合肥万达城内区免费制冷的经济性分析

宣丰 刘刚 徐铭明 甘长德

东华大学环境科学与工程学院

合肥万达城内区免费制冷的经济性分析

宣丰 刘刚 徐铭明 甘长德

东华大学环境科学与工程学院

针对合肥地区的万达实际项目，比较免费制冷和常规空调系统两种方式的内区供冷系统初投资，并根据当地的能源价格，比较两种方式的全年运行费用，得出了该项目免费制冷的回收期。结果表明，采用免费制冷的方式进行内区供冷虽然造成初投资略有增加，但使能耗降低较多，具有较好的经济性。

内区供冷 免费制冷 运行费用 经济性

本文比较了两种内区供冷的空调方式：第一种是采用冷却塔给内区供冷，在过渡季节和冬季使用冷却塔提供的冷水，通过板式换热器以间接供冷的系统形式，为内区提供冷量，使用该种方式能够降低能耗但同时系统变复杂，初投资有所增加[1]；第二种是内区采用普通制冷方式，即用开启水冷机组进行供冷。本文研究了这两种内区供冷方式在满足室内设计要求的前提下，哪种方式更具有经济性。

1 工程概述

本项目位于安徽省合肥市，建筑面积约为19万m2，地下一层为超市和车库，地上一层为各主力店和步行街，地上二、三层为各娱乐设施如餐饮、电玩、KTV、影厅等。过渡季节和冬季室内设计温度为20℃，夏季设计冷负荷为14000kW，过渡季节和冬季内区冷负荷为1540kW。

2 采用冷却塔免费制冷分析

2.1 冷却塔免费制冷形式选择

采用冷却塔免费供冷，即在室外气象参数满足特定条件时，通过增设的管路及设备，使冷却水不经过空调机组换热，直接或间接向空调系统供冷[2]。

冷却塔免费制冷主要分为开式冷却塔直接供冷、开式冷却塔间接供冷、闭式冷却塔供冷和冷冻机制冷剂制冷循环。为了保障系统运行的可靠性和稳定性，目前的空调系统多选择间接式供冷系统[3]，故本工程拟选用该种开式冷却塔间接供冷。

2.2 冷却塔切换温度的确定

在系统运行时，冷却塔冷却水的出口水温很大程度上是由室外空气湿球温度决定的。对于一种结构已确定的冷却塔而言，在一定的流量下，冷却水理论上能降低到的极限温度为当时室外空气的湿球温度。过渡季节和冬季室内冷负荷减小时，冷冻水供水设计温度可以适当提高至10～15℃不等；对于间接供冷系统，由于增加一个板式换热器的换热温差，一般取1～3℃；实际情况下冷却塔出口冷却水设计温度一般比空气湿球温度高3～5℃。

冷却塔切换的临界温度计算公式如下：

式中：TEX为冷却塔供冷的切换温度，℃；Tcs为末端冷冻水的供水温度，冷却塔供冷时可取10～15℃；△KEX为板式换热器的换热温差，而对于间接冷却塔供冷时取1～3℃；△Tapproach为冷却塔的冷幅，取2～10℃[4]。

2.3 本项目具体设计

针对该项目，在原有的空调系统的基础上增设了一个与制冷机组并联的板式换热器，在冬季和过渡季室外气象参数满足条件时，系统采用该模式运行，冷水机组停止工作，通过三通换向阀使冷却水从冷却塔进来后通过板式换热器与循环的冷冻水进行热交换，冷冻水与冷却水不直接接触，避免了冷冻水系统受冷却水的水质影响造成腐蚀和堵塞等现象。根据式（1）中各值的取值范围并查阅相关文献得知，可以将湿球温度7～10℃作为切换温度。

过渡季节非全空气系统内区冷负荷为1540kW；冷冻水设计供回水温度为7℃/12℃，板式换热器温降为1℃，冷却水侧进出水设计温度为8℃/13℃，冬季冷却塔冷幅按3℃考虑，当室外湿球温度到达10℃或以下时，可以利用冷却塔和板式换热器间接供冷。根据负荷估算结果，过渡季节和冬季建筑内区的冷负荷为夏季空调冷负荷的11%左右。室外湿球温度9℃作为免费供冷临界温度，则干球温度约为12℃以下时，可以关闭冷水机组，采用冷却塔免费供冷。假定空调运行时间为9:00～21:00，通过大致统计全年供冷运行时间为4745h，可以采用免费供冷时间为1681h，约占全年总供冷时间的35.4%。4月份和10月份可采用免费供冷时间很少，故可以近似认为这两个月不适合采用免费供冷，则实际可采用免费供冷的月份为1月、2月、3月、11月和12月，共1636h，占全年供冷时间的34.5%。时间分布见表1。

表1 可采用免费制冷时间分布表

2.4 经济性分析

2.4.1 新风预热费用

采用冷却塔免费制冷时室外空气同样需要预热至12℃送入，预热时间约为1600h，室外空气平均温度为6.04℃，焓值i3约为10.4 kJ/kg，6℃时空气密度取ρ=1.263kg/m3，合肥商用燃气价格3.66元/Nm3，则采用新风预热所需燃气费用按下式计算：

式中：i2、i3表示室内外空气焓值，kJ/kg；G表示新风量，m3/(h·p)；ρ表示空气密度，kg/m3；S表示区域面积，m2；t表示内区供冷时间，h；η表示燃气锅炉效率；n表示人员密度，m2/p。

商铺：Q=(18.6-10.4)×20×1.263×15231×1600/0.94/ 4=1342479784kJ，耗气量为37349Nm3，燃气费13.67万元；

电玩：Q=(18.6-10.4)×30×1.263×1468×1600/0.94/3= 258782788kJ，耗气量为7199Nm3，燃气费2.63万元；

KTV：Q=(18.6-10.4)×20×1.263×2796×1600/0.94/ 2.5=394308815kJ，耗气量为10969Nm3，燃气费4.01万元；

餐饮：Q=(18.6-10.4)×25×1.263×12730×1600/0.94/ 2.5=2244076902kJ，耗气量为62426Nm3，燃气费22.85万元。

预热所需燃气费用共约43.17万元/年。

2.4.2 风机运行费用

风机盘管加新风的模式中新风机耗电量按以下方法计算[5]：风量G约为24000m3/h，风机的最大耗功率取0.48W/(m3/h)，则总耗电量=24000×0.48×1600/ 1000=18432kWh，电费为22.12万元/年。

室内总处理风量取10次换气次数，则单位面积风量为32m3/h，而单位面积新风量为7.5m3/h，所以风机盘管单位面积处理风量为24.5m3/h，风机的最大耗功率取0.12W/(m3/h)，则风盘开启耗电量为2.94W/m2，则免费制冷期间风机盘管运行耗电量：Q=32225×2.94× 1600/1000=151586kWh，合肥电价为1.20元/kWh，则电费为18.2万元/年。

2.4.3 初投资费用

[6]中实例投资对本工程项目简单分析如下，新风部分与常规系统不存在差异，冷却水通过板式换热器与冷冻水进行换热，参考该文献中板式换热器性能和价格，约为1200元/m2，换热器两侧温差按1℃计算，传热系数按6000W/(m2·℃)，可换算得出每kW换热量（即内区供冷量）需增加的设备初投资约200元，板式换热器所接管道阀门及自控等以设备投资50%估算，则系统增加的初投资约为300元/kW，风机盘管加新风系统中，考虑12℃新风承担的供冷能力，则风机盘管需负担的内区冷量为933kW，所增加的设备初投资约279776元（27.98万元）。此时需考虑冷却塔在室外温度低于0℃时（约62h）系统内的水存在结冰的可能，系统应当设置增加前文所述辅助加热设施，此时设备初投资增加量将比27.98万元略高，同时电加热运行时增大一定耗电量，估计为29.4万元。

3 采用常规方式内区供冷

如采用冷水机组供冷，则在可采用前两种方式的1600h中，系统总制冷量为2464000kWh，运行工况下COP约为5.1，耗电量为483137kWh，安徽省商业用电平均电价约为1.20元/kWh，需用电费579764.7元（约57.98万元）。

新风需处理到室内状态点20℃送入，焓值i4约为29.5kJ/kg，室外空气平均温度为6.04℃，焓值i3约为10.4kJ/kg，6℃时空气密度取ρ=1.263kg/m3，合肥商用燃气价格3.66元/Nm3，则采用预热新风所需燃气费用计算参照式（2）。

商铺：Q=(29.5-10.4)×20×1.263×15231×1600/0.94/ 4=3126995594kJ，耗气量为86986Nm3，燃气费31.84万元；

电玩：Q=(29.5-10.4)×30×1.263×1468×1600/0.94/3= 602774543kJ，耗气量为16768Nm3，需耗燃气费6.14万元；

KTV：Q=(29.5-10.4)×20×1.263×2796×1600/0.94/ 2.5=918451020kJ，耗气量为25549Nm3，需耗燃气费9.35万元；

餐饮：Q=(29.5-10.4)×25×1.263×12730×1600/0.94/ 2.5=5227057174kJ，耗气量为145405Nm3，需耗燃气费53.22万元；

共计预热所需燃气费用约100.54万元/年。

4 两种方式综合比较

由表2可知，采用冷却塔免费制冷的方式，在室外温度达到运行要求时，可以满足内区供冷的要求，除增加板式换热器和部分管道外，其余设备与常规系统相同。内区供冷时冷水机组不运行，仅靠运行冷却塔实现制冷要求。

表2 两种内区供冷方式经济性对比表

根据表2可知，采用免费制冷方式比常规方式节省能源费115.35万元/年，增加初投资费用约29.4万元，0.5年内可回收初投资增加成本，回收期短，节能性很好。

5 总结

采用开式冷却塔间接式免费供冷需要在原有的空调系统上增设部分设备和控制系统，并且需要注意防止循环水结冰来保证系统运行的可靠性，这些将会增加系统的初投资费用及控制管理难度，但该内区供冷方式能够在保证内区设计温度的同时，体现较好的经济性，大幅降低能耗，值得推广采用。

参考文献

[1]赵建成,安爱民.空调分区系统中几种空调方式的探讨[A].见: 2006全国暖通空调制冷学术年会[C].2006.99-102

[2]徐欣,杨木和.应用冷却塔免费供冷技术的特性分析[J].制冷技术,2012,32(2):57-59

[3]苗培,张杰,石鹤.冷却塔供冷系统设计方法总结与探讨[J].暖通空调,2008,38(5):74-78

[4]李竞.过渡季节冷却水的节能应用研究[D].上海:同济大学, 2007

[5]公共建筑节能设计标准(GB50189-2005)[S].北京:中国建筑工业出版社,2005

[6]王翔.冷却塔供冷系统设计方法[J].暖通空调,2009,39(7):99-103

Ec onom ic Re s e a rc h on Fre e Cooling Sys te m for Inte rior Zone s of Wa nda City in He fe i

XUAN Feng,LIU Gang,XU Ming-ming,GAN Chang-de
School of Environmental Science and Engineering,Donghua University

An actual project in Hefei city was analyzed,which compared the initial investment of free cooling system and conventional air conditioning system applied in interior zone.According the local energy prices,the annual operation cost was compared,and the payback period of the project for free cooling system was figured out.The results show that the free cooling system increase the initial investment slightly,but reduce the energy consumption more largely.It has a good economical efficiency.

interior zone cooling,free cooling system,operation cost,economical efficiency

1003-0344（2015）05-054-3

201405-25

宣丰（1989～），男，硕士研究生；上海市松江区人民北路2999号东华大学4号环境学院楼3137（201620）；E-mail:violaxu001@163.com