建设工程安全理论与应用蒸发冷却式冷水机组三种应用方式的探讨王绍瑞（新疆建筑设计研究院，鸟鲁木齐，８３０００２）
【摘要】采用蒸发冷却技术冷却空气的空调方式在西北干燥地区已应用得十分广泛了，而近年蒸发冷却式冷水机组的开发与应用也日益受到专业人士的瞩目。蒸发冷却式冷水机组的出水温度低于常规冷却塔的出水温度，而又高于常规冷水机组的出水温度，因此，蒸发冷却式冷水机组的应用方式的选择应根据其自身的性能特点及建筑使用功能要求、空调对象的热、湿负荷特点来决定．本文提出了蒸发冷却式冷水机组的三种应用方式，即温湿度独立控制系统的应用方式、蒸发冷却式冷水机组与常规冷水机组串联的应用方式、蒸发冷却武冷水机组与常规冷水机组交替运行的应用方式。【关键词】蒸发冷却式冷水机组；常规冷却塔；常规冷水机组
引言’我国西北的大部分地区空气干燥，夏季空调室外计算湿球温度较低，日较差较大。在干燥地区，由于室外空气具有较低的湿球温度，利用常规冷却塔就可以获得较低温度的冷却水，而蒸发冷却式冷水机组是在常规冷却塔的基础上加以改进研制出来的一种新型冷水机组，其冷源为室外干燥空气。室外空气先经表冷器与冷却水进行湿热交换，室外空气干、湿球温度有所降低，湿球温度已有所降低的室外空气再进入冷却塔与水进行直接热湿交换，使水温降低。图１为蒸发冷却式冷水机组的原理图，图中各符号表示的含义如下：
・６４２・图１蒸发冷却式冷水机组原理图蒸发冷却式冷水机组三种应用方式的探讨Ｇ——蒸发冷却式冷水机组的冷却空气量，ｋｇ／ｈ。ｉ。——室外空气的比焓，ｋＪ／ｋｇ干空气。ｉ：——室外空气经表冷器冷却后的比焓，ｋＪ／ｋｇ干空气。ｉ。——蒸发冷却式冷水机组排出空气的比焓，ｋＪ／ｋｇ干空气。ｗ。——供给空调末端的一次冷水水流量，ｋｇ／ｈ。Ｗ：——供给机组自身表冷器的二次冷水水流量，ｋｇ／ｈ。ｔｗ．——蒸发冷却式冷水机组的出水温度，℃。ｔｗ．——蒸发冷却式冷水机组的进水温度，℃。根据图１原理图可列出蒸发冷却式冷水机组热交换方程：Ｃｗ（ｔｗ３一ｔｗｌ）Ⅳ２＝Ｇ（ｉ１一ｉ２）（１）
Ｃｗ（Ｗ１＋Ｗ２）（￡Ⅳ３一ｔⅣ１）＋Ｃｗ△Ｖ眈ｗｌ＝Ｇ（ｉ３一ｉ２）（２）
式中Ｃｗ——水的比热，ｋＪ／（ｋｇ・℃）；△Ⅳ——冷却塔内蒸发的水量，ｋｇ／ｈ。其他符号意义同前。从理论上来讲，蒸发冷却式冷水机组出水温度的极限为室外空气状态下的露点温度，而实际上由于表冷器的换热面积不可能做到无穷大，经技术、经济两方面分析比较后，目前将蒸发冷却式冷水机组的出水温度定在高于室外空气露点温度６℃左右。根据各地区室外气候条件的不同，采用蒸发冷却式冷水机组所能得到的出水温度也可能不相同，室外干球温度越高；湿球温度越低的地区，蒸发冷却式冷水机组的出水温度也越低。在乌鲁木齐地区，蒸发冷却式冷水机组具有很高的能效比，能达到１８．５左右。
１温湿度独立控制系统的应用方式为能够定量说明温湿度独立控制系统的应用情况，本文特以乌鲁木齐地区为例来加以说明，乌鲁木齐空调用室外气象参数如下：夏季大气压力：９０６７０Ｐａ
夏季空调室外计算干球温度：３４．１℃夏季空调室外计算湿球温度：１８．５℃夏季空调室外计算状态点的露点温度：１０．２℃夏季空调室外计算日较差：９．８℃根据以上参数进行设计的蒸发冷却式冷水机组的供回水温度为１６℃／Ｚｌ℃，目前该参数的冷水机组已有工程应用实例，并取得了良好的运行效果。１．１温湿度独立控制系统的基本组成温湿度独立控制系统的基本组成如下：蒸发冷却式冷水机组、室内冷却盘管系统一风机盘管或冷辐射盘管系统、二级或三级蒸发冷却式新风系统。１．２温湿度独立控制系统的特点按照温湿度独立控制原理，空调房间内的５０％左右的显热负荷由室内冷却盘管来承担，而房间内的湿负荷及其余部分的显热负荷由新风系统承担。由于室内冷却盘管只承担显热负荷，不需要盘管除湿，因而提供给室内冷却盘管的冷水温度应该略高于房间设计工况下的露点温度，使得盘管在干工况下运行。在设计过程中，室内冷却盘管承担的这部分显热・６４３・建设工程安全理论与应用冷负荷不计人房间的热湿比。新风系统中的空气处理采用二级或三级式蒸发冷却机组，先将室外空气进行间接蒸发冷却，此为等湿降温过程；然后再将空气进行直接蒸发冷却，此为绝热加湿过程，送风状态点落在房间热湿比线上。在设计过程中，房间的热湿比仅取决于新风系统承担的那部分显热负荷、潜热负荷和湿负荷。在采用温湿度独立控制系统时，空调房间的新风量应根据房间的显热冷负荷（减去室内冷却盘管承担的那部分显热负荷）和送风温差来确定，而不是依据人员需要的最小新风量标准来确定。承担空调房间显热负荷的末端装置除可用风机盘管外，也可以采用冷辐射盘管，如：冷辐射吊顶盘管和地板冷辐射盘管。由于通常情况下空调房间内的空气露点温度可以控制在１５℃以下，因而在供水温度为１６℃的情况下能保证这些末端装置在干工况下运行。新风机组的第一级冷却方式除可以采用间接蒸发冷却器外，也可以采用表冷器进行冷却，同样由蒸发冷却式冷水机组供给１６℃的冷媒水。温湿度独立控制系统理论的建立为低品位干燥空气冷源的应用开辟了一片新天地，特别是在干燥地区其灵活的应用方式及可观的节能效果必将得到最好的体现。
２蒸发冷却式冷水机组与常规冷水机组串联的应用方式
由于蒸发冷却式冷水机组的出水温度受当地气候条件的限制，不同于常规冷水机组可以有较大的选择范围，如某些地区的空凋窀外计算湿球温度偏高，利用蒸发冷却式冷水机组难以获得符合空气处理要求的出水温度时，就需要改变冷源的方式了。为了充分利用天然冷源，尽可能地减少人工冷源的使用，本文特提出一种蒸发冷却式冷水机组与常规冷水机组串联的应用方式，其系统组成及流程见图２。
图２蒸发冷却式冷水机组与常规冷水机组串联应用流程图２．１蒸发冷却式冷水机组与常规冷水机组串联的应用原理图２中所示的ｔｗ。为蒸发冷却式冷水机组的出水温度，也是常规冷水机组的进水温度；
・６４４・蒸发冷却式冷水机组三种应用方式的探讨ｔｗ。为常规冷水机组的出水温度；ｔｗ。为蒸发冷却式冷水机组的进水温度。一般情况下，常规冷水机组和蒸发冷却式冷水机组的设计进出水温差均为５℃，两机组串联使用后其冷水系统的总供回水温差为１０℃，这实际上是一个大温差小流量系统。当空调冷负荷一定时，所有冷负荷由串联的两台冷水机组来承担，当两台冷水机组两端的进出水温差相同时，即各负担５０％的空调冷负荷，通过每台冷水机组的水流量仍然是各自的单台额定流量。两台冷水机组两端的进出水温差也可以不相同，温差大的机组承担较大部分空调冷负荷；由于蒸发冷却式冷水机组的进出水温差不宜大于５℃，因此常规冷水机组的进出水温差要大于额定的５℃温差，也就是说常规冷水机组要承担更多份额的冷负荷。常规冷水机组自身也是大温差小流量运行方式。由于不同地区气候条件的差异，蒸发冷却式冷水机组的出水温度有高有低，这样其承担冷负荷的能力也就有高有低，常规冷水机组承担冷负荷的份额就要根据具体情况来定，最终靠调整常规冷水机组的进出水温差来实现。２．２蒸发冷却式冷水机组与常规冷水机组串联的应用举例以下通过两个不同地区的实例来说明蒸发冷却式冷水机组与常规冷水机组串联的冷水系统供回水温差的确定方法。例如，新疆克拉玛依地区，其空调用室外气象参数如下：夏季大气压力：９５８９０Ｐａ
夏季空调室外计算干球温度：３４．９℃夏季空调室外计算湿球温度：１９．１℃夏季空调室外计算状态点的露点温度：１０．４℃夏季空调室外计算日较差：５．６℃根据以上参数进行设计的蒸发冷却式冷水机组的供回水温度为１７℃／２２℃。当采用１７℃的冷水不能满足空调房间除湿的要求时，则可考虑采用蒸发冷却式冷水机组与常规冷水机组串联的方式。在这种串联方式中，蒸发冷却式冷水机组作为一级冷水机；而常规冷水机组作为二级冷水机，由于一级冷水机的出水温度受气候条件和机组设计工况的制约，没有人为调节的余地，而一级冷水机的出水又是二级冷水机的进水；因此能够人为调节的是常规冷水机组的出水温度，也就是说常规冷水机组的进出水温差是可以调节的。调节常规冷水机组进出水温差的目的是要保证其出水温度能够满足空气热湿处理的需要，或者说根据空气热湿处理要求合理地确定串联机组的供回水平均温度。确定了串联机组的供回水平均温度后就可以根据下式得出常规冷水机组的进出水温差：Ａｔｃ＝２（ｔｗｌ—ｔｗｅ）＋５
式中△￡。——常规冷水机组的进出水温差，℃。ｔｗ，——蒸发冷却式冷水机组的出水温度，℃。￡ｗＰ——串联机组的供回水平均温度，℃。例如，克拉玛依某空气处理过程需要平均温度为１５℃的冷水，则Ａｔ。＝２（１７—１５）＋５＝９℃；也即，常规冷水机组的出水温度为：ｔｗ。＝ｔｗ。一Ａｔ。＝１７—９＝８℃。而串联机组的总供回水温差为Ａｔ＝２２—８＝１４℃。关于常规冷水机组采用大温差小流量运行方式所带来的利与弊，已有很多论文专题论述，本文就不再赘述了。实际上蒸发冷却式冷水机组与常规冷水机组串联组成的机组也一定是大温差小流量方式，冷水系统循环泵的功率可以大大降低，节能效果更明显。・６４５・建设工程安全理论与应用蒸发冷却式冷水机组与常规冷水机组串联的系统形式其节能效果不仅体现在循环水泵上，而更主要是体现在冷源的应用方式上，是由于相当一部分空调冷负荷是由蒸发冷却式冷水机组来承担的，减少了常规冷水机组的容量，从而大大减少了人工冷源的耗电量。在克拉玛依这个实例中，常规冷水机组承担的空调冷负荷份额为Ａｔ。／Ａｔ＝９／１４＝６４．３％，△￡为串联机组的总供回水温差；而蒸发冷却式机组则承担了３５．７％的冷负荷份额。当空气处理过程需要平均温度为１６℃的冷水时，Ａｔ。一７℃，ｔｗ。一１０℃，Ａｔ＝１２℃；则常规冷水机组承担的空调冷负荷份额为Ａｔｃ／岔＝７／１２＝５８．３％；而蒸发冷却式机组承担的冷负荷份额为４１．７％。也就是说当需要的冷水温度提高时，蒸发冷却式冷水机组承担的冷负荷份额也相应提高；应在５０％左右，节能效果显而易见。下面再以兰州地区为例，来看看串联机组的节能效果。例如，甘肃兰州地区，其空调用室外气象参数如下：夏季大气压力：８４３．１ｈＰａ夏季空调室外计算干球温度：３０．５℃夏季空调室外计算湿球温度：２０．２℃夏季空调室外计算状态点的露点温度：１６．１℃夏季空调室外计算日较差；９℃根据以上参数进行设计的蒸发冷却式冷水机组的供回水温度为２０℃／２５℃。当采用２０℃的冷水不能满足空调房间处理空气的要求时，则可考虑采用蒸发冷却式冷水机组与常规冷水机组串联的方式。例如，兰州地区某空气处理过程需要平均温度为１９℃的冷水，则Ａｔ。＝２（２０—１９）＋５＝７℃；也即，常规冷水机组的出水温度为：ｔｗ：＝ｔｗ，一Ａｔｃ＝２０一７＝１３℃。而串联机组总供回水温差为Ａｔ＝２５—１３＝１２℃。在兰州地区这个实例中，常规冷水机组承担的空调冷负荷份额为Ａｔｃ／Ａｔ＝７／１２＝５８．３％，而蒸发冷却式机组则承担了４１．７％的冷负荷份额。由于兰州室外空气干、湿球温差较克拉玛依要小５．５℃，造成蒸发冷却式冷水机组的出水温度偏高，因此为提高其承担冷负荷的能力需要适当提高串联机组的供回水平均温度。２．３关于串联机组的节能效果及经济性分析