冷却塔免费供冷在成都地区大型商业内区的适用性分析

冯　源（成都基准方中建筑设计有限公司　成都　610021）



冷却塔免费供冷在成都地区大型商业内区的适用性分析

冯源
（成都基准方中建筑设计有限公司成都610021）

【摘要】简要介绍了冷却塔免费供冷的原理及形式，通过对冬季商业内区冷负荷，风机盘管的工况修正，冷却塔供回水温度及成都地区室外气象参数等因素的分析，探讨了该技术在成都地区大型商业内区的适用性。并结合实际工程案例进行了经济性分析并给出设计及运行建议。

【关键词】冷却塔；免费供冷；适用性分析

作者（通讯作者）简介：冯源（1981-），男，硕士，高级工程师，E-mail：fengyuan@jzfz.com.cn

0　引言

随着商业体规模的增大，不可避免的出现了内区，即与建筑围护结构外边界相隔离的区域。该区域内的空调负荷不直接受来自外围护结构的日射得热，温差传热及空气渗透等的影响，只随区域内的照明，设备及人员发热量变化而变化，在冬季也存在冷负荷。为提高该区域冬季的舒适度，通常会采用分区两管制或四管制的水系统方式，在冬季对该区域进行供冷。

冷却塔免费供冷技术（free-cooling）作为一种绿色节能技术已被广泛运用于解决大型内区冬季冷负荷的工程项目中。该技术以常规的空调水系统为基础，适当增加部分设备及管路，当室外气象参数达到特定值，特别是室外湿球温度低于某个值以下时，关闭制冷机组，将冷却水直接或间接地为空调系统供冷。由于冷水机组的耗电量在制冷系统中占有极高的比例，利用冷却塔供冷节省大量的电费，故被称为“免费供冷”[3-5]。

图1　冷却塔工作原理图Fig.1 Schematic of cooling tower working

冷却塔的工作原理是空气经过一个增温加湿的过程，参见图1，能量的变化等于A2点与A1点的焓差。空气的增温加湿的大小与空气的相对湿度、温度、流速等因素有密切的关系，而空气的湿度越大，吸收的热量亦越小。成都冬季通常认为较为潮湿，在此气候条件下，该技术的应用适应性如何，本文将进行分析探讨。

1　技术分析

1.1前提条件

冷却水供冷方式为多种，本文主要探讨的方式为开式冷却塔间接供冷的方式，原理图参照图2。主要原因为：（1）大型商业项目制冷季冷却水需求量较大，通常采用开式冷却塔，设闭式冷却塔不经济；（2）由于冷冻水系统为闭式系统，而冷却水系统为开式系统，水流和室外空气接触换热，易被污染，容易对管道腐蚀结垢。

内区商业若采用全空气系统的区域可通过直接利用增大室外新风量来供冷，故冷却塔免费供冷仅针对内区设风机盘管加新风的空调系统[5]。

1.2商业内区冬季冷负荷分析

内区供冷房间的设计温度若按供冷工况的设计温度25～26℃，将与外区的18～20℃有明显的温度差异；而若与制热工况一样为20℃，对风机盘管处理能力及冷水温度要求较高，也不合适，故一般采用比外区高2～3℃，即22～23℃。只计算人员、灯光、设备等主要负荷。新风可作为冷源时，应最大限度的利用，故负荷中应扣除新风负担的负荷。并扣除由于内墙传热或往外区对流的热量。表格1，2分别为商铺及餐饮两种业态在冬夏季三种不同工况下需内区风机盘管处理的负荷指标对比[2]。

工况1：室内设计温度25℃/60%，送入新风温度为25℃。

工况2：室内设计温度22℃/30%，送入新风温度为5.6℃。

工况3：室内设计温度23℃/30%，送入新风温度为5.6℃。

表1　商铺室内冷负荷指标Table 1 Indoor cooling load of retails

表2　餐饮室内冷负荷指标Table 2 Indoor cooling load of restaurant

注：1.商铺按人员密度0.2人/㎡，新风量20m³/人·h，餐饮按人员密度0.25人/m2，新风量25m3/人·h；2.新风送风温度5.6℃采用成都冬季室外通风温度，高于室内露点温度4.5℃；3.由于冷却水温高于室内露点温度，故风机盘管为干盘管工况，不负担室内湿负荷，故未计算人员及食物潜热负荷。此部分散湿可适当提高室内相对湿度。

根据以上分析，扣除新风直接制冷后的冬季室内冷负荷与夏季冷负荷比值，普通商铺约为45%，餐饮约为40%。

1.3风机盘管供冷能力修正

表3　风机盘管供冷能力表Table 3 Cooling capacity of FCU

内区风机盘管根据夏季制冷工况进行选型，在冬季使用时，由于供回水温度发生变化，故需要进行修正。常用规格风机盘管按《风机盘管机组》（GB/T19232-2003）的基本规格在冷却塔直接供冷工况下的制冷能力按以下4种工况列出[1]，其工况的选择在确保其供冷能力能满足冬季冷负荷的前提下，应尽可能延长冷却塔使用时间，从而提高冷却水进水温度，参见表3。

1.4换热器，冷却塔的分析

换热器要求小温差取热，结构紧凑的，一般选用板式换热器，在选用时考虑到冷却水侧水质较差，容易造成污垢热阻，宜将板换适当放大1.15～1.2倍，同时，增大板换也对降低冷冻水侧水温，延长供冷时间有利。换热器温差一般选择1℃[7]。

对于同一冷却塔，一方面希望其供回水温差小，以利于在较高的室外湿球温度下使用；另一方面若温差过于小，水泵流量大，用电量增多[8]。故一般冷却水的供回水温差选择为2～3℃。

图4　流量比50%时冷却塔特性曲线Fig.4 Rerformance characteristics of cooling tower in the flow ratio of 50%

通过冷却塔供冷能力特性曲线[1]，可以确定冷却塔在不同水量、不同供水温度及不同温降的条件下，对室外湿球温度的要求。并且通过运行切换，冷却塔供冷系统可以利用原有一一对应的冷却水泵及冷却塔，切换成一台冷却水泵对应两台冷却塔（或小水泵对应大冷却塔），这样冷却塔在50%额定流量时比100%额定流量，由于换热更充分，能够在更高的湿球温度下进行制冷。

根据图3～4，供回水温差2度，冷却塔供水温度9℃时，流量比在100%时，要求室外湿球温度不高于约3.6℃；流量比在50%时，室外湿球温度不高于约6.2℃。冷却塔供水温度10℃时，流量比在100%时，要求室外湿球温度不高于约5℃；流量比在50%时，室外湿球温度不高于约7.3℃。

1.5成都冬季室外气象条件探讨

选取制热季节1月、2月及12月商业营业时段9:00～22:00期间的室外干湿球温度。考虑大型商业晚间空调关闭后，内区有一定蓄冷作用，所以考虑内区制冷时间为10:00～22:00，共12小时。参见表4[9]，可得冬季需制冷总时数为1080小时，其中湿球温度≤5℃的时数为496小时，≤7.3℃且＞5℃的时数为276小时，另有308小时冷却塔免费供冷效果较差，建议该时间段内开启制冷机。

表4　成都冬季室外干湿球温度表Table 4 Chengduoutdoorpsychrometer in winter

2　实例分析

2.1项目介绍

案例项目为成都地区一大型商业体，总建筑面积为71200平米，地上5层，包括商铺，百货，餐饮，电玩，影院等；地下2层，负一层为超市，其余区域及楼层为设备用房及车库。选取无外围护结构的区域作为内区，面积为6200平米，约占总商业面积9%。内区主要业态为商铺及餐饮。

该项目夏季空调冷源采用3台950TR离心式制冷机及1台350TR螺杆式制冷机，冷冻水泵及冷却水泵与制冷机一一对应设置。水泵均为变频。冷却塔与冷水机组一一对应设置，中间用集管连接，大小冷却塔的流量分别为690m³/h及255m³/h。

采用分区两管制的水系统形式，外区冷热切换，内区单冷。内区商铺及餐饮均采用风机盘管加独立新风的方式。内外区新风机组分设水环路，在冬季运行时，当室外新风焓值低于室内焓值，而温度高于室内露点温度时，可将新风作为冷源直接送入室内。

2.2技术经济分析

图5　冷却塔免费供冷系统原理图Fig.5 Schematic of free cooling

为降低内区冬季供冷费用，拟采用冷却塔免费供冷。冬季内区计算冷负荷为480kW，此负荷为扣除室外新风作为冷源所抵消部分室内负荷后的值。选用一台600kW的板式换热器，冷源采用冷却塔，可根据需要在大小冷却塔切换，设计供回水温度冷源侧10/12℃，负荷侧11/13.5℃。冷却/冷冻水泵采用对应350TR的小水泵，通过变频调整流量。系统原理图参见图5。

表5　系统增加投资Table 5 Increase investment

表6　制冷系统用电量对比Table 6 Comparison of power consumption for refrigeration system

表7　运行时间及费用对比Table 7 Performance period and cost comparison

根据上述分析比较，冷却塔免费供冷比采用冷水机组供冷节约电费约为50%，投资回收期较短，此方案可行。

2.3系统控制及防冻措施

冷冻水泵及末端设备的控制同常规空调系统相同。末端设备的开闭通过压差信号来调节水泵运行频率。

冷却水泵为定流量运行（而免费供冷时的设计流量低于夏季制冷时的设计流量），为了提高冷却塔的冷却能力，可由小冷却塔改为大冷却塔，需要在冬季使用冷却塔时应解除冷却水泵对应冷却塔的连锁控制关系。

通常成都地区冬季温度都在零度以上，但不排除极端气温达到了-6℃。出于安全考虑停泵存水的管道及室外补水管道及冷却塔存水盘设置电伴热。根据冷却水温度控制冷却塔风机启停，冷却水温度低于5℃时，冷却塔风机停止，当温度升高至11℃时恢复。在冷却水供回水干管间设置旁通管，当关闭冷却塔风机时冷却水温度仍低于5℃时，打开旁通管，关闭冷却塔供回水阀。

3　结论

通过以上的分析及对工程实例在两种工况下运行费用的比较，在成都地区的大型商业内区，冬季采用冷却塔免费供冷具有较为明显的节能及节约运行费用的效果。本文工程案例中每年通过冷却塔免费供冷可节约能耗约为5.8万度电，增加的初投资约在3.5年内收回。内区越大，效果越明显，若内区面积增大至商业面积20%，投资回收期将缩短至3年。

尽量利用原系统的冷冻、冷却水泵。若为该系统单独配置冷冻冷却水泵，不但会增加制冷机房面积，投资回收期将增加至5年。板换的选型可适当放大至1.2倍，一方面考虑冷却水侧的污垢热阻会较常规闭式系统更大，另一方面有利于充分换热，并延长冷却塔供冷时间。冷却塔的进风口及填料处最易冻结，逆流塔效果优于横流塔，更不易冻结。

成都供热期主要为1月、2月和12月，根据气象参数，能够采用冷却塔免费供冷的时间主要为12月和1月，从整个周期来看，采用此技术在冬季空调制冷能节约能耗30%以上。所以在系统设置时，可通过适当降低冬季内区舒适度，调整系统水温，切换冷却塔等方式尽量延长冷却塔替代制冷机的供冷时间，以节约能源。

冬季内区的新风应作为冷源直接送入室内以降低室内热负荷，若还将新风加热至室温（20℃）再送入室内，室内热负荷将会明显增大至夏季热负荷的70%～80%，用普通风机盘管和冷却水难以处理此室内负荷。而成都地区冬季室外通风温度高于室内露点温度，可直接送入室内，以消除约20%的室内冷负荷。

参考文献：

[1]北京市建筑设计研究院.北京地区冷却塔供冷系统设计指南[M].北京:中国计划出版社,2011:42-44,47-50.

[2]薛琴.冷却塔免费供冷系统在商业建筑中应用初探[J].建筑节能,2013,41(5):28-31.

[3]马最良,孙宇辉.冷却塔供冷系统运行能耗影响因素的研究与分析[J].暖通空调,2000,30(6):20-22.

[4]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):53-55.

[5]王菊花,方宇.重庆地区商业内区冷却塔免费供冷性能研究[J].发电与空调,2013,34(2):49-53.

[6]杨光,祁影霞,蒋慧.冷却塔供冷系统应用及节能设计分析[J].制冷与空调,2010,24(4):43-48.

[7]季阿敏,刘玮,李杰.冷却塔供冷节能技术应用研究[J].哈尔滨商业大学（自然科学版）,2009,25(2):214-217.

[8]王翔.冷却塔供冷系统设计方法[J].暖通空调,2009, 39(7): 99-104.

[9]中国气象局气象信息中心气象资料室等.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

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

中图分类号TU831

文献标识码

文章编号：1671-6612（2016）01-042-05

收稿日期：2015-06-20