南海某文化中心地下商业空调冷却塔免费供冷经济性分析

徐佳欣，程新红，李哲存，孙卫慧，罗智星

（1、广州华森建筑与工程设计顾问有限公司 广州 510045；2、西安建筑科技大学 西安 710000）

随着全球能源的持续消耗，能源成为影响人类经济、可持续发展必须重视的问题。在全球范围内，空调设备每年的能源消耗量约占人类每年总耗电量的10%，公共建筑空调能耗约占建筑能耗的50%。随着我国经济的快速发展，大型公共类建筑越来越多。对大型公共建筑内区或地下商业建筑需要常年供冷的场合，不能通过加大室外新风量获得自然冷源实现免费供冷，可以采用冷却塔免费供冷技术代替制冷机组供冷，实现免费供冷，降低冬季和过渡季空调运行成本，为建筑节能设计起到一定的作用和意义。［1］

1 冷却塔供冷技术及其原理

1.1 冷却塔供冷

冷却塔供冷，是一种不使用制冷机组的供冷手段（国外称为“免费供冷”free cooling），是在常规空调水系统基础上增设部分管路和设备，当室外气象参数达到某些特定值，尤其是室外湿球温度达到某个值以下时，关闭制冷机组，以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调系统供冷，满足建筑物空调需求及工艺供冷需求。在《公共建筑节能设计标准：GB 50189—2015》［2］中也明确指出，对冬季或过渡季节存在供冷需求的建筑，应充分利用新风降温；经技术经济分析合理时，可利用冷却塔提供空气调节冷水。

1.2 冷却塔供冷原理

某项目冬季和过渡季节地下室区域仍需供冷，因此用冷却塔供冷技术，不开启冷水机组等制冷设备，采用为冷水机组配置的冷却水系统，通过冷却塔与室外低温空气进行热交换，获取低温冷却水。

冷却塔供冷原理如图1 所示，冷却塔供冷系统的宗旨是在最大限度缩短制冷机组的运行时间，使冷却塔在适当的气候环境和建筑负荷条件下能替代制冷机组，充当免费冷源，满足建筑负荷需求。

图1 冷却塔供冷原理Fig.1 Cooling Tower Supply Principle

2 冷却塔供冷系统参数确定

2.1 冷却塔供冷负荷

本项目地下商业部分建筑功能为健身、餐饮，位于地下1 层和2 层的内区，空调系统为风机盘管加新风系统。空调区域面积共7 342 m2。

冷却塔供冷工况时系统所需冷量［3］可按式⑴计算，或按式⑵和式⑶简化计算确定：

式中：Q为冷却塔供冷工况时系统所需供冷量（kW）；qf为各房间风机盘管负担冷负荷（W）；Qb为冷却塔供冷工况时内区各房间风机盘管标；准供冷工况供冷量qf的总和（kW）；β为建筑物内需冬季供冷的房间风机盘管负担总冷量与风机盘管在标准供冷工况的总供冷量的近似比；qfj为确定系统空调冷水计算温度tL1j和tL2j的房间，其风机盘管负担冷负荷；qbj为其风机盘管标准供冷量。

冬季供冷房间内风机盘管负担冷负荷可按式⑷进行计算：

式中：qf为冬季供冷房间内风机盘管负担负荷（W）；a为保证率，根据设计标准房间的重要性等因素，取a=1.00～0.80；qn为供冷房间冬季室内显热冷负荷（W）；qx为冬季新风负担供冷房间的显热负荷（W）；Lx为房间新风量（m³/h）；tn为冬季内区供冷房间设计温度（℃）；tx为冬季新风送风温度（℃）。

逐时负荷计算得风机盘管负荷为445.95 kW，新风量为48 519 m³/h，冬季供冷房间设计温度tn=26 ℃，佛山市的冬季通风室外温度tx=13.6 ℃。根据公式计算得：Q=0.8×445.95-0.337×48 519×（26-13.6）/1 000=154 kW，即冷却塔供冷负荷为154 kW。

2.2 冷却塔供冷系统设计

本项目北区冷源中心配置3大1小共4台常规电制冷冷水机组，冷却塔配置7台250 m³/h模块化的横流冷却塔。综合文化馆夏季设计冷负荷2 973.85 kW，设计供回水温差6 ℃，冷水泵配置3 台（2 用1 备），单台冷水泵流量为213.3 m³/h。

因地下一层综合文化馆冬季冷负荷较小，原文化馆的冷水泵流量偏大，小冷机的冷却水泵流量也偏大。为避免大流量小温差，冷却水供回水温差△tc按不小于2 ℃设计，冷却水泵冷却塔免费供冷时单独配置1台冷却水泵。冷水泵也单独配置1台。

本项目冷却塔免费供冷系统，冷水供回水温差取2 ℃，冷却水温差取3 ℃设计（见图2）。冷却塔免费供冷的 冷 水 泵 流 量L1=Q/cρ△t=154×860/（1×1 000×2）=66.224 m3/h。

图2 冷却塔供冷原理示意图Fig.2 Cooling Tower Cooling Principle Diagram

冷却塔免费供冷的冷却水泵流量L1=Q/cρ△tc=154×860/（1×1 000×3）=44.149 m3/h。

冬季冷水按供水温度tL1=16 ℃、供回水温差为2 ℃设计，冷水回水温度为tL2=18 ℃。

因冬季空调负荷较小，选取1台板式换热器，板式换热器的一、二次水温差△tx宜取1～2 ℃，本项目△tx取1.5 ℃。

2.3 风机盘管制冷能力校核

在冬季工况供水温度tL1=16 ℃、供回水温差为2 ℃设计，冷水回水温度为18 ℃，对风机盘管在此工况下的制冷能力进行统计校核，结果如表1所示。

根据表1 中的数据，风机盘管在冬季工况下的制冷量是274.66 kW，空调房间的所需盘管冷负荷为154.74 kW，风机盘管在该工况下的制冷量也能满足建筑的冷负荷需求，同时冷却塔的供冷量也能满足风机盘管的供冷量需求（见图3）。

图3 供冷量比较Fig.3 Comparison of Cooling Capacity

2.4 确定供冷室外湿球温度

根据《2020 ASHRAE Handbook——HVAC Systems and Equipment》中冷却塔热工特性曲线拟合水温度与室外湿球温度的回归曲线和公式。由图4 可知，室外湿球温度为9.9 ℃时，出水温度为12.5 ℃，则当室外湿球温度低于9.9 ℃时，都可满足室内的冷负荷需求。同理若出水温度tc1=14.5 ℃，△tc=3 ℃，室外湿球温度tw=12.1 ℃，都可满足室内冷负荷需求。［4］

图4 冷却塔特性曲线Fig.4 Cooling Tower Characteristic Curves

当过渡季节（11 月～次年3 月）的室外湿球温度小于12.1 ℃时，冷却塔供冷系统可满足空调房间负荷。

2.5 统计冷却塔供冷时间

本项目位于佛山，佛山市典型气象年的全年气候条件统计如图5所示。［5］

图5 室外湿球温度统计Fig.5 Outdoor Wet Bulb Temperature Statistics Chart

由图5可知，在11月～次年3月的5个月内，室外湿球温度小于12.1 ℃下有832 h可用于冷却塔供冷。

3 冷却塔供冷经济性

按照佛山市的一般工商业用电峰平段平均电价0.857 95 元/kW·h 计算。过渡季节开启冷却塔供冷和开启磁悬浮变频冷水机组的耗电量对比（见表2）。

表2 过渡季耗电量对比Tab.2 Transitional Season Electricity Consumption Comparison

本项目一套冷却塔供冷系统初投资增加费用将近10 万元。［6］冷却塔供冷系统每年节约的运行费用为6.511-2.147=4.365万元。如此计算该系统静态回收年限为2.29 年，此后每年可节约电费约4.365万元。

4 冷却塔供冷系统经济性影响因素

通过对空调水系统的设计和优化，最大限度地利用冷却塔供冷，增加冷却塔的供冷时数，影响冷却塔供冷系统的经济性主要有以下几点：

4.1 系统的供冷温度

选择合适的供冷温度，既可以满足室内的设计舒适性，又能增加冷却塔的供冷小时数。［7］冷却塔供冷时长统计如图6 所示，当供回水温差为2 ℃时，室外湿球温度要求低于12.1 ℃可满足冷却塔供冷，11月至次年3月过渡季节5 个月的时间满足条件的供冷时长为832 h 。当供回水温度的温差为4℃时，室外湿球温度低于9.9℃时满足冷却塔供冷，满足条件的供冷时长为429 h。

由图6 可知，提高供冷室外湿球温度可直接增加冷却塔供冷时长，从12.1℃到9.9℃即可增加403 h，供冷小时数几乎数增加一倍。

图6 冷却塔供冷时长统计Fig.6 Cooling Tower Cooling Hours Statistics

4.2 系统设备的选择

合理选择冷却塔，结合冷却塔特性曲线选择合适的设备，确定满足供冷的湿球温度，增加冷却塔的供冷时长。［8］

4.3 建筑负荷类型

本项目中地下室空调区采用了冷却塔供冷系统，地上部分房间冬季或过渡季节全新风工况，可利用室外低温的新风承担室内负荷，无需额外增加供冷系统。［9］但对于采用风机盘管加新风系统的大型办公建筑的内区，或大型商场的内区，以及地下室等全年有供冷需求的建筑，过渡季节采用冷却塔供冷系统可大大节省系统运行能耗，同时满足建筑的舒适性要求。

5 总结

冷却塔供冷技术快速发展并逐渐广泛地运用在大型公共建筑中，取得了良好的经济效益。［10］按夏季风盘选型，满足冬季房间的供冷能力，尽量提高冷水的供冷温度，有利于提高冷却塔的湿球温度，增加冷却塔的供冷时长，提高冷却塔免费供冷的经济性。建议冷却塔供冷系统能够作为节能系统大力推广，同时建议冷却塔制造厂家能够继续改善冷却塔特性［11］，使得更多的南方地区也可以越来越多地采用此技术，从而降低运行费用，减少运行能耗。