馮　源（成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計有限公司　成都　610021）

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冷卻塔免費(fèi)供冷在成都地區(qū)大型商業(yè)內(nèi)區(qū)的適用性分析

馮源
（成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計有限公司成都610021）

【摘要】簡要介紹了冷卻塔免費(fèi)供冷的原理及形式，通過對冬季商業(yè)內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷，風(fēng)機(jī)盤管的工況修正，冷卻塔供回水溫度及成都地區(qū)室外氣象參數(shù)等因素的分析，探討了該技術(shù)在成都地區(qū)大型商業(yè)內(nèi)區(qū)的適用性。并結(jié)合實際工程案例進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析并給出設(shè)計及運(yùn)行建議。

【關(guān)鍵詞】冷卻塔；免費(fèi)供冷；適用性分析

作者（通訊作者）簡介：馮源（1981-），男，碩士，高級工程師，E-mail：fengyuan@jzfz.com.cn

0　引言

隨著商業(yè)體規(guī)模的增大，不可避免的出現(xiàn)了內(nèi)區(qū)，即與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊界相隔離的區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)的空調(diào)負(fù)荷不直接受來自外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的日射得熱，溫差傳熱及空氣滲透等的影響，只隨區(qū)域內(nèi)的照明，設(shè)備及人員發(fā)熱量變化而變化，在冬季也存在冷負(fù)荷。為提高該區(qū)域冬季的舒適度，通常會采用分區(qū)兩管制或四管制的水系統(tǒng)方式，在冬季對該區(qū)域進(jìn)行供冷。

冷卻塔免費(fèi)供冷技術(shù)（free-cooling）作為一種綠色節(jié)能技術(shù)已被廣泛運(yùn)用于解決大型內(nèi)區(qū)冬季冷負(fù)荷的工程項目中。該技術(shù)以常規(guī)的空調(diào)水系統(tǒng)為基礎(chǔ)，適當(dāng)增加部分設(shè)備及管路，當(dāng)室外氣象參數(shù)達(dá)到特定值，特別是室外濕球溫度低于某個值以下時，關(guān)閉制冷機(jī)組，將冷卻水直接或間接地為空調(diào)系統(tǒng)供冷。由于冷水機(jī)組的耗電量在制冷系統(tǒng)中占有極高的比例，利用冷卻塔供冷節(jié)省大量的電費(fèi)，故被稱為“免費(fèi)供冷”[3-5]。

圖1　冷卻塔工作原理圖Fig.1 Schematic of cooling tower working

冷卻塔的工作原理是空氣經(jīng)過一個增溫加濕的過程，參見圖1，能量的變化等于A2點(diǎn)與A1點(diǎn)的焓差?？諝獾脑鰷丶訚竦拇笮∨c空氣的相對濕度、溫度、流速等因素有密切的關(guān)系，而空氣的濕度越大，吸收的熱量亦越小。成都冬季通常認(rèn)為較為潮濕，在此氣候條件下，該技術(shù)的應(yīng)用適應(yīng)性如何，本文將進(jìn)行分析探討。

1　技術(shù)分析

1.1前提條件

冷卻水供冷方式為多種，本文主要探討的方式為開式冷卻塔間接供冷的方式，原理圖參照圖2。主要原因為：（1）大型商業(yè)項目制冷季冷卻水需求量較大，通常采用開式冷卻塔，設(shè)閉式冷卻塔不經(jīng)濟(jì)；（2）由于冷凍水系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，而冷卻水系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，水流和室外空氣接觸換熱，易被污染，容易對管道腐蝕結(jié)垢。

內(nèi)區(qū)商業(yè)若采用全空氣系統(tǒng)的區(qū)域可通過直接利用增大室外新風(fēng)量來供冷，故冷卻塔免費(fèi)供冷僅針對內(nèi)區(qū)設(shè)風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)[5]。

1.2商業(yè)內(nèi)區(qū)冬季冷負(fù)荷分析

內(nèi)區(qū)供冷房間的設(shè)計溫度若按供冷工況的設(shè)計溫度25～26℃，將與外區(qū)的18～20℃有明顯的溫度差異；而若與制熱工況一樣為20℃，對風(fēng)機(jī)盤管處理能力及冷水溫度要求較高，也不合適，故一般采用比外區(qū)高2～3℃，即22～23℃。只計算人員、燈光、設(shè)備等主要負(fù)荷。新風(fēng)可作為冷源時，應(yīng)最大限度的利用，故負(fù)荷中應(yīng)扣除新風(fēng)負(fù)擔(dān)的負(fù)荷。并扣除由于內(nèi)墻傳熱或往外區(qū)對流的熱量。表格1，2分別為商鋪及餐飲兩種業(yè)態(tài)在冬夏季三種不同工況下需內(nèi)區(qū)風(fēng)機(jī)盤管處理的負(fù)荷指標(biāo)對比[2]。

工況1：室內(nèi)設(shè)計溫度25℃/60%，送入新風(fēng)溫度為25℃。

工況2：室內(nèi)設(shè)計溫度22℃/30%，送入新風(fēng)溫度為5.6℃。

工況3：室內(nèi)設(shè)計溫度23℃/30%，送入新風(fēng)溫度為5.6℃。

表1　商鋪室內(nèi)冷負(fù)荷指標(biāo)Table 1 Indoor cooling load of retails

表2　餐飲室內(nèi)冷負(fù)荷指標(biāo)Table 2 Indoor cooling load of restaurant

注：1.商鋪按人員密度0.2人/㎡，新風(fēng)量20m3/人·h，餐飲按人員密度0.25人/m2，新風(fēng)量25m3/人·h；2.新風(fēng)送風(fēng)溫度5.6℃采用成都冬季室外通風(fēng)溫度，高于室內(nèi)露點(diǎn)溫度4.5℃；3.由于冷卻水溫高于室內(nèi)露點(diǎn)溫度，故風(fēng)機(jī)盤管為干盤管工況，不負(fù)擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷，故未計算人員及食物潛熱負(fù)荷。此部分散濕可適當(dāng)提高室內(nèi)相對濕度。

根據(jù)以上分析，扣除新風(fēng)直接制冷后的冬季室內(nèi)冷負(fù)荷與夏季冷負(fù)荷比值，普通商鋪約為45%，餐飲約為40%。

1.3風(fēng)機(jī)盤管供冷能力修正

表3　風(fēng)機(jī)盤管供冷能力表Table 3 Cooling capacity of FCU

內(nèi)區(qū)風(fēng)機(jī)盤管根據(jù)夏季制冷工況進(jìn)行選型，在冬季使用時，由于供回水溫度發(fā)生變化，故需要進(jìn)行修正。常用規(guī)格風(fēng)機(jī)盤管按《風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組》（GB/T19232-2003）的基本規(guī)格在冷卻塔直接供冷工況下的制冷能力按以下4種工況列出[1]，其工況的選擇在確保其供冷能力能滿足冬季冷負(fù)荷的前提下，應(yīng)盡可能延長冷卻塔使用時間，從而提高冷卻水進(jìn)水溫度，參見表3。

1.4換熱器，冷卻塔的分析

換熱器要求小溫差取熱，結(jié)構(gòu)緊湊的，一般選用板式換熱器，在選用時考慮到冷卻水側(cè)水質(zhì)較差，容易造成污垢熱阻，宜將板換適當(dāng)放大1.15～1.2倍，同時，增大板換也對降低冷凍水側(cè)水溫，延長供冷時間有利。換熱器溫差一般選擇1℃[7]。

對于同一冷卻塔，一方面希望其供回水溫差小，以利于在較高的室外濕球溫度下使用；另一方面若溫差過于小，水泵流量大，用電量增多[8]。故一般冷卻水的供回水溫差選擇為2～3℃。

圖4　流量比50%時冷卻塔特性曲線Fig.4 Rerformance characteristics of cooling tower in the flow ratio of 50%

通過冷卻塔供冷能力特性曲線[1]，可以確定冷卻塔在不同水量、不同供水溫度及不同溫降的條件下，對室外濕球溫度的要求。并且通過運(yùn)行切換，冷卻塔供冷系統(tǒng)可以利用原有一一對應(yīng)的冷卻水泵及冷卻塔，切換成一臺冷卻水泵對應(yīng)兩臺冷卻塔（或小水泵對應(yīng)大冷卻塔），這樣冷卻塔在50%額定流量時比100%額定流量，由于換熱更充分，能夠在更高的濕球溫度下進(jìn)行制冷。

根據(jù)圖3～4，供回水溫差2度，冷卻塔供水溫度9℃時，流量比在100%時，要求室外濕球溫度不高于約3.6℃；流量比在50%時，室外濕球溫度不高于約6.2℃。冷卻塔供水溫度10℃時，流量比在100%時，要求室外濕球溫度不高于約5℃；流量比在50%時，室外濕球溫度不高于約7.3℃。

1.5成都冬季室外氣象條件探討

選取制熱季節(jié)1月、2月及12月商業(yè)營業(yè)時段9:00～22:00期間的室外干濕球溫度?？紤]大型商業(yè)晚間空調(diào)關(guān)閉后，內(nèi)區(qū)有一定蓄冷作用，所以考慮內(nèi)區(qū)制冷時間為10:00～22:00，共12小時。參見表4[9]，可得冬季需制冷總時數(shù)為1080小時，其中濕球溫度≤5℃的時數(shù)為496小時，≤7.3℃且＞5℃的時數(shù)為276小時，另有308小時冷卻塔免費(fèi)供冷效果較差，建議該時間段內(nèi)開啟制冷機(jī)。

表4　成都冬季室外干濕球溫度表Table 4 Chengduoutdoorpsychrometer in winter

2　實例分析

2.1項目介紹

案例項目為成都地區(qū)一大型商業(yè)體，總建筑面積為71200平米，地上5層，包括商鋪，百貨，餐飲，電玩，影院等；地下2層，負(fù)一層為超市，其余區(qū)域及樓層為設(shè)備用房及車庫。選取無外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的區(qū)域作為內(nèi)區(qū)，面積為6200平米，約占總商業(yè)面積9%。內(nèi)區(qū)主要業(yè)態(tài)為商鋪及餐飲。

該項目夏季空調(diào)冷源采用3臺950TR離心式制冷機(jī)及1臺350TR螺桿式制冷機(jī)，冷凍水泵及冷卻水泵與制冷機(jī)一一對應(yīng)設(shè)置。水泵均為變頻。冷卻塔與冷水機(jī)組一一對應(yīng)設(shè)置，中間用集管連接，大小冷卻塔的流量分別為690m3/h及255m3/h。

采用分區(qū)兩管制的水系統(tǒng)形式，外區(qū)冷熱切換，內(nèi)區(qū)單冷。內(nèi)區(qū)商鋪及餐飲均采用風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)的方式。內(nèi)外區(qū)新風(fēng)機(jī)組分設(shè)水環(huán)路，在冬季運(yùn)行時，當(dāng)室外新風(fēng)焓值低于室內(nèi)焓值，而溫度高于室內(nèi)露點(diǎn)溫度時，可將新風(fēng)作為冷源直接送入室內(nèi)。

2.2技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

圖5　冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic of free cooling

為降低內(nèi)區(qū)冬季供冷費(fèi)用，擬采用冷卻塔免費(fèi)供冷。冬季內(nèi)區(qū)計算冷負(fù)荷為480kW，此負(fù)荷為扣除室外新風(fēng)作為冷源所抵消部分室內(nèi)負(fù)荷后的值。選用一臺600kW的板式換熱器，冷源采用冷卻塔，可根據(jù)需要在大小冷卻塔切換，設(shè)計供回水溫度冷源側(cè)10/12℃，負(fù)荷側(cè)11/13.5℃。冷卻/冷凍水泵采用對應(yīng)350TR的小水泵，通過變頻調(diào)整流量。系統(tǒng)原理圖參見圖5。

表5　系統(tǒng)增加投資Table 5 Increase investment

表6　制冷系統(tǒng)用電量對比Table 6 Comparison of power consumption for refrigeration system

表7　運(yùn)行時間及費(fèi)用對比Table 7 Performance period and cost comparison

根據(jù)上述分析比較，冷卻塔免費(fèi)供冷比采用冷水機(jī)組供冷節(jié)約電費(fèi)約為50%，投資回收期較短，此方案可行。

2.3系統(tǒng)控制及防凍措施

冷凍水泵及末端設(shè)備的控制同常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相同。末端設(shè)備的開閉通過壓差信號來調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行頻率。

冷卻水泵為定流量運(yùn)行（而免費(fèi)供冷時的設(shè)計流量低于夏季制冷時的設(shè)計流量），為了提高冷卻塔的冷卻能力，可由小冷卻塔改為大冷卻塔，需要在冬季使用冷卻塔時應(yīng)解除冷卻水泵對應(yīng)冷卻塔的連鎖控制關(guān)系。

通常成都地區(qū)冬季溫度都在零度以上，但不排除極端氣溫達(dá)到了-6℃。出于安全考慮停泵存水的管道及室外補(bǔ)水管道及冷卻塔存水盤設(shè)置電伴熱。根據(jù)冷卻水溫度控制冷卻塔風(fēng)機(jī)啟停，冷卻水溫度低于5℃時，冷卻塔風(fēng)機(jī)停止，當(dāng)溫度升高至11℃時恢復(fù)。在冷卻水供回水干管間設(shè)置旁通管，當(dāng)關(guān)閉冷卻塔風(fēng)機(jī)時冷卻水溫度仍低于5℃時，打開旁通管，關(guān)閉冷卻塔供回水閥。

3　結(jié)論

通過以上的分析及對工程實例在兩種工況下運(yùn)行費(fèi)用的比較，在成都地區(qū)的大型商業(yè)內(nèi)區(qū)，冬季采用冷卻塔免費(fèi)供冷具有較為明顯的節(jié)能及節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的效果。本文工程案例中每年通過冷卻塔免費(fèi)供冷可節(jié)約能耗約為5.8萬度電，增加的初投資約在3.5年內(nèi)收回。內(nèi)區(qū)越大，效果越明顯，若內(nèi)區(qū)面積增大至商業(yè)面積20%，投資回收期將縮短至3年。

盡量利用原系統(tǒng)的冷凍、冷卻水泵。若為該系統(tǒng)單獨(dú)配置冷凍冷卻水泵，不但會增加制冷機(jī)房面積，投資回收期將增加至5年。板換的選型可適當(dāng)放大至1.2倍，一方面考慮冷卻水側(cè)的污垢熱阻會較常規(guī)閉式系統(tǒng)更大，另一方面有利于充分換熱，并延長冷卻塔供冷時間。冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口及填料處最易凍結(jié)，逆流塔效果優(yōu)于橫流塔，更不易凍結(jié)。

成都供熱期主要為1月、2月和12月，根據(jù)氣象參數(shù)，能夠采用冷卻塔免費(fèi)供冷的時間主要為12月和1月，從整個周期來看，采用此技術(shù)在冬季空調(diào)制冷能節(jié)約能耗30%以上。所以在系統(tǒng)設(shè)置時，可通過適當(dāng)降低冬季內(nèi)區(qū)舒適度，調(diào)整系統(tǒng)水溫，切換冷卻塔等方式盡量延長冷卻塔替代制冷機(jī)的供冷時間，以節(jié)約能源。

冬季內(nèi)區(qū)的新風(fēng)應(yīng)作為冷源直接送入室內(nèi)以降低室內(nèi)熱負(fù)荷，若還將新風(fēng)加熱至室溫（20℃）再送入室內(nèi)，室內(nèi)熱負(fù)荷將會明顯增大至夏季熱負(fù)荷的70%～80%，用普通風(fēng)機(jī)盤管和冷卻水難以處理此室內(nèi)負(fù)荷。而成都地區(qū)冬季室外通風(fēng)溫度高于室內(nèi)露點(diǎn)溫度，可直接送入室內(nèi)，以消除約20%的室內(nèi)冷負(fù)荷。

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The Applicability Analysis about Free Cooling by
Using Cooling Tower for Interior Zones of Large Commercial Building in Chengdu

Feng Yuan
( Chengdu JZFZArchitectural Co., Ltd, Chengdu, 610021 )

【Abstract】The theory and form of free cooling system are introduced. Through the analysis about cooling load of interior zones in winter, fan coil unit condition modification，the temperature of cooling tower supply and return water and outdoor climatic parameter of Chengdu, discussion the applicability of the technique in the area of large commercial area in Chengdu. Taking an example project of economic and suggestions for the design and operation are given.

【Keywords】Cooling tower; free cooling; applicability analysis

中圖分類號TU831

文獻(xiàn)標(biāo)識碼

文章編號：1671-6612（2016）01-042-05

收稿日期：2015-06-20