(石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043)

0 引言

近年來蒸發(fā)冷卻技術在各類建筑中得到了廣泛的應用[1]，其設計方法也日臻完善[2]。例如在溫濕度獨立控制(THIC)空調系統(tǒng)中，空調建筑的潛熱負荷由濕度控制系統(tǒng)承擔，顯熱負荷主要由溫度控制系統(tǒng)承擔，顯熱末端用高溫冷水的供回水溫度一般為16～21 ℃。高溫冷水的來源可以是天然冷源，也可以由機械制冷高溫冷水機組、蒸發(fā)冷卻冷水機組提供。從目前設備的性能來看，出水溫度為16 ℃時螺桿式高溫冷水機組在額定工況下的能效比(COP)值大約為6.81[1]，對應的綜合節(jié)能系數IPLV值大約為8.19。而間接蒸發(fā)冷卻冷水機組的COP平均值可達到15以上，遠高于高溫冷水機組的IPLV值。然而蒸發(fā)冷卻冷水機組的使用受到室外氣象條件的制約，間接蒸發(fā)冷水機組的理想出水溫度為室外環(huán)境對應的露點溫度，而目前機組的實際出水溫度一般比理想出水溫度高2～3 ℃，對應的間接蒸發(fā)段設備效率為70%～80%，直接蒸發(fā)段設備效率為90%[3]。正因如此，蒸發(fā)冷卻設備只有在我國西北干燥地區(qū)使用才能獨立承擔空調所需的冷量。如果將其應用于其他地區(qū)(中濕度地區(qū))只能與機械制冷高溫冷水機組聯合運行。本文旨在分析華北地區(qū)蒸發(fā)冷卻冷水機組與機械制冷高溫冷水機組聯合運行為溫濕度獨立控制空調系統(tǒng)提供高溫冷水的可行性和經濟性。

1 分析的依據與方法

建筑模型為位于山西大同地區(qū)的賓館、商場和辦公樓三類典型建筑。建筑概況及相關參數見表1。

表1 典型建筑的概況及圍護結構主要參數

2 空調機房組成及機組運行模式

蒸發(fā)冷卻冷水機組(以下簡稱E機組)與機械制冷高溫冷水機組(以下簡稱M機組)聯合運行提供高溫冷水的工作原理見圖1。

圖1 E、M 機組聯合工作原理圖

空調冷水系統(tǒng)采用一級泵變流量水系統(tǒng)[4]，即只要空調系統(tǒng)運行，用戶側的供回水溫度始終為16～21 ℃，通過冷水的壓差旁通閥改變用戶側的冷水流量來適應建筑冷負荷的變化。空調回水首先進入緩沖水箱，之后通過自用循環(huán)泵Ⅱ流入E機組，E機組出水進入冷水箱。由于E機組的額定流量小于空調末端回水流量，因此在緩沖水箱設置回水溢流管。M機組運行時冷卻塔及冷卻水泵始終運行。E機組的運行條件為t116 ℃。顯然機房運行遵循E機組優(yōu)先的原則，即只要E機組符合運行條件應始終保持運行狀態(tài)。E、M機組的運行模式是進行經濟性分析的依據。詳細說明如下。

在THIC空調系統(tǒng)中，濕度控制系統(tǒng)承擔空調建筑的全部濕負荷，而溫度控制系統(tǒng)視設計情況的需要，可承擔全部或部分顯熱負荷[3]，后續(xù)分析計算中按承擔全部顯熱負荷考慮。顯熱負荷由高溫冷水承擔，高溫冷水則由聯合運行的E機組與M機組共同承擔。M機組的額定制冷量按空調建筑的設計顯熱冷負荷選取，以保證空調運行的可靠性。E機組額定制冷量的選取，遵循夏季空調總運行費用(電費+折舊費)最低的原則。由于E機組的COP遠高于M機組，因此空調建筑的顯熱冷負荷一定時，E機組額定制冷量越大，總運行費用越低，但E機組附加投資的年折舊費越高。顯然，E機組額定制冷量的選取存在一個最佳匹配系數值，E機組的設備匹配系數定義如下

(1)

式中，k為E機組的設備匹配系數；Q0為空調建筑的顯熱設計冷負荷；Q0.E為E機組的額定制冷量。

3 經濟性分析的方法和步驟

以山西大同為例，并首先利用DEST軟件計算出典型空調建筑的逐時顯熱冷負荷Q，之后針對給定的k值、結合該城市的室外氣象條件計算E機組不同出水溫度情況下可提供的逐時制冷量Q1′,再結合E、M機組聯合運行的方式計算各自承擔的逐時顯熱冷負荷Q1、Q2(Q1′與Q1是不同的)及耗電量N1、N2。最后結合附加E機組的年折舊費，求得不同k值時對應的年空調運行總費用(文中折舊費均為附加E機組的年折舊費)，進而確定不同類型建筑對應的E機組的最佳設備匹配系數kopt。最后得到不同建筑在最佳kopt下的附加投資回收期。計算流程見圖2。

圖2 E、M聯合運行經濟性計算流程圖

4 計算方法

4.1 計算過程的基本假定

(1)E機組的平均COP取15(已考慮E機組自用循環(huán)水泵的功率)，M機組的IPLV(綜合部分工況)取8.19。

(2)E機組單位額定功率的設備初投資為定值，綜合多家制造商的設備報價統(tǒng)一取900元/kW，安裝費取設備費的10%。

(3)E機組的使用壽命為15 a。

(4)冷卻塔性能系數及冷卻水輸送系數分別取150和41.5[3]。

(5)賓館、商場及辦公樓的電價參考國家電網山西大同地區(qū)的實時電價[5]，其分段電價見表2。

(6)資金使用年利息取5%。

表2 山西省電網峰谷分時電價表

元/(kW·h)

4.2 E機組出水溫度計算

間接蒸發(fā)冷卻冷水機組的出水溫度[1]

t1=t0-ηtower·{t0-[twb，0-ηl·(twb，0-tdp，0)]}

(2)

式中，t0、twb，0、tdp，0分別為室外空氣的干球溫度、濕球溫度和露點溫度；ηtower為蒸發(fā)冷卻制備冷水裝置中直接蒸發(fā)冷卻模塊的水側效率；ηl為對新風預冷的顯熱換熱裝置以室外露點溫度為冷空氣極限溫度的風側效率；計算分析時ηl取75%，ηtower取90%[1]。

4.3 E、M機組承擔空調建筑顯熱冷負荷及耗電量的計算方法

如前所述，對于任意給定的E機組出水溫度t1，E機組空調季總運行時間就隨之確定。對應一組k、t1值，利用DEST軟件就可以得到一組E機組可提供的逐時制冷量數據。需要說明的是，這并不是E、M機組聯合運行時E機組實際承擔的顯熱冷負荷。假如E機組的設備匹配系數為k，空調建筑設計顯熱負荷為Q0(這也是M機組的額定制冷量)，則由式(1)知，E機組的額定制冷量為kQ0?？照{建筑逐時顯熱負荷為Q，此時E機組可提供的逐時冷量以及E、M機組各自實際承擔的冷量及耗電量計算方法見表3。

表3 E、M機組分擔冷負荷及電耗計算

圖3 夏季空調運行總費用隨機組匹配系數k的變化

5 計算結果及分析

山西大同地區(qū)賓館、商場及辦公樓3種典型建筑采用E、M機組聯合運行，夏季空調總運行費用(含E機組附加投資折舊費用，以下同)。隨E機組設備匹配系數k的變化見圖3。從圖3可以看出，兩機組聯合運行時、在一定的設備匹配系數范圍內，夏季空調運行總費用均低于M機組單獨運行的費用(圖中縱軸數值)，且存在一個最佳的設備匹配系數kopt。在賓館、商場、辦公樓建筑中，kopt分別為0.46、0.68和0.14。即在3類建筑中、E機組的額定制冷量分別取空調建筑設計負荷的46%、68%和14%時，夏季空調總運行費用最低。

E機組承擔的逐時顯熱冷負荷占建筑逐時冷負荷的比例見圖4。

圖4 E機組承擔的逐時顯熱冷負荷占建筑逐時冷負荷的比例

從圖4可以看出，賓館建筑中E機組實際承擔的空調逐時冷負荷比例最高，商場次之，辦公樓最低。這主要與空調運行的時間段以及時間有關。

大同地區(qū)E機組夏季空調季節(jié)逐時出水溫度見圖5。

圖5 大同地區(qū)E機組夏季逐時出水溫度

大同地區(qū)E機組夏季運行時間及E機組運行時間占空調總運行時間的比例見表4。

表4 大同地區(qū)E機組夏季運行時間占比

E、M機組聯合運行，在最佳E機組設備匹配系數kopt時，附加投資回收期計算見表5。

表5 E、M機組聯合運行時E機組的附加投資動態(tài)投資回收期計算簡表

注：M機組單獨運行以及E、M機組聯合運行2種情況下，冷凍水泵及空調末端的電力消耗相同，因此均不予計入。

從表4可以看出，如果采用E、M機組聯合運行的方式，對于山西大同地區(qū)典型的賓館、商場、辦公樓建筑，E機組的附加投資回收期分別為7.8、11.3 a；而對于辦公樓，動態(tài)投資回收期超過15 a，即設備的壽命期內不能收回附加投資。

6 結論

(1)對于華北地區(qū)的大同市，如空調建筑采用溫濕度獨立控制空調系統(tǒng)，高溫冷水采用蒸發(fā)冷卻冷水機組輔助機械制冷高溫冷水機組提供空調用高溫冷水，可以降低夏季空調運行總費用，提高空調運行的經濟性。

(2)在機械制冷高溫冷水機組與蒸發(fā)冷卻冷水機組聯合運行的機房設備選型中，機械制冷高溫冷水機組的額定制冷量應按空調建筑的設計顯熱冷負荷選取，以確?？照{運行的可靠性。而蒸發(fā)冷卻冷水機組的額定制冷量對于不同的建筑對應一個最佳設備匹配系數kopt。對于賓館、商場建筑，其取值分別為0.46、0.68，對應的附加設備動態(tài)投資回收期分別為7.8、11.3 a。而對于辦公樓，最佳匹配系數為0.14，但動態(tài)投資回收期超過15 a，因此，該地區(qū)辦公樓建筑不適合采用機械制冷高溫冷水機組與蒸發(fā)冷卻冷水機組聯合運行的方式。