空气、水节能器替代冷水机组的节能方案

王 瑾 李新林 李书生 辛晶晶

(上海理工大学 城市与建筑学院 上海 200093)

由于建筑用途不同，有些建筑空调系统过渡季节和冬季仍需供冷。而冷水机组的选型根据夏季冷负荷确定，过渡季节和冬季冷负荷相对较小，造成冷水机组在低负荷工况下运行，极大地降低了冷水机组的效率，若采用离心式制冷机组，在低于30%的负荷率下运行时，易发生喘振，影响冷水机组的使用寿命[1]。

为使冷水机组低负荷时能够稳定运行，只能人为增加冷负荷，因此造成大量冷热混合损失，既增加冷水机组运行费用，也不符合节能减排要求。

拟采用系统的自然冷却技术解决这一问题。系统的自然冷却也称为免费冷却(Free Cooling)。即利用室外低温、低焓空气或水直接或间接供冷，部分或全部替代人工冷源，达到节能目的[1-3]。系统的自然冷却有两种方式:

1)直接利用室外低温低焓空气向室内供冷。简称空气节能器或空气经济器。

2)利用室外低温空气制备冷媒水，通过表冷器冷却室内空气。简称水节能器或水经济器[4]。

在过渡季节，首选的做法是采用全新风，达到停开冷水机组的目的。但是，全新风系统，必须配备足够大的排风机和排风管道。对既有建筑而言，加大排风量和排风管尺寸难以实施，业主允许和接受的可能性亦非常小。

1 节能方案

1.1 节能方案设计

冬季及过渡季的节能方案，以空气节能器叠加水节能器的方法替代冷水机组供冷。采用增加部分新风量，并遵循新、排风量基本平衡的原则进行设计。冬季室外空气的焓值很低，如果新风和回风的混合点M在送风状态点S的焓值Hs以下(图中阴影部分)，则完全可以由空气节能器承担室内冷负荷，其处理过程如图1(a)。在过渡季节，空气节能器不能完全承担室内冷负荷，在冷媒水管道上并联闭式冷却塔水节能器系统，以带走新风不能处理的冷负荷。其处理过程如图1(b)。

图1 过渡季与冬季空气处理过程Fig.1 Air handling process of Transition season and winter

1.2 空气节能器与水节能器联合运行的技术特点

图2 闭式冷却塔供冷系统图Fg.2 Closed cooling tower Cooling System drawing

图3 开式冷却塔供冷系统图Fg.3 Opened cooling tower Cooling System drawing

空气节能器加水节能器是利用冷却塔供冷来减少新、排风量与风管尺寸的扩充，并利用增大新风量供冷来减小冷却塔的尺寸，实现优势互补，两种方式联合供冷的可靠性高，能够灵活应对室外气候变化。

推荐采用闭式冷却塔供冷。闭式塔冷却水始终在冷却盘管内流动放热，与外界不接触，与冷却水的污染源实现了隔离，能保持表冷器管内的清洁[5]，避免了开式冷却塔供冷系统为保证水质增设中间换热器带来的热量损失；闭式冷却塔喷淋循环水量小，风机、喷淋水泵能耗和补水量亦小于开式塔。当室外湿球温度降到低于系统要求的冷却塔出口水温3℃～5℃时，即可将空调系统切换到该自然供冷模式[6,7]。

过渡季空调负荷较低，往往不到夏季工况的一半，在室内基本没有湿负荷的情况下，可适当提高冷冻水温度，经计算可将空调系统末端冷水的供水温度调至14℃～16℃，即可满足室内供冷的需要[8]。图2、3为闭式冷却塔供冷、开式冷却塔供冷的系统图。

2 设计改造实例

2.1 应用背景

以上海某研发中心大楼为例，建筑面积30000m2，配备了3台4220kW的离心式冷水机组。大楼实验室、通讯机房、数据中心总送风量为490000m3/h, 总排风量为130000m3/h。各房间温、湿度要求如表1。

表1 各房间温度要求Tab.1 Temperature requirements of Rooms

由于夜间、过渡季节和冬季冷水机组负荷率(≤30%)较低，离心式冷水机组易发生喘振，原先采取加热室外新风、开启供热等方法，人为地增加冷负荷，使冷水机组正常运行。

2.2 改造方案的设计计算

1) 室内送风状态点的确定

通过设计计算，采用加大新风管尺寸，提高管内风速等方法，将系统的新风量增至总风量的30%，达到150000m3/h。冬季系统总冷负荷Q=693kW。由于供冷的房间是实验室、数据中心、通讯机房，基本没有人员和其它湿负荷，所以热湿比线为垂直线，即图1上的SR线。根据公式:

式中:Q—冷负荷，kW；G—送风量，m3/h；hR、hs—室内空气点、送风点焓值，kW/kJ。

取室内温度为23℃，相对湿度50%，即hR=45 kJ/kg，代入式(1)得hS≤41kJ/kg。

当室外干球温度≤11℃，相对湿度≤62%，即混合风焓值≤41 kJ/kg(图1(a)中阴影部分)时，新回风比3:7混合后，空气节能器已完全能够处理室内的冷负荷。根据气象资料记载，上海12、1、2月份的气温均可由空气节能器单独供冷，如果新风比≥30%，则单独使用空气节能器的时间更长。

2) 闭式冷却塔的设计与计算

由于11、4月和3月部分天数的混合风不能完全平衡室内冷负荷，必须借助水节能器提供冷水，其处理过程如图1(b)所示。取上海地区11、3、4月份中室外平均温度最高的4月份，空气干球温度16℃，平均相对湿度为65%，求得闭式冷却塔的最大水量。

假定冷却水出口温度和喷淋水温度，根据已知的冷却塔参数计算冷却水出口温度，并与假定冷却水出口温度比较，直至计算值与设定值基本相等[9]。计算得出冷却水出口温度为15.5℃，小于设定值16℃。根据公式:

式中:QT—冷却塔负荷，kW；ρa、ρw—空气、水密度，kg/m3；ΔIT—状态点M和H的焓差，kW/kJ；CW—水的比热容，kJ/(kg.℃)；GV—水的体积流量，m3/h；ΔT—供回水温差，℃(一般取4℃)。

计算得出闭式冷却塔的负荷QT为376kW，流量GV为80m3/h，取20%裕量，闭式冷却塔的流量约为100m3/h。

2.3 改进方案的应用

综上所述，当室外干球温度≤16℃，相对湿度≤65%，即混合风焓值≤43.5 kJ/kg时，停止冷水机组主机供冷，系统转换为空气节能器叠加水节能器系统，将空调系统的新风阀和排风阀全部打开；当室外干球温度≤11℃，相对湿度≤62%，即混合风焓值≤41kJ/kg时，关闭水节能器，单独使用空气节能器；夏季将新风阀和排风阀复位到10%的开度，恢复冷水机组供冷，三种供冷模式切换简便。

3 节能效果

以该空调系统每年从11月份到4月份冷水机组平均负荷率为30%计，据YORK冷水机组30%负荷率时，运行实际电功率为额定功率(554kW)的37.9%，开式冷却塔水泵、风机实际电功率和冷却水循环量均由抄表记录可得。而改造系统的水节能器冷却水泵沿用原冷水机组冷冻水泵变频运行。研发中心采用节能系统的11、12月份，单独使用空气节能器共37d，空气节能器叠加水节能器使用共19d，达到预期节能目的。据上海气象记录统计结果，空调系统的冷水机组全年约可停开160d，空气节能器单独运行90d左右，空气节能器叠加水节能器运行天数70d左右。预计空气节能器叠加水节能器系统年节电量如表2。

表2 系统年节电量Tab.2 Year of System electricity saving

冷却塔补水量包括风吹飘逸损失、蒸发损失、排污损失和泄漏损失，冷却水量的1%～2%作为补水量[1]。原开式冷却塔实际冷却水循环量600m3/h(额定值875m3/h)，现闭式冷却塔喷淋水流量100m3/h，按冷却水量的1%计，每年约可节水19000m3。

电费按1.0元/kWh计，每年可节约电费为120万元；工业用水按4.0元/m3计，每年可节水费7.6万元，每年节省费用共计127.6万元。改造系统新增费用:冷却塔50万，自控装置10万，管材、辅助设施、安装施工费等共计15万元，总投资约75万。不到1年即可收回投资。案例中，研发中心大楼冷水机组24h×365天不间断运行，实际上多数建筑冷水机组每天运行10h，所以，具体工程的节能量随着冷水机组运行时间不同而各异。冷水机组每天运行10h的改造工程，回收初投资需2年左右。

4 结论

过渡季节和冬季，空气节能器叠加水节能器方法利用室外自然冷源，停开冷水机组，节约冷水机组运行费用，缩减设备尺寸，节约初投资。采用闭式冷却塔供冷，节电、节水。新增设备投资能在较短时间内收回成本，具有明显的经济效益。

空气节能器加水节能器的方法是值得推广的一种节能方案，对已有建筑的节能改造也具有十分重要的意义。在新建建筑的设计时，适当增加建筑的排风量及新、排风管尺寸，以便达到节能及减少冷水机组运行成本的理想效果。

本文受上海市教育委员会重点学科(J50502)项目资助.(This project was spported by the Leading Academic Discipline Project of Shanghai Municipal Education Commission(No.J50502).)

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