冬季供暖。

在制冷工况运行时，蒸发冷却与风冷热泵式复合冷热水机组，根据室外湿球温度的变化来运行，当室外湿球温度满足要求时，只开机组蒸发冷却段为干式风机盘管制取高温冷水，机械制冷段只为新风机组制取低温冷水，对新风进行降温除湿；如图5所示，高温冷水机组蒸发冷却段是由两级间接蒸发冷却+一级直接蒸发冷却构成。

图6展示了蒸发冷却冷水机组产生冷水的原理：状态为W x的室外空气首先经过高温空气冷却器进行第一次预冷后，变为状态W1的空气；再经过低温空气冷却器进行进一步预冷，等湿降温到状态W2，然后W2状态的空气进入直接蒸发冷却器与喷淋水进行逆流热湿交换，最终达到状态C由排风机排出。

在直接蒸发冷却热湿交换过程中同时产生温度为t B的高温冷水。

蒸发冷却段产生的冷水温度是与室外空气状态W x密切相关的，由图6我们可以明显看出，所产生冷水的温度t B是处在室外空气的湿球温度和露点温度之间。

当室外湿球温度过高时，蒸发冷却段与机械制冷段同时运行为末端制取16～18℃的高温冷水，在开启风冷热泵的同时，开启其三面安装的直接蒸发冷却器，预冷与风冷热泵冷凝器进行热交换的室外空气，来提高风冷热泵的冷凝效率。

在制热工况运行时，只开启机组的风冷热泵为办公区供暖。

图5蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组结构图[5～6]图6蒸发冷却段产生冷水过程焓湿图[1]
图7蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组实物照片
3.2半集中式蒸发冷却空调系统在西安某办公楼所采用的新风机组
该办公楼空调系统新风机组采用的是吊顶式蒸发冷却空调新风机组[7]，其结构主要包括过滤器、高温表冷器、低温表冷器和直接蒸发冷却器等，如图8所示，实物图见图9。

该新风机组是针对中等湿度地区和高湿度地区气候环境来设计的。

该蒸发冷却新风机组的工作过程是：[8]
夏季运行时，当室外空气状态点落在室内空气状态点的左侧时，开启蒸发冷却空调新风机组的高温表冷器和直接蒸发冷却器，使室外空气达到送风状态点。

此时高温表冷器的供水来自末端回水，起到等湿降温的作用；直接蒸发冷却器的主要作用是降温加湿。

当室外空气状态点落在室内空气状态点的右侧时，开启蒸发冷却空调新风机组的高温表冷器和低温表冷器，使室外空气达到送风状态点。

此时高温表冷器的供水还来自末端回水起到等湿降温的作用；低温表冷器的供水来自蒸发冷却与风冷热泵式复合冷热水机组的机械制冷段制取的低温冷水，作用是对新风降温去湿；直接蒸发冷却器起到挡水板的作用，阻挡低温表冷器飞出的冷凝水。

冬季运行时，开启蒸发冷却空调新风机组的高温表冷器、直接蒸发冷却器，使室外空气达到送风状态点。

此时高温表冷器通入空调热水作为加热器使用；直接蒸发冷却器作为加湿器使用，主要作用是加湿。

过渡季节运行时，室外空气状态点落在室内空气状态点的左侧，开启蒸发冷却空调新风机组的直接蒸发冷却器或者同时开启高温表冷器、直接蒸发冷却器，使室外空气达到送风状态点。

此时高温表冷器通入蒸发冷却制取的高温冷水，直接蒸发冷却器的主要作用是降温加湿。

当室外空气状态点落在室内空气状态点的右侧时，同夏季运行模式室外状态点在右侧的情况。

办公楼大厅新风口布置如图10所示。

1-过滤器，2-高温表冷器，3-低温表冷器，4-直接蒸发冷却器，5-风机，6-水槽，7-吊环，8-钢板
图8吊装式蒸发冷却空调新风机组结构示意图
图9吊顶式蒸发冷却空调新风机组实物图
图10办公室大厅新风口布置图
3.3半集中式蒸发冷却空调系统在西安某办公楼所采用的显热末端
传统半集中式空调系统中采用的风机盘管多为湿式风机盘管，送入风机盘管内的冷水温度约为7℃，空气被除湿冷却，风机盘管下部必须设置凝水盘及冷凝水管路，这样，不仅设备变得复杂，而且风机盘管的凝水盘也会成为微生物滋生的温床。

本办公楼半集中式蒸发冷却空调系统采用的是干式风机盘管，盘管内所通冷水温度稍高于室内空气露点温度，不会出现结露现象，保持干工况运行。

所以要比传统湿式风机盘管干净卫生，不需设置冷凝水系统，减少初投资和安装费用，其低焓差送风也有助于提高空调精度和舒适性。

4半集中式蒸发冷却空调系统在中等湿度地区某办公楼应用工程初步测试
今年对西安某办公楼的半集中式蒸发冷却空调系统进行了调试和试运行，测试结果如下：
图11是蒸发冷却与风冷热泵式复合冷热水机组的蒸发冷却段（只开高温空气冷却器的情况下）出水温度测试结果。

我们在六个室外空气状态下分别对机组蒸发冷却段进行了测试，每个出水温度的测试值都落在了室外空气湿球温度与露点温度之间，与图6所示产生冷水温度的理论分析相符。

从图12中可以看出，制取的冷水温度稍高室外空气露点温度，两者的差值一般在2℃的范围内，而低于室外空气湿球温度一般都在2℃～3℃。

如图11所示，当室外空气为1状态点时，蒸发冷却段所产生的冷水温度为18℃，也就
是说当室外空气状态都在1状态点以下时，我们可以仅开蒸发冷却段就可以满足显热末端供水要求，高于状态1时，需要机械制冷加以辅助。

图11蒸发冷却与风冷热泵式复合冷热水机组蒸发冷却段出水温度测试结果
图12蒸发冷却段出水温度与室外空气干球、湿球、露点温度的差值根据以上测试结果分析，机组蒸发冷却段产生的冷水温度比室外湿球温度低2℃～3℃，那么只要当室外湿球温度小于等于20℃就可以只开启蒸发冷却段为末端提供冷水，不需要机械制冷。

西安地区6、7、8、9月份到底有多少时间满足要求，我们根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[8]做了分析，时间段是这四个月份每天8：00～18：00，期间单独开启蒸发冷却段的运行时间占到43.1%，可见节能意义是非常明显的。

在该空调系统运行时，办公室内空气状态在干球温度24℃～26℃、相对湿度60%～65%范围内波动，是完全满足国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019—2003）对舒适性空调室内参数的要求。

4结语
本文分别针对干燥地区和中等湿度地区采用的半集中式蒸发冷却空调系统进行了介绍，并着重介绍在中等湿度地区的一实际工程案例，该空调系统主要特点在于采用了一种新型高温冷水机组——蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组，可以充分利用空调运行期间的干空气能进行“免费”，尽量减少机械制冷的运行时间及运行时所承担的负荷，相比于目前在中等湿度地区采用的传统半集中式机械制冷空调系统，具有明显的节能效果。

参考文献
[1]黄翔等著.蒸发冷却空调理论与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2010
[2]黄翔著.空调工程[M].北京：机械工业出版社，2006,
[3]黄翔.蒸发冷却新风空调集成系统[J].暖通空调，2003,33（5）：13—16
[4]黄翔，强天伟，武俊梅等.蒸发冷却空调系统自动控制方案的探讨[J].2003,33(4):109—112
[5]孙铁柱，黄翔，文力.蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组初探[C].第六届全国制冷空调新技术研讨会论文集
[6]孙铁柱，黄翔，文力.一种蒸发冷却与机械制冷复合制取高温冷水的新方法[J].制冷，2010，29（4）：12—15
[7]尧德华，黄翔，吴志湘.蒸发冷却空调新风机组探讨[J].洁净与空调技术，2010,2:61—64
[8]黄翔，尧德华等.一种蒸发冷却空调新风机组[P].中国：ZL2009203136440，2010-8-25。