某酒店冷却塔供冷系统的应用

文/张守峰 元石机电设计（上海）有限公司 上海 201103

冷却塔供冷系统目前已经是很成熟的一种节能措施，在许多实际工程项目中都已得到运用，并取得了可观的节能效果，本文仅就某酒店中所运用的冷却塔供冷系统做出简明阐述，对于冷却塔供冷系统在实际工程设计中所遇到的一些问题进行一些初步探讨。

1、冷却塔供冷原理

图1是一个采用电动压缩式冷水机组的空调水系统，如果建筑（如大型电子计算机房，电子厂房，有大面积内区的商业、办公、酒店等）在冬季均有稳定的内部发热量，需要供冷，这时只要室外气温足够低（室外空气湿球温度也较低），系统配置的冷却塔便可以提供温度足够低的冷水，直接作为冷源来消除余热量，图1所示系统通过关闭制冷机，切换至板式换热器的方法，可以实现冷却塔供冷，由于冷水机组的耗电量在空调系统中占有极高的比例，利用冷却塔供冷节省了大量的电费，所以常常被称为“免费供冷”（"free cooling"）。

2、工程概况

2.1 建筑概况

本项目为高层建筑，地下二层，地上八层（局部七层）。地下室部分为停车库，设备用房，酒店及物业后勤用房，游泳池，全日餐厅，会议中心等，裙房中的主要业态为中餐厅，宴会厅，大堂，大堂吧，一层局部为客房，二层及以上层为客房层，二层局部区域为酒店办公。酒店效果图如下：

图2 酒店效果图

2.2 空调系统概况

本项目采用一套冷、热源系统。空调冷源采用水冷离心式电制冷机（一台变频），水冷螺杆式电制冷机以及冷却塔免费供冷系统的组合，空调及生活热水热源采用燃气（油）热水锅炉。设置2台水冷离心式电制冷机和1台水冷螺杆式电制冷机作为空调系统冷源。单台离心式制冷机的制冷量为2461kW，单台螺杆式制冷机的制冷量为988 kW。设置两台600M3/H，一台250M3/H冷却塔。水泵均采用变频调节，并与冷机一一对应。制冷机制备的空调冷水供回水温度为7/12℃，离心式制冷机采用热回收机型，用于地下一层水泵房生活热水预热。设置两台1.5吨蒸汽锅炉（一用一备），供洗衣机房蒸汽用量。应酒店管理公司的要求，根据他们的运营经验，设置了988kW的冷却塔免费供冷系统。当室外气象条件合适时，可利用冷却水经板式换热器换热后制备空调冷水供空调末端使用。

3、冷却塔供冷系统设计

3.1 冷却塔供冷供、回水温度的确定

本项目餐厅，宴会厅，大堂吧等大空间区域采用全空气空调系统，过渡季及冬季需要制冷时优先考虑采用室外空气免费制冷，所以免费制冷在内区办公，餐饮包间；客房区域，表1是根据文献[1]（室内外温差10℃）结合本项目设计参数对办公室、会议室、餐饮小包间等功能内区及客房所产生的冷负荷、要求的新风量、新风供冷能力进行计算的结果。

表格中增加客房的计算结果，主要考虑本项目为玻璃幕墙，在过渡季及冬季仍有部分客房需要制冷，且本项目设计为四管制，可以实现根据客房客人不同需求的供冷供热需求，所以客房的冬季的负荷也应在考虑范围内。

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由表1可见，本项目考虑新风的供冷能力后，内区冷却盘管供冷量只需为其夏季工况的68%左右就可满足要求。另外，冬季内区冷负荷以显热负荷为主，式（1）为夏季表冷器的干球温度效率公式。

式中△t为处理空气的初终状态温差，t1为空气的初始状态温度（当新风独立处理送风时，即室内设计温度），tw1为表冷器供水温度。根据公式（1）及文献[1]的分析结果，本项目在风机盘管选用时都考虑了富裕量，提供10℃空调冷水是基本可以满足内区空调要求的，故冷却塔制冷的冷冻水侧计算供水温度取值按10 ℃，回水温度取值按15℃。

冷却塔免费制冷板换温差取1℃，冷却塔供水温度设计值为9℃。参照《ASHRAE Handbook》给出典型横流塔特工曲线（图3～4）来确定冷却塔免费供冷回水温度。

图3 冷却塔热工特性曲线（100%设计流量）

图4 冷却塔热工特性曲线（67%设计流量）

看图3和图4的情况比较。需要9℃的冷却水，供回水温差为2℃，从图3可查出，在湿球温度4℃才可以实现，而从图4可查出，在湿球温度7℃就可以实现。同样从图3图4也可查出，9℃的冷却水，供回水温差为3℃时需要空气的湿球温度分别为2℃和5℃。按绵阳地区的室外空气湿球温度年频率统计表[2]，空气湿球温度小于等于5 ℃的时间为1223 h[2]，空气湿球温度小于等于7 ℃的时间为2174h[2]。为了延长免费供冷时间，选择冷却水温差2℃，这样，按绵阳地区的室外参数，免费供冷时间就多了951 h。

3.2 冷却塔及冷却水泵的配置

冷水侧采用与夏季空调季节同样的供回水温差，故采用原变频水泵，可以根据末端负荷实现变流量运行。

为了在初投资尽量小的情况下实现免费供冷的应用，只增设免费制冷板换，冷却水泵均采用原有的变频水泵，原有变频水泵对应分别为两台600M3/H，一台250M3/H冷却塔，夏季冷却水供回水温差为5℃，免费供冷供回水温度按前文选取为2℃，两者温差的比值为2.5，免费供冷负荷为988KW，与螺杆机的冷量相同，根据公式（2）冷量相同，流量与温差成反比，

Q1/Q2=ΔT2/ΔT1（2）

式中△t为供回水温差，Q为水流量，水泵采用原600M3/H冷却塔对应的冷却水泵即可，考虑到随着室外温度降低冷却塔免费制冷量的需求的减少，出于节能考虑，将系统中最小的一台冷却水泵和两台大的冷却水泵众的一台均接入免费供冷系统，在系统需求大时开启大时开大流量水泵，在系统需求量很小时，变频调节无法满足系统最小流量要求时，关闭大流量水泵，开启小流量水泵，以达到节能运行的目的。

冷却塔台数的选择，依据前面冷却塔温差选取的原则，保证单台冷却塔流量在小于等于67%，现免费供冷最大需求总流量和原冷却塔流量见表2

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根据表2，选择一台250M3/H冷却塔和一台600M3/H提供免费供冷。为避免供水温度过低的可能，供水温度低至5℃时冷却塔风机停止运行，升高至9℃时恢复运行。在低温冷却水供、回水管之间设置旁通管，并在旁通水路上分别设置电动阀，旁通电动阀冬季为开关控制，冷却塔管路电动阀与旁通电动阀连锁动作。当冷却塔风机停止运行后出水温度仍然过低（低于5℃）时打开旁通阀、关闭冷却塔通路阀，升高至9℃时阀门相反动作，使水温维持在允许范围内。

3.3 冷却塔免费供冷经济效益简述

免费供冷空调侧温差不变，所以空调冷水的流量不变，仅需计算冷源侧两种工况的能耗。

冬季冷水机组制冷时开启的冷水机组能耗EL可按下式计算[3]：

式中：口为冬季内区满负荷时所需供冷量，kW； γ为负荷小时平均系数，取0.7； h为冷却塔供冷总小时数，h； IPLV为冷水机组综合部分负荷性能系数。

冬季冷水机组制冷时开启的冷却水泵能耗Eb1可通过下式估算[3]：

式中： G1为冷却水泵流量，m3/h； H1，为冷却水泵扬程，m；为水泵效率。

冷却塔供冷时冷源水泵能Eb2则可以通过下式估算[3]；

全年节省能量ΔE[3]：

ΔE=EL+Eb1-Eb2（6）

经计算，全年节能量为139657kW·h，枯水期平均电费按1元/ kW·h，每年总计可节省运行费用约为13.9万元。

结语：

本文笔者仅就所参与的实际项目结合参考文献进行设计项目的总结，冷却塔供冷应用越来越多，系统设计应根据实际项目情况及所在地的气候情况综合考虑。最高室外湿球温度的确定根据室外气象参数，温差大于等于2℃，尽量延长免费供冷时间的原则选取。