南海某文化中心地下商業(yè)空調(diào)冷卻塔免費供冷經(jīng)濟性分析

徐佳欣，程新紅，李哲存，孫衛(wèi)慧，羅智星

（1、廣州華森建筑與工程設(shè)計顧問有限公司 廣州 510045；2、西安建筑科技大學(xué) 西安 710000）

隨著全球能源的持續(xù)消耗，能源成為影響人類經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展必須重視的問題。在全球范圍內(nèi)，空調(diào)設(shè)備每年的能源消耗量約占人類每年總耗電量的10%，公共建筑空調(diào)能耗約占建筑能耗的50%。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，大型公共類建筑越來越多。對大型公共建筑內(nèi)區(qū)或地下商業(yè)建筑需要常年供冷的場合，不能通過加大室外新風(fēng)量獲得自然冷源實現(xiàn)免費供冷，可以采用冷卻塔免費供冷技術(shù)代替制冷機組供冷，實現(xiàn)免費供冷，降低冬季和過渡季空調(diào)運行成本，為建筑節(jié)能設(shè)計起到一定的作用和意義。［1］

1 冷卻塔供冷技術(shù)及其原理

1.1 冷卻塔供冷

冷卻塔供冷，是一種不使用制冷機組的供冷手段（國外稱為“免費供冷”free cooling），是在常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)部分管路和設(shè)備，當(dāng)室外氣象參數(shù)達(dá)到某些特定值，尤其是室外濕球溫度達(dá)到某個值以下時，關(guān)閉制冷機組，以流經(jīng)冷卻塔的循環(huán)冷卻水直接或間接向空調(diào)系統(tǒng)供冷，滿足建筑物空調(diào)需求及工藝供冷需求。在《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：GB 50189—2015》［2］中也明確指出，對冬季或過渡季節(jié)存在供冷需求的建筑，應(yīng)充分利用新風(fēng)降溫；經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟分析合理時，可利用冷卻塔提供空氣調(diào)節(jié)冷水。

1.2 冷卻塔供冷原理

某項目冬季和過渡季節(jié)地下室區(qū)域仍需供冷，因此用冷卻塔供冷技術(shù)，不開啟冷水機組等制冷設(shè)備，采用為冷水機組配置的冷卻水系統(tǒng)，通過冷卻塔與室外低溫空氣進行熱交換，獲取低溫冷卻水。

冷卻塔供冷原理如圖1 所示，冷卻塔供冷系統(tǒng)的宗旨是在最大限度縮短制冷機組的運行時間，使冷卻塔在適當(dāng)?shù)臍夂颦h(huán)境和建筑負(fù)荷條件下能替代制冷機組，充當(dāng)免費冷源，滿足建筑負(fù)荷需求。

圖1 冷卻塔供冷原理Fig.1 Cooling Tower Supply Principle

2 冷卻塔供冷系統(tǒng)參數(shù)確定

2.1 冷卻塔供冷負(fù)荷

本項目地下商業(yè)部分建筑功能為健身、餐飲，位于地下1 層和2 層的內(nèi)區(qū)，空調(diào)系統(tǒng)為風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)?？照{(diào)區(qū)域面積共7 342 m2。

冷卻塔供冷工況時系統(tǒng)所需冷量［3］可按式⑴計算，或按式⑵和式⑶簡化計算確定：

式中：Q為冷卻塔供冷工況時系統(tǒng)所需供冷量（kW）；qf為各房間風(fēng)機盤管負(fù)擔(dān)冷負(fù)荷（W）；Qb為冷卻塔供冷工況時內(nèi)區(qū)各房間風(fēng)機盤管標(biāo)；準(zhǔn)供冷工況供冷量qf的總和（kW）；β為建筑物內(nèi)需冬季供冷的房間風(fēng)機盤管負(fù)擔(dān)總冷量與風(fēng)機盤管在標(biāo)準(zhǔn)供冷工況的總供冷量的近似比；qfj為確定系統(tǒng)空調(diào)冷水計算溫度tL1j和tL2j的房間，其風(fēng)機盤管負(fù)擔(dān)冷負(fù)荷；qbj為其風(fēng)機盤管標(biāo)準(zhǔn)供冷量。

冬季供冷房間內(nèi)風(fēng)機盤管負(fù)擔(dān)冷負(fù)荷可按式⑷進行計算：

式中：qf為冬季供冷房間內(nèi)風(fēng)機盤管負(fù)擔(dān)負(fù)荷（W）；a為保證率，根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)房間的重要性等因素，取a=1.00～0.80；qn為供冷房間冬季室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷（W）；qx為冬季新風(fēng)負(fù)擔(dān)供冷房間的顯熱負(fù)荷（W）；Lx為房間新風(fēng)量（m3/h）；tn為冬季內(nèi)區(qū)供冷房間設(shè)計溫度（℃）；tx為冬季新風(fēng)送風(fēng)溫度（℃）。

逐時負(fù)荷計算得風(fēng)機盤管負(fù)荷為445.95 kW，新風(fēng)量為48 519 m3/h，冬季供冷房間設(shè)計溫度tn=26 ℃，佛山市的冬季通風(fēng)室外溫度tx=13.6 ℃。根據(jù)公式計算得：Q=0.8×445.95-0.337×48 519×（26-13.6）/1 000=154 kW，即冷卻塔供冷負(fù)荷為154 kW。

2.2 冷卻塔供冷系統(tǒng)設(shè)計

本項目北區(qū)冷源中心配置3大1小共4臺常規(guī)電制冷冷水機組，冷卻塔配置7臺250 m3/h模塊化的橫流冷卻塔。綜合文化館夏季設(shè)計冷負(fù)荷2 973.85 kW，設(shè)計供回水溫差6 ℃，冷水泵配置3 臺（2 用1 備），單臺冷水泵流量為213.3 m3/h。

因地下一層綜合文化館冬季冷負(fù)荷較小，原文化館的冷水泵流量偏大，小冷機的冷卻水泵流量也偏大。為避免大流量小溫差，冷卻水供回水溫差△tc按不小于2 ℃設(shè)計，冷卻水泵冷卻塔免費供冷時單獨配置1臺冷卻水泵。冷水泵也單獨配置1臺。

本項目冷卻塔免費供冷系統(tǒng)，冷水供回水溫差取2 ℃，冷卻水溫差取3 ℃設(shè)計（見圖2）。冷卻塔免費供冷的 冷 水 泵 流 量L1=Q/cρ△t=154×860/（1×1 000×2）=66.224 m3/h。

圖2 冷卻塔供冷原理示意圖Fig.2 Cooling Tower Cooling Principle Diagram

冷卻塔免費供冷的冷卻水泵流量L1=Q/cρ△tc=154×860/（1×1 000×3）=44.149 m3/h。

冬季冷水按供水溫度tL1=16 ℃、供回水溫差為2 ℃設(shè)計，冷水回水溫度為tL2=18 ℃。

因冬季空調(diào)負(fù)荷較小，選取1臺板式換熱器，板式換熱器的一、二次水溫差△tx宜取1～2 ℃，本項目△tx取1.5 ℃。

2.3 風(fēng)機盤管制冷能力校核

在冬季工況供水溫度tL1=16 ℃、供回水溫差為2 ℃設(shè)計，冷水回水溫度為18 ℃，對風(fēng)機盤管在此工況下的制冷能力進行統(tǒng)計校核，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，風(fēng)機盤管在冬季工況下的制冷量是274.66 kW，空調(diào)房間的所需盤管冷負(fù)荷為154.74 kW，風(fēng)機盤管在該工況下的制冷量也能滿足建筑的冷負(fù)荷需求，同時冷卻塔的供冷量也能滿足風(fēng)機盤管的供冷量需求（見圖3）。

圖3 供冷量比較Fig.3 Comparison of Cooling Capacity

2.4 確定供冷室外濕球溫度

根據(jù)《2020 ASHRAE Handbook——HVAC Systems and Equipment》中冷卻塔熱工特性曲線擬合水溫度與室外濕球溫度的回歸曲線和公式。由圖4 可知，室外濕球溫度為9.9 ℃時，出水溫度為12.5 ℃，則當(dāng)室外濕球溫度低于9.9 ℃時，都可滿足室內(nèi)的冷負(fù)荷需求。同理若出水溫度tc1=14.5 ℃，△tc=3 ℃，室外濕球溫度tw=12.1 ℃，都可滿足室內(nèi)冷負(fù)荷需求。［4］

圖4 冷卻塔特性曲線Fig.4 Cooling Tower Characteristic Curves

當(dāng)過渡季節(jié)（11 月～次年3 月）的室外濕球溫度小于12.1 ℃時，冷卻塔供冷系統(tǒng)可滿足空調(diào)房間負(fù)荷。

2.5 統(tǒng)計冷卻塔供冷時間

本項目位于佛山，佛山市典型氣象年的全年氣候條件統(tǒng)計如圖5所示。［5］

圖5 室外濕球溫度統(tǒng)計Fig.5 Outdoor Wet Bulb Temperature Statistics Chart

由圖5可知，在11月～次年3月的5個月內(nèi)，室外濕球溫度小于12.1 ℃下有832 h可用于冷卻塔供冷。

3 冷卻塔供冷經(jīng)濟性

按照佛山市的一般工商業(yè)用電峰平段平均電價0.857 95 元/kW·h 計算。過渡季節(jié)開啟冷卻塔供冷和開啟磁懸浮變頻冷水機組的耗電量對比（見表2）。

表2 過渡季耗電量對比Tab.2 Transitional Season Electricity Consumption Comparison

本項目一套冷卻塔供冷系統(tǒng)初投資增加費用將近10 萬元。［6］冷卻塔供冷系統(tǒng)每年節(jié)約的運行費用為6.511-2.147=4.365萬元。如此計算該系統(tǒng)靜態(tài)回收年限為2.29 年，此后每年可節(jié)約電費約4.365萬元。

4 冷卻塔供冷系統(tǒng)經(jīng)濟性影響因素

通過對空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化，最大限度地利用冷卻塔供冷，增加冷卻塔的供冷時數(shù)，影響冷卻塔供冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性主要有以下幾點：

4.1 系統(tǒng)的供冷溫度

選擇合適的供冷溫度，既可以滿足室內(nèi)的設(shè)計舒適性，又能增加冷卻塔的供冷小時數(shù)。［7］冷卻塔供冷時長統(tǒng)計如圖6 所示，當(dāng)供回水溫差為2 ℃時，室外濕球溫度要求低于12.1 ℃可滿足冷卻塔供冷，11月至次年3月過渡季節(jié)5 個月的時間滿足條件的供冷時長為832 h 。當(dāng)供回水溫度的溫差為4℃時，室外濕球溫度低于9.9℃時滿足冷卻塔供冷，滿足條件的供冷時長為429 h。

由圖6 可知，提高供冷室外濕球溫度可直接增加冷卻塔供冷時長，從12.1℃到9.9℃即可增加403 h，供冷小時數(shù)幾乎數(shù)增加一倍。

圖6 冷卻塔供冷時長統(tǒng)計Fig.6 Cooling Tower Cooling Hours Statistics

4.2 系統(tǒng)設(shè)備的選擇

合理選擇冷卻塔，結(jié)合冷卻塔特性曲線選擇合適的設(shè)備，確定滿足供冷的濕球溫度，增加冷卻塔的供冷時長。［8］

4.3 建筑負(fù)荷類型

本項目中地下室空調(diào)區(qū)采用了冷卻塔供冷系統(tǒng)，地上部分房間冬季或過渡季節(jié)全新風(fēng)工況，可利用室外低溫的新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷，無需額外增加供冷系統(tǒng)。［9］但對于采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)的大型辦公建筑的內(nèi)區(qū)，或大型商場的內(nèi)區(qū)，以及地下室等全年有供冷需求的建筑，過渡季節(jié)采用冷卻塔供冷系統(tǒng)可大大節(jié)省系統(tǒng)運行能耗，同時滿足建筑的舒適性要求。

5 總結(jié)

冷卻塔供冷技術(shù)快速發(fā)展并逐漸廣泛地運用在大型公共建筑中，取得了良好的經(jīng)濟效益。［10］按夏季風(fēng)盤選型，滿足冬季房間的供冷能力，盡量提高冷水的供冷溫度，有利于提高冷卻塔的濕球溫度，增加冷卻塔的供冷時長，提高冷卻塔免費供冷的經(jīng)濟性。建議冷卻塔供冷系統(tǒng)能夠作為節(jié)能系統(tǒng)大力推廣，同時建議冷卻塔制造廠家能夠繼續(xù)改善冷卻塔特性［11］，使得更多的南方地區(qū)也可以越來越多地采用此技術(shù)，從而降低運行費用，減少運行能耗。