多级蒸发冷与常规冷水机组在办公规模冷负荷中的比较分析

为什么让建筑保持凉爽至关重要

随着城市变得更热、办公室越来越依赖空调，建筑制冷正悄然成为电力消耗和导致气候变暖排放的主要驱动因素之一。本研究提出了一个具有全球意义的现实问题：在印度炎热的夏季和潮湿的季风期间，能否在比现有标准制冷设备显著更低的电力消耗下，仍然保持大型办公楼的舒适度？研究者将注意力集中在将一种常见的主力设备——机械冷水机组，与一种更智能的“用水冷却空气”方式相结合，以在不牺牲舒适性的前提下削减能耗。

用水冷却的新变体

很多人都知道那种将空气吹过湿垫的沙漠冷却器。它们使用水而不是化学制冷剂，但在潮湿天气下效果欠佳，且难以始终达到现代办公室所需的舒适水平。研究团队研究了一种更先进的形式，称为间接蒸发冷：室外空气通过与湿表面并行流动而被冷却，但不带入额外水分。预冷后的空气随后进入常规的冷水盘管。关键在于：如果先用水部分冷却空气，冷水机组的工作量就会减少，电力消耗也会下降。

利用建筑自身的回风作为助力

研究者提出了一个简单但有效的改进：在间接冷却器中，不用变化莫测的室外空气作为“工质”气流，而是使用从办公室回流回来的回风。回风通常在温度上更稳定，并且在运行时往往可能比室外空气更凉。将这股空气引导通过间接冷却器的湿侧然后排出，系统就能从进入的新鲜空气中抽出更多热量。在某些情况下，离开装置的预冷空气温度低于按室外湿球温度通常设定的限制，这表明回风方法可以从每千克空气中挤出额外的制冷量。

在印度多种气候下的测试

为了判断这是否只是实验室技巧还是一种可行的实际解决方案，作者对一栋大型办公规模的工业建筑进行了建模，并为代表热干、暖湿、温带、寒冷和混合气候的多座印度城市计算了详细的热负荷。他们比较了三种配置：独立冷水机组、常规的间接冷却器加冷水机组，以及新的回风辅助版本。使用用于夏季峰值和潮湿季节的标准设计气象数据，他们跟踪了每个系统需要提供多少制冷量以及为保持大约27°C且湿度舒适的典型室内设定点冷水机组将消耗多少电能。

可以节省多少能量和设备

结果表明，即便是在冷水机组前加装常规的间接蒸发冷阶段，也能将参考建筑所需的冷水机组容量减少约50–60冷吨。然而采用带回风的改良多级系统能做得更多，根据城市和季节不同，可将所需冷水机组规模再减少约80–140冷吨。由于到达冷却盘管的空气已经更凉，冷水机组运行时间减少，电力消耗明显下降。在相同制冷需求下，常规的冷水机组加间接冷却器组合相比独立冷水机组约减少28%的电力使用，而新的回风辅助系统约实现35%的节能。值得注意的是，即使在传统蒸发冷器通常失效较多的潮湿季节，这一更强的性能仍然得以保持。

这对未来建筑的意义

简单来说，研究表明印度的大型办公楼和工厂只需通过重新安排空气与水在现有设备中的流动方式，就能在保持舒适的前提下将制冷电力使用量减少约三分之一。通过让冷水机组与一种巧妙设计的、可重复利用室内回风作为助力流的水基冷却器分担工作，建筑所有者可以安装更小的冷水机组、降低运营成本，并在热浪期间减轻电网负担。随着气候变化推动制冷需求上升，此类混合系统为更加经济且更环保的建筑制冷提供了一条可行且具规模化潜力的途径。

引用: Chiranjeevi, C., Sekhar, Y.R., Javith, J. et al. A comparative analysis of multi-stage evaporative cooling and conventional chillers for office-scale cooling loads. Sci Rep 16, 11244 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41650-9

关键词: 蒸发冷, 建筑能耗, 混合暖通空调, 办公制冷, 印度气候