贵阳某机场T2航站楼冷却塔免费供冷可行性研究★

李 磊 胡 澄 苏 鹰 毛瑞勇 杨雅鑫 田茂军

(1.贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025; 2.重庆侨恩创源建筑设计有限公司贵州分公司，贵州 贵阳 550081; 3.贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550081)

0 引言

随着经济迅猛发展,建筑能耗、工业能耗以及交通能耗成为我国能源消耗的主要方面。我国人口基数大，资源人均占比较低；其中石化类资源(石油和天然气)人均占比低于世界水平的10%；与此同时，我国能源利用效率较低，仅为发达国家能源利用效率的0.64倍～0.8倍，较能源利用国际先进水平平均低10%左右[1,2]。随着人类活动日益频繁，对室内环境的热舒适性要求越来越高。建筑能耗也迅猛增长，其中空调能耗占比约47%[3]。若能适时增加天然冷源的使用，将能节约很多能源消耗。

1 冷却塔供冷原理

冷却塔一般以水为循环吸热介质，对室内换热的管路进行冷却处理，在温度要求不高时，起到代替冷源作用。冷却塔免费供冷，是指在过渡季，空调需求温度不高和供电紧张时间段，暂代冷源，一定程度上缓解峰谷压力，实现低品位热量的最大利用。

2 贵阳某机场T2航站楼负荷模拟

贵阳某机场T2航站楼属于甲类公共建筑，建筑所在地气候分区属于温和A区；总建筑面积21万m2，建筑用空调面积约为12.5万m2。利用DeST能耗分析软件进行全年空调能耗模拟分析。推断出可以用冷却塔“免费供冷”技术代替传统冷源供冷的运行时间段。对过渡季利用冷却塔免费供冷技术进行可行性分析。

2.1 模块参数设置

T2航站楼外围护结构热工参数和室内设计参数如表1，表2所示。

表1 围护结构热工参数 W/(m2·K)

表2 室内设计参数表

2.2 负荷模拟分析

设置参数并对全年空调负荷进行模拟。如图1所示，全年最大冷负荷值出现在7月22日17:00为11 429.46 kW。此时外围护结构的蓄热特性，使得室外气温对内部影响延后至17:00左右，建筑内区有较大面积的办公场所及候机厅，人员密度较大，设备使用率较高。冬季热负荷峰值出现在1月13日上午8:00,其值为8 562.39 kW。且整个采暖季的早8:00均呈现最大负荷，主要原因是建筑用途开始苏醒，旅客和办公人员同时活动，空调开启，需要排除前一天夜里建筑积累的冷量，而室内活动刚刚开始，散热量及散湿量相对较少。

根据机场运营模式及贵阳气候条件，分析过渡季进行冷却塔免费供冷技术可行性。4月～5月两个月进行供冷，其他过渡季不需要供冷。鉴于机场运营时刻，一般在5:30 a.m进行供冷,围护结构蓄热需要时间，故需提前至5:00开启机组制冷。如图2所示，4月～5月空调负荷波动较大，其峰值负荷为9 019 kW,而极端情况负荷低于10 kW。空调负荷率5%以下的小时数达到1 084 h,而负荷率75%以上的小时数仅为18 h。曲线上升斜率逐渐降低，证明随着负荷率累积的增加，累积小时数上升趋势逐渐变缓。在空调负荷时段较小时，可采用冷却塔代替传统冷源为建筑供冷。

3 冷却塔供冷切换温度及理论供冷时数

3.1 冷却塔供冷切换温度

冷却塔运行切换温度，是由天然冷源代替常规冷源向建筑供冷的温度，切换温度不是定值，受室外气候条件、建筑负荷、供冷形式、空调末端供冷温度及自身运行特性等因素影响。图3给出不同湿球温度下，冷却塔出口水温随流量变化曲线，得出，同型号冷却塔在相同室外气象参数和进水温度条件下，出水温度随流量减小而下降。当室外湿球温度为10 ℃时，冷却塔按照额定流量运行时，出水温度16.6 ℃；当运行流量减至额定流量的50%时，出水水温为14.2 ℃，水温下降了2.4 ℃；故在满足负荷的前提下，应减少冷却塔流量，使得冷却塔运行效果更好。

图4给出相同室外环境参数，在供水温度为20 ℃时，不同流量下冷却塔出水温度随室外湿球温度变化趋势。可见，在相同的湿球温度、流量和供水温度条件下，冷却塔出水温度随室外湿球温度降低而下降。当室外湿球温度14 ℃和运行流量为额定流量的50%时，冷却塔出水温度17.5 ℃；当室外湿球温度降至10 ℃，其他参数不变，冷却塔出水温度为14.2 ℃，出水温度下降3.5 ℃。由此可知，运行参数一定条件下，室外湿球温度越低，冷却塔出水温度越低，供冷效果越好。

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》统计贵阳4月和5月过渡季节湿球温度变化趋势与供冷时数关系；由图5可知，当室外湿球温度从10 ℃上升至14 ℃，湿球温度每升高1 ℃，供冷小时数分别增加90 h，104 h，132 h和183 h,供冷时数增长率从6.15%增至12.5%。由此可知，提高切换运行湿球温度，可以大幅度延长冷却塔供冷小时数。因此，在满足供冷效果的前提下应尽量提高切换湿球温度，延长供冷小时数，延缓制冷机组开启，从而实现节能降耗。研究分析认为，当室外湿球温度14 ℃时，供冷时数增长率较高；冷却塔额定流量运行的出口水温17.5 ℃；当运行流量为额定流量50%和40%时，冷却塔出水温分别为16 ℃和15.8 ℃。若系统采用3 ℃供回水温差，回水温度约为18.8 ℃，使冷却塔换热量达到3 920 W,满足4月、5月过渡季机场的供冷负荷需求。故本项目将切换温度设定为14 ℃。

3.2 冷却塔理论供冷时数

由图6，图7可知，当冷却塔切换运行的湿球温度越低，理论供冷时数越少。在贵阳地区的冬季，当冷却塔切换运行湿球温度为14 ℃时，约有90%以上的供冷小时数可以实现冷却塔供冷技术应用。冬季理论供冷时数达到了2 130 h，占冬季(1月～3月)供冷小时数比例为98.61%，占全年比例为24.32%，占全年可使用冷却塔间接供冷总小时数为49.2%。可见，贵阳冷却塔“免费”供冷技术在冬季更适用。

4 T2航站楼冷却塔供冷系统节能改造经济性分析

通过增设冷却塔辅助供冷管路系统，开展原有空调系统节能改造；启用冷却塔供冷时停开冷水机组所用能耗成为改造后能耗的主要方面。其改造后的经济效益，见表3。可见，约2年半就可以将成本回收，经过系统改造后经济性大大提升，即在贵阳地区使用冷却塔供冷技术在过渡季是可行的。

表3 冷却塔供冷系统节能改造经济性分析表

5 结语

贵阳某机场T2航站楼通过DeST能耗模拟软件动态仿真模拟，全年冷热负荷峰值分别为11 429.6 kW 和8 562.39 kW。贵阳地区以14 ℃为冷却塔供冷切换湿球温度，4月和5月过渡季，室外湿球温度不大于14 ℃，过渡季累计供冷小时数为640 h，占比达到43.72%；冬季累计供冷时数为2 130 h，占冬季(1月～3月)供冷小时数比例为98.61%。通过对贵阳某机场T2航站楼的节能改造分析，项目改造投资经济回收期为2.61年。分析认为，在贵阳某机场T2航站楼应用冷却塔供冷技术能够实现对天然冷源的有效利用，在过渡季节和冬季可以实现节能运行，节能效益明显。