烟台某办公楼冷却塔供冷系统设计与分析

2021-06-02中国建筑设计研究院有限公司

暖通空调 2021年5期

中国建筑设计研究院有限公司姜红

1 项目概况

烟台市开发区某集团办公大楼总建筑面积约5.5万m2，建筑高度99 m。地下2层，1.5万m2，主要功能为汽车库、设备机房；地上22层，4万m2，1～2层主要功能为办公大堂、银行、办公室，3～22层为标准办公层。夏季空调冷负荷为4 300 kW，空调冷源采用常规电制冷冷水机组，共设置2台制冷量为1 759 kW(500 rt)的离心式冷水机组和1台制冷量为879 kW(250 rt)的螺杆式冷水机组，冷水供/回水温度为7 ℃/12 ℃，冷却水供/回水温度为32 ℃/37 ℃。每台制冷机组对应设置1台冷却塔，冷却塔风机变频运行，通过冷却水回水温度控制风机频率。2台离心机组的冷水、冷却水循环泵均为两用一备，螺杆机组的冷水、冷却水循环泵为一用一备。空调冷水系统为一级泵变频系统，定压方式为气压罐定压。空调末端为全空气系统和风机盘管+新风系统。空调机组和新风机组空调水系统为冷热共用两管制系统，风机盘管空调水系统为四管制系统。空调加湿方式为湿膜加湿。其中办公层存在较大的内区，需要全年供冷。为了实现过渡季及冬季不开冷水机组，而充分利用冷却塔的冷却功能制冷，设置了冷却塔供冷系统。冷源系统原理如图1所示。

图1 冷源系统原理图

2 冷却塔供冷系统负荷侧系统设计

2.1 冬季内区空调冷负荷计算

冬季内区供冷房间计算温度宜高于外区房间的空调计算温度，防止内区过冷，出现内外区冷热抵消现象。该项目冬季外区温度为20 ℃，内区分别取20、22、25 ℃进行分析比较。其他室内参数详见表1。

表1 室内设计参数

由于冬季房间湿度较低，露点温度也较低，冷却塔供冷水温条件下，风机盘管一般为干工况运行。因此，冬季内区冷负荷可按显热负荷计算。且内区和外区共用一套新风系统，冬季新风送风温度为外区室内温度(20 ℃)，因此新风可负担部分内区冷负荷。冬季内区冷负荷按式(1)[1]计算，即为风机盘管承担的冷负荷。

(1)

式中qf为冬季供冷房间内单台风机盘管承担的冷负荷，W/台；α为保证系数，根据设计标准和房间的重要性，可取0.8～1.0；qn为冬季供冷房间显热冷负荷，W；qx为冬季新风承担的供冷房间的显热冷负荷，W；n为房间内布置的风机盘管数量，台；Lx为房间新风量，m3/h；tn为冬季内区供冷房间室温，℃；tx为冬季新风送风温度，℃。

以标准层办公室为例。取一跨，内区宽10 m、进深5 m，内区房间负荷计算结果见表2。系统所需供冷量计算结果见表3。

表2 内区房间逐项冷负荷 W

表3 内区空调总冷负荷

2.2 空调冷水供回水温度计算

风机盘管应按夏季工况选择，即风机盘管在夏季室内温湿度和供回水温度工况下中挡风量运行时，应能满足室内冷负荷要求。为了节约初投资，冬季冷却塔供冷时，风机盘管的最大供冷能力可按风机高挡运行考虑。该项目风机盘管选型需同时考虑房间换气次数及气流组织，选择2排盘管的004号风机盘管2台。标准工况：高挡风量680 m3/h，高挡风量全热供冷量3 440 W，显热供冷量2 550 W，高挡风量热量5 900 W；设计工况：中挡额定风量479 m3/h，中挡风量全热供冷量2 520 W，显热供冷量1 850 W。

根据式(2)[1]计算风机盘管满足冷却塔供冷工况时需承担冷量的最高供回水温度，如表4所示。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式(2)～(9)中tL1为供水温度，℃；tL2为回水温度，℃；Δtr为对数平均温差，℃；qrd为单台风机盘管标准供热工况时的供热量，W，根据样本查得；cp1为水的比定压热容，取cp1=4.187 kJ/(kg·K)；ρ1为冷水密度，可近似取冷水和热水的平均值992 kg/m3；G1为标准工况时单台风机盘管水流量，L/s，根据样本查得；cp2为空气的比定压热容，取cp2=1.01 kJ/(kg·K)；ρ2为空气密度，可近似取ρ2=1.2 kg/m3；G2为标准工况时单台风机盘管风量，m3/h，根据样本查得；tR2为风机盘管在标准供热工况时回水温度，℃；tn,r为风机盘管在标准供热工况时房间温度，取21 ℃；tR1为风机盘管在标准供热工况时供水温度，tR1=60 ℃；ts,r为风机盘管在标准供热工况时送风温度，℃。

由表4可知，随着冬季内区房间室温的降低，最高供回水温度降低，但供回水温差增大。因为式(2)为水流量与标准工况相同情况下的计算值，所以室温降低，冷负荷增加，流量不变时，温差增大。但增大供回水温差，降低水流量，必然要降低最高供回水温度。为此结合某品牌设备选型，汇总了不同供水温度、供回水温差下的高挡风量显热冷量，见表5～7(1)麦克维尔产品选型报告，2020。

表4 最高供回水温度

表5 25 ℃室温高挡风量显热冷量统计 kW

由表5可见，室温25 ℃时，保证风机盘管1.1 kW的制冷能力，供回水温差由1 ℃增加到5 ℃时，最高供水温度由17 ℃降低到14 ℃。符合保证负荷不变，流量减小，平均温度需升高的换热原则。当室温降低时，负荷增加，风机盘管的制冷能力要求增大，最高供水温度也会相应降低。

笔者利用表5～7的相关参数，对冬季冷水循环泵采用小制冷机的冷水循环泵和新增专用冷水循环泵2种情况，分别确定不同温差的最高供回水温度，见表8、9。

表6 22 ℃室温高挡风量显热冷量统计 kW

表7 20 ℃室温高挡风量显热冷量统计 kW

表8 小制冷机冷水循环泵

表9 专用空调冷水循环泵

2.3 负荷侧系统和设备配置

采用小制冷机对应的空调冷水循环泵作为冷却塔供冷时的空调冷水循环泵。仅增加板式换热器，一次投资较小。且原小型冷水泵为变频运行，冬季板式换热器二次侧水泵也变流量运行。但水泵性能曲线和管网性能曲线调整后的工况点不一定满足理想设计温差或高效运行。

采用专用空调冷水循环泵作为冷却塔供冷时的空调冷水循环泵。该系统循环泵按冬季供冷工况的流量和管网阻力配置，且可变流量运行。增加了水泵和变频器的设备投资，降低了运行费用。

由此可见，采用哪种系统配置，需作经济分析后确定。另外由表8、9可知，25 ℃时最高供水温度15 ℃左右，22 ℃时最高供水温度11 ℃左右，20 ℃时最高供水温度8 ℃左右。为了充分利用免费冷源，且结合房间热舒适度等级Ⅰ级标准要求，该项目采用22 ℃作为设计参数，冬季内区空调总冷负荷439 kW。

3 冷却塔供冷系统冷源侧系统设计

3.1 冷源侧流量、水温、室外湿球温度的确定

采用小制冷机对应的空调冷却水循环泵，冷却水供回水温差见表10。为防止流量过大，水泵消耗电能过多，温差不宜小于2 ℃。

表10 小制冷机冷却水循环泵

采用专用空调冷却水循环泵时，冷却水供回水温差、流量比见表11。其中温差5 ℃时的流量比小于50%，冬季冷却塔有冻结的危险，不采用。

表11 专用空调冷却水循环泵

冷却塔一次冷源水供水温度应按式(10)[1]确定：

(10)

式中tCL为冷源水最高供水温度，即冷却塔出水温度，℃，不应低于5 ℃；ΔtX为换热器温差较小端一、二次介质温差，℃，宜取1～2 ℃；Δtc为冷源水供回水温差，℃；tL2max为空调冷水最高回水温度，℃；tL1max为空调冷水最高供水温度，℃。

通过冷却塔的供冷能力特性曲线(见图2～4[1])，确定所要求的室外湿球温度tw。由图2～4可知，提供相同冷源水供水温度，流量比越小，室外湿球温度越高；冷源水供回水温差越小，室外湿球温度越高。所以增加冷却塔的运行天数有可能会增加冷却水泵的运行能耗，设计需综合考虑。

图2 流量比100%时冷却塔的供冷能力特性曲线

结合表8～11，根据不同供回水温差下是否增设循环泵等，确定方案1～7(见表12)，进行经济性比较。

表12 方案设置

3.2 冷却塔运行时间计算

根据最高低温冷却水温度要求的室外湿球温度tw，以及烟台地区逐时室外湿球温度的气象参数，计算冷却塔供冷运行时间。烟台地区冬季的逐时室外湿球温度参考成山头地区，数据来源于《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[2]，不同逐时室外湿球温度的小时数见表13。统计时间为烟台地区现行法定供暖期：11月15日至次年3月15日，统计时刻为办公建筑运行时间08:00—18:00。

图3 流量比70%时冷却塔的供冷能力特性曲线

图4 流量比50%时冷却塔的供冷能力特性曲线

表13 烟台地区供暖期室外湿球温度的小时数

由表14可知，方案5的室外湿球温度最高，供暖期冷却塔供冷小时数最大，其次为方案1。

表14 冷却塔运行时间

4 节能计算和经济性比较

4.1 冷却塔供冷系统节约的运行费用

冷却塔供冷系统减少的电耗主要为电制冷机组耗电量EL[1]：

(11)

式中γ为负荷小时平均系数，办公类建筑γ=0.6；λ为考虑冷水机组冬季供冷工况冷却水温偏低等因素的修正系数，取λ=0.9；Q为额定冷量，kW；h为冷却塔供冷时间，h；IPLV为综合部分负荷性能系数，IPLV=5.5。

水泵能耗Es：

Es=γNh

(12)

式中N为水泵额定耗功率，kW。

全年减少能耗ΔE：

ΔE=EL+Eb1-Eb2+EB1-EB2

(13)

式中Eb1为冬季制冷机制冷时开启的冷却水泵的能耗，kW·h；Eb2为冷却塔供冷时冷源水泵能耗，kW·h；EB1为冬季制冷机制冷时开启的冷水泵能耗，kW·h；EB2为冷却塔供冷时冷水泵能耗，kW·h。

全年节约运行费用ΔS1[1]：

(14)

式中D为单一制电价，取0.752 5元/(kW·h)(引自山东省物价局文件鲁价格一发[2018]39号文)。

表15 各方案全年节约运行费用

4.2 冷却塔供冷系统增加的初投资ΔS2

冷却塔间接供冷系统，需增设板式换热器、冷却塔供回水温度监测点、冷却塔供回水压差电动调节阀等。冷源侧采用小制冷机冷却水循环泵作为冬季冷却水泵时，需增设变频器、电动开关切换阀；冷源侧采用专用空调冷却水循环泵时，需增加水泵，定流量运行。负荷侧采用小制冷机冷水循环泵作为冬季冷水泵时，增设电动开关切换阀；采用专用空调冷水循环泵时，需增加水泵、变频器。各方案增加初投资费用如表16所示。