孫宇棟，梁彩華，白曦

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096）

0 引言

醫(yī)院建筑一般包括門診部、住院部、醫(yī)技部、手術(shù)室等功能區(qū)，其中放療科、影像中心、檢驗(yàn)中心、外科手術(shù)室等特殊用途分區(qū)，位置上往往處于內(nèi)區(qū)，設(shè)備散熱量大且全年較穩(wěn)定。因此這些區(qū)域一般具有一定的常年冷負(fù)荷，需要在過渡季或冬季進(jìn)行供冷[1]?，F(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)大多采用全年冷水機(jī)組供冷方式，而在部分地區(qū)，由于過渡季及冬季室外空氣焓值較低，因此可以利用自然冷源部分或全部替代冷水機(jī)組供冷，從而降低空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。常見的自然冷源利用方式為冷卻塔供冷。常規(guī)制冷的冷水機(jī)組主機(jī)能耗在整個(gè)醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)能耗中約占50%～75%[1-3]，如在室外環(huán)境條件允許的情況下采用冷卻塔供冷，并盡可能增加冷卻塔供冷時(shí)長(zhǎng)，則可較大幅度減少冷水機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，降低空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

冷卻塔供冷技術(shù)有3種主要形式：開式冷卻塔直接供冷、閉式冷卻塔直接供冷、開式冷卻塔間接供冷[4]。其中開式冷卻塔加板式換熱器的間接供冷具有改造容易，維護(hù)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的冷卻塔供冷方式。SONG[5]對(duì)半導(dǎo)體廠冷卻塔供冷的節(jié)能性進(jìn)行了研究，通過歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能耗和制冷量，結(jié)果表明冷卻塔供冷有10%的節(jié)能效果。KOC等[6]的研究表明，冷卻塔供冷和冷水機(jī)組供冷聯(lián)合應(yīng)用于工業(yè)廠房的工藝?yán)鋮s時(shí)，系統(tǒng)全年節(jié)能率可達(dá)48%，投資回報(bào)期為一年。要準(zhǔn)確評(píng)估建筑采用冷卻塔供冷的節(jié)能潛力，關(guān)鍵是確定從機(jī)械制冷到冷卻塔供冷切換的臨界切換溫度。部分學(xué)者[7-9]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)確定冷卻塔逼近度，以此計(jì)算切換溫度，并探討不同切換溫度設(shè)定值對(duì)全年節(jié)能率的影響。LIU等[10]用冷卻塔供冷系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了冷卻塔尺寸、濕球溫度、冷負(fù)荷等因素對(duì)冷卻塔出水溫度的影響，提出切換溫度的計(jì)算公式。CHEUNG等[11]假設(shè)冷凍水供水溫度不變，模擬了不同工況下機(jī)械制冷和冷卻塔供冷的運(yùn)行，以冷卻塔供冷能效比高于機(jī)械制冷時(shí)的溫度作為切換溫度，指出設(shè)計(jì)合理的冷卻塔供冷系統(tǒng)全年有3%～15%的節(jié)能潛力。此外，學(xué)者們研究了尋找冷卻塔供冷時(shí)流量、溫度等優(yōu)化設(shè)定點(diǎn)的方法。曾曉慶[12]在TRNSYS中對(duì)冷卻塔與冷水機(jī)組聯(lián)合供冷系統(tǒng)建模，研究了冷卻水流量在換熱器和冷水機(jī)組中的優(yōu)化分配比例。LIAO等[13]提出了一種簡(jiǎn)化的方法對(duì)冷卻塔逼近度控制策略進(jìn)行優(yōu)化，利用數(shù)學(xué)模型分析了冷卻塔風(fēng)機(jī)耗功和逼近度的相關(guān)性。

然而，對(duì)于冷卻塔供冷節(jié)能潛力的研究，很少全面考慮室外環(huán)境和建筑需求對(duì)供水溫度和切換溫度的影響。導(dǎo)致冷卻塔供冷在實(shí)際應(yīng)用中主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定固定的切換溫度，也影響了運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化的準(zhǔn)確性，無法充分挖掘節(jié)能潛力。同時(shí)現(xiàn)有研究多針對(duì)工業(yè)建筑如數(shù)據(jù)中心、電子廠房等，對(duì)民用建筑的研究較少，而民用建筑在負(fù)荷特性和運(yùn)行策略上與工業(yè)建筑有較大區(qū)別。

本文以典型的民用建筑醫(yī)院對(duì)象建立冷卻塔供冷系統(tǒng)模型，提出冷卻塔供冷節(jié)能潛力的評(píng)估方法。以逐時(shí)總能耗最小為目標(biāo)，提出冷卻塔供冷的優(yōu)化策略，用實(shí)際案例研究切換溫度的變化規(guī)律，并對(duì)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行節(jié)能分析。

1 冷卻塔供冷系統(tǒng)仿真模型

冷卻塔供冷系統(tǒng)由冷卻塔、（板式）換熱器、冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)及供冷末端（風(fēng)機(jī)盤管或表冷器）等部件組成。本文分別對(duì)冷卻塔、水泵、表冷器、換熱器等主要部件建立完整的冷卻塔供冷系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)冷卻塔供冷系統(tǒng)仿真。

1.1 冷卻塔模型

本文采用Merkel法建立橫流冷卻塔的傳熱傳質(zhì)模型[14]，在冷卻塔內(nèi)的熱質(zhì)交換過程控制方程組中，僅包含a，βt，F(xiàn)z這3個(gè)與冷卻塔結(jié)構(gòu)和換熱性能有關(guān)的參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或冷卻塔性能曲線獲取，通過有限差分法求解填料內(nèi)不同位置和冷卻塔進(jìn)出口空氣及水的物性參數(shù)。冷卻塔內(nèi)熱質(zhì)交換過程的控制方程為：

式中，a為填料比表面積；βt為傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m2·s)；Fz為填料橫截面積，m2；Mw,t為冷卻塔內(nèi)水質(zhì)量流量，kg/s；Ma,t為冷卻塔空氣質(zhì)量流量，kg/s；Xs,w為水溫對(duì)應(yīng)的飽和空氣含濕量，kg/(kg干空氣)；ha,t為冷卻塔內(nèi)空氣焓值，kJ/kg；ha,s為水溫對(duì)應(yīng)的飽和空氣焓值，kJ /kg；Tw,t為冷卻水溫度，℃；cp,v,w為以冷卻水溫度為定性溫度的水蒸氣定壓比熱；r0為水0 ℃時(shí)的汽化潛熱，kJ/kg。

1.2 水泵模型

冷卻塔供冷系統(tǒng)最主要的能耗來自冷卻水泵。單臺(tái)水泵在額定轉(zhuǎn)速下，揚(yáng)程、輸入功率和效率可以表示為流量Qp的關(guān)系式：

式中，Hp為水泵的揚(yáng)程，m；Np為水泵的軸功率，kW；εp為水泵效率；a、b、c均為性能常數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)?yīng)型號(hào)的性能曲線擬合得到。

1.3 板式換熱器模型

板式換熱器是冷卻塔供冷系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，它將冷凍水和冷卻水分隔開來，實(shí)現(xiàn)換熱過程的同時(shí)保證了冷凍水的水質(zhì)。采用效能-傳熱單元數(shù)法[15]構(gòu)建板式換熱器的模型為：

式中，ε為換熱器傳熱效能；t1′-t2′為流體在換熱器中可能發(fā)生的最大溫差，(t′-t′)max為冷流體或熱流體在換熱器中實(shí)際溫差的最大值；NTU為換熱器傳熱單元數(shù)；K為換熱器總傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；F為換熱器總換熱面積，m2；Gmin和Gmax分別為換熱器中流體當(dāng)量數(shù)值的最小值和最大值；Q為換熱器的傳熱量，kW。

目前全球經(jīng)濟(jì)動(dòng)蕩，傳統(tǒng)工業(yè)制造業(yè)發(fā)展更為艱難，在此背景下，城市發(fā)展會(huì)展旅游業(yè)就顯得尤為重要。會(huì)展旅游業(yè)的發(fā)展可以帶動(dòng)一大批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)行業(yè)聯(lián)動(dòng)，提升行業(yè)整合優(yōu)化水平，進(jìn)一步優(yōu)化旅游模式，促進(jìn)旅游產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)成都市整體的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

2 冷卻塔供冷節(jié)能潛力評(píng)估方法

對(duì)建筑采用冷卻塔供冷的節(jié)能潛力進(jìn)行評(píng)估的方法如圖1所示，評(píng)估方法為：1）采用第1節(jié)的方法，對(duì)各部件建立性能模型，實(shí)現(xiàn)冷卻塔供冷系統(tǒng)仿真；2）根據(jù)不同類型房間在冷卻塔供冷時(shí)的冷負(fù)荷，確定供冷最不利房間，以該房間末端需求供水溫度作為系統(tǒng)冷凍水供水溫度；3）確定逐時(shí)冷凍水供水溫度及冷卻塔最大可提供制冷量，進(jìn)而確定冷卻塔供冷切換溫度；4）以能效最高為目標(biāo)對(duì)滿足冷卻塔供冷條件的所有時(shí)刻工況進(jìn)行設(shè)定值尋優(yōu)，對(duì)比常規(guī)機(jī)械制冷的能耗，獲得建筑全年節(jié)能潛力。

圖1 冷卻塔供冷節(jié)能潛力評(píng)估流程

2.1 確定供冷最不利房間

在冷卻塔供冷系統(tǒng)中，空調(diào)末端供水溫度相比夏季提高，在末端設(shè)備已經(jīng)選定的情況下，提高供水溫度會(huì)使末端供冷量減小，末端冷量需求越小，供水溫度可以提高得越多[16]。若存在一個(gè)房間，在末端設(shè)備風(fēng)量和水流量達(dá)到最大時(shí)，滿足室內(nèi)負(fù)荷需求的供水溫度低于其他房間，則稱其為供冷最不利房間。末端設(shè)備是按照房間全年峰值冷負(fù)荷進(jìn)行選型，因此冷卻塔供冷時(shí)的最不利房間是冷負(fù)荷占末端額定制冷量比例β最大的房間。

式中，qf為各房間冷卻塔供冷時(shí)的峰值冷負(fù)荷，kW；qb為各房間末端設(shè)備額定制冷量，kW；

風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)量一定時(shí)，任一工況下的制冷量[17]：

式中，ts1和t′s1分別為額定工況和任一工況的進(jìn)口濕球溫度，℃；tg1和t′g1分別為額定工況和任一工況的進(jìn)水溫度，℃；W和W′分別為水流量，m3/h；系數(shù)p取值0.0167，n、m與風(fēng)機(jī)盤管的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

當(dāng)末端水流量不變時(shí)，W=W′，上式可簡(jiǎn)化為：

通過式(15)求解最不利房間末端在不同冷負(fù)荷下的最高允許供水溫度，即此時(shí)系統(tǒng)所需的供水溫度。m可通過不同工況下產(chǎn)品性能參數(shù)擬合得到。

2.2 確定冷卻塔供冷臨界切換溫度

當(dāng)室外濕球溫度低于切換溫度時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)由機(jī)械制冷切換至冷卻塔供冷，冷卻塔供冷的可運(yùn)行時(shí)間與切換溫度成正比。設(shè)定的切換溫度過低會(huì)導(dǎo)致冷卻塔節(jié)能潛力無法充分發(fā)揮，因此需要確定合理的切換溫度。對(duì)特定系統(tǒng)，給定濕球溫度、相對(duì)濕度及冷負(fù)荷，確定冷凍水供水溫度和冷卻塔的出水溫度設(shè)定值，計(jì)算冷卻塔在水流量達(dá)到上限時(shí)的總制冷量。若冷卻塔供冷最大制冷量與冷負(fù)荷相等，則達(dá)到臨界狀態(tài)，切換溫度等于濕球溫度；否則改變濕球溫度，重新計(jì)算供水溫度等參數(shù)，進(jìn)行迭代，確定該工況的切換溫度。具體流程如圖2所示。

圖2 冷卻塔供冷切換溫度優(yōu)化流程

2.3 冷卻塔供冷運(yùn)行優(yōu)化策略

式中，nt為冷卻塔運(yùn)行臺(tái)數(shù)；Qt為單臺(tái)冷卻塔制冷量，kW；N為系統(tǒng)的總能耗，kW；EERs為系統(tǒng)的總能效比；Nfn為單臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行的能耗，kW；Npn為多臺(tái)水泵并聯(lián)變頻運(yùn)行的能耗，kW。

在某一工況下，根據(jù)冷負(fù)荷、室外氣象參數(shù)、所需的供水溫度及一定的約束條件，使用模式搜索法求解冷卻水流量、冷卻塔風(fēng)量、冷卻塔運(yùn)行臺(tái)數(shù)等運(yùn)行參數(shù)的最優(yōu)值，同時(shí)采用上述的運(yùn)行策略，使冷卻塔供冷系統(tǒng)運(yùn)行在能效最高的狀態(tài)。

3 案例分析

3.1 系統(tǒng)概況與模型驗(yàn)證

某醫(yī)院位于南京，冷卻水系統(tǒng)由6臺(tái)冷卻水泵和22臺(tái)同規(guī)格開式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔組成。系統(tǒng)各設(shè)備配置及參數(shù)如表1。該醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)全年24 h運(yùn)行，使用燃?xì)忮仩t為整座建筑供熱，使用冷水機(jī)組供冷。

表1 某醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備配置及設(shè)計(jì)參數(shù)

為驗(yàn)證本文所建模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了冷卻塔供冷系統(tǒng)變冷卻水總流量（310～570 m3/h）和變冷卻塔數(shù)量（8～12）的15組實(shí)驗(yàn)，與同工況下的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻水泵頻率分別設(shè)定為50、45、40、35和30 Hz，此時(shí)冷卻塔運(yùn)行數(shù)量分別設(shè)定為8臺(tái)、10臺(tái)和12臺(tái)。實(shí)驗(yàn)時(shí)的室外干球溫度為7 ℃，相對(duì)濕度為62%，冷凍水流量恒為440 m3/h。

圖3所示為二次側(cè)（板式換熱器冷凍水側(cè)）出水溫度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值比較，最大偏差在±0.2 ℃，相對(duì)偏差在±5%以內(nèi)。圖4所示為冷卻塔供冷系統(tǒng)EER實(shí)驗(yàn)值與模擬值的比較，最大偏差在10%以內(nèi)，模型準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證。

圖3 二次側(cè)出水溫度實(shí)驗(yàn)值與模擬值比較

圖4 冷卻塔供冷系統(tǒng)EER實(shí)驗(yàn)值與模擬值比較

采用Open Studio軟件對(duì)整座建筑進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，采用南京地區(qū)典型年氣象數(shù)據(jù)，模擬時(shí)取建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)屋頂、外墻、內(nèi)墻、外窗的傳熱系數(shù)分別為0.45、0.70、2.01和2.44 W/(m2·K)。建筑主樓屋頂標(biāo)高為58 m，地下二層底板標(biāo)高為10.5 m，總建筑面積為225,191 m2。全年負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果見圖5。

圖5 某醫(yī)院全年冷負(fù)荷變化趨勢(shì)

3.2 最不利房間

南京地區(qū)夏季室外計(jì)算干球溫度35 ℃，相對(duì)濕度60%；冷卻塔供冷時(shí)室外計(jì)算干球溫度和相對(duì)濕度取秋冬過渡季[19]平均值，分別為15.6 ℃，75%，比較不同類型房間末端設(shè)備的額定制冷量與冷卻塔供冷時(shí)的峰值冷負(fù)荷，如圖6所示。

圖6 三種類型房間冷卻塔供冷時(shí)冷負(fù)荷與末端額定負(fù)荷比較

在末端選定的情況下，從夏季到過渡季，X光造影室制冷量減少比例最小，冷凍水供水溫度可提升空間最小，即在過渡季滿足室內(nèi)負(fù)荷需求的供水溫度低于其他房間，故將X光造影室作為供冷最不利房間，確定仿真中冷凍水供水溫度設(shè)定值。

3.3 臨界切換溫度

該醫(yī)院的X光造影室風(fēng)機(jī)盤管型號(hào)為FP-102，面積為25 m2；層高為4.2 m；新風(fēng)量為210 m3/h；風(fēng)量為1 020 m3/h，水質(zhì)量流量980 kg/h?；仫L(fēng)溫濕度設(shè)定為24 ℃，60%。室內(nèi)濕負(fù)荷為120 g/h，計(jì)算可得干球溫度為23.3 ℃，相對(duì)濕度為60%的新風(fēng)即能完全承擔(dān)濕負(fù)荷，故冷卻塔供冷時(shí)末端可視為僅需承擔(dān)顯熱冷負(fù)荷。新風(fēng)干球溫度降低，承擔(dān)的冷負(fù)荷增大，末端應(yīng)承擔(dān)的冷負(fù)荷減小。由式(15)求得滿足負(fù)荷需求的供水溫度，m=0.09。如圖7所示，干球溫度從17 ℃下降到1 ℃，風(fēng)機(jī)盤管應(yīng)承擔(dān)的冷負(fù)荷降低了37.9%，冷凍水供水溫度增加了4.0 ℃。

圖7 風(fēng)機(jī)盤管應(yīng)承擔(dān)的冷負(fù)荷與滿足負(fù)荷所需的冷凍水供水溫度隨室外條件的變化

根據(jù)圖2流程得到系統(tǒng)在不同負(fù)荷率和相對(duì)濕度下對(duì)應(yīng)的臨界切換濕球溫度如圖8所示。由圖8可知，相對(duì)濕度和切換溫度成正比，這是因?yàn)橄嗤手档臐窨諝?，隨著相對(duì)濕度增大，對(duì)應(yīng)的干球溫度降低，系統(tǒng)需要的冷凍水供水溫度增大，冷卻塔換熱效率提高。濕球溫度提高，同一出水溫度下冷卻塔最大制冷量降低，因此負(fù)荷率越高，對(duì)應(yīng)的切換溫度越低。

圖8 優(yōu)化后不同負(fù)荷率時(shí)的臨界切換濕球溫度變化

圖9所示為南京地區(qū)全年濕球溫度與某醫(yī)院冷卻塔供冷切換溫度變化趨勢(shì)。由圖9可知，某醫(yī)院全年切換溫度的最小值和最大值分別為3.25 ℃和9.52 ℃，濕球溫度低于3.25 ℃的時(shí)刻共計(jì)1 639 h，均適用冷卻塔供冷；濕球溫度介于3.25 ℃和9.52 ℃的時(shí)刻共1 806 h，其中1 344 h適用冷卻塔供冷，濕球溫度高于9.52 ℃時(shí)均不適用冷卻塔供冷。冷卻塔全年可供冷時(shí)間共計(jì)2 983 h，占全年供冷時(shí)長(zhǎng)比例為34.1%。

圖9 南京地區(qū)全年濕球溫度與某醫(yī)院冷卻塔供冷切換溫度變化趨勢(shì)

3.4 優(yōu)化結(jié)果及節(jié)能潛力

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化，以總能效最高為目標(biāo)尋優(yōu)的約束條件為：?jiǎn)闻_(tái)冷卻塔風(fēng)量V為58 500～117 000 m3/h，單臺(tái)冷卻塔水流量Q為20～200 m3/h，冷卻塔臺(tái)數(shù)n為1～22。得到最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)如表2、表3，室外條件設(shè)定為1月和3月的平均溫濕度，分別代表冬季與過渡季的典型氣象條件?？梢钥闯鲈谪?fù)荷與濕球溫度均較低時(shí)，風(fēng)機(jī)低頻率運(yùn)行并盡量多開冷卻塔時(shí)，冷卻塔效率較高，需要的水量較少；隨著負(fù)荷和溫度的升高，冷卻塔運(yùn)行數(shù)量達(dá)到最大無法繼續(xù)增加，且此時(shí)冷卻塔效率較低，故需要的水量和風(fēng)量都大幅增加。

表2 不同負(fù)荷下最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)（室外條件2.2 ℃，76%）

表3 不同負(fù)荷下最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)（室外條件8.8 ℃，69%）

該系統(tǒng)在采用常規(guī)控制方式[20]、冷卻塔額定流量、冷凍水7 ℃定水溫運(yùn)行，全年使用冷水機(jī)組供冷時(shí)的總能耗為9.1×106kW·h，總能效比為4.15。采用冷卻塔供冷并優(yōu)化后，月累計(jì)節(jié)能量和供冷時(shí)長(zhǎng)變化趨勢(shì)如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后月累計(jì)節(jié)能量和冷卻塔供冷時(shí)長(zhǎng)

全年7個(gè)月中可以進(jìn)行冷卻塔供冷，12月至次年1月冷卻塔供冷可用時(shí)間最長(zhǎng)，節(jié)能效果最好。優(yōu)化后冷卻塔供冷時(shí)的總EER為16.0，系統(tǒng)采用冷卻塔供冷后全年總EER為4.37，相比全年冷水機(jī)組供冷提高5.3%。累計(jì)節(jié)能量為4.61×105kW·h，相比適用冷卻塔供冷的時(shí)刻，節(jié)能率為68.0%，相比全年能耗，節(jié)能率為5.1%。因此該系統(tǒng)采用冷卻塔供冷將有明顯的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

本文針對(duì)醫(yī)院建筑的能耗特點(diǎn)，提出了冷卻塔供冷系統(tǒng)的仿真模型構(gòu)建和系統(tǒng)節(jié)能潛力評(píng)估的一般性方法。研究了冷卻塔供冷切換溫度的優(yōu)化及達(dá)到總能效最優(yōu)的系統(tǒng)控制策略。使用實(shí)際案例對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了節(jié)能分析，結(jié)果表明：

1）考慮新風(fēng)承擔(dān)最不利房間部分冷負(fù)荷，新風(fēng)干球溫度從17 ℃下降到1 ℃，最不利房間末端的最高允許供水溫度增加了4.0 ℃；

2）系統(tǒng)負(fù)荷率越大，冷卻塔供冷所需的臨界切換溫度越低，室外濕球溫度大于9.52 ℃時(shí)，目標(biāo)案例即不適用冷卻塔供冷；

3）優(yōu)化后冷卻塔供冷可運(yùn)行2 983h，占全年供冷總時(shí)數(shù)的比例為34.1%；全年累計(jì)可節(jié)能量4.61×105kW·h，相比適用冷卻塔供冷的時(shí)刻節(jié)能率為68%，全年節(jié)能率為5.1%。