合肥萬達城內(nèi)區(qū)免費制冷的經(jīng)濟性分析

宣豐 劉剛 徐銘明 甘長德

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

合肥萬達城內(nèi)區(qū)免費制冷的經(jīng)濟性分析

宣豐 劉剛 徐銘明 甘長德

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

針對合肥地區(qū)的萬達實際項目，比較免費制冷和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)兩種方式的內(nèi)區(qū)供冷系統(tǒng)初投資，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐哪茉磧r格，比較兩種方式的全年運行費用，得出了該項目免費制冷的回收期。結(jié)果表明，采用免費制冷的方式進行內(nèi)區(qū)供冷雖然造成初投資略有增加，但使能耗降低較多，具有較好的經(jīng)濟性。

內(nèi)區(qū)供冷 免費制冷 運行費用 經(jīng)濟性

本文比較了兩種內(nèi)區(qū)供冷的空調(diào)方式：第一種是采用冷卻塔給內(nèi)區(qū)供冷，在過渡季節(jié)和冬季使用冷卻塔提供的冷水，通過板式換熱器以間接供冷的系統(tǒng)形式，為內(nèi)區(qū)提供冷量，使用該種方式能夠降低能耗但同時系統(tǒng)變復(fù)雜，初投資有所增加[1]；第二種是內(nèi)區(qū)采用普通制冷方式，即用開啟水冷機組進行供冷。本文研究了這兩種內(nèi)區(qū)供冷方式在滿足室內(nèi)設(shè)計要求的前提下，哪種方式更具有經(jīng)濟性。

1 工程概述

本項目位于安徽省合肥市，建筑面積約為19萬m2，地下一層為超市和車庫，地上一層為各主力店和步行街，地上二、三層為各娛樂設(shè)施如餐飲、電玩、KTV、影廳等。過渡季節(jié)和冬季室內(nèi)設(shè)計溫度為20℃，夏季設(shè)計冷負荷為14000kW，過渡季節(jié)和冬季內(nèi)區(qū)冷負荷為1540kW。

2 采用冷卻塔免費制冷分析

2.1 冷卻塔免費制冷形式選擇

采用冷卻塔免費供冷，即在室外氣象參數(shù)滿足特定條件時，通過增設(shè)的管路及設(shè)備，使冷卻水不經(jīng)過空調(diào)機組換熱，直接或間接向空調(diào)系統(tǒng)供冷[2]。

冷卻塔免費制冷主要分為開式冷卻塔直接供冷、開式冷卻塔間接供冷、閉式冷卻塔供冷和冷凍機制冷劑制冷循環(huán)。為了保障系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，目前的空調(diào)系統(tǒng)多選擇間接式供冷系統(tǒng)[3]，故本工程擬選用該種開式冷卻塔間接供冷。

2.2 冷卻塔切換溫度的確定

在系統(tǒng)運行時，冷卻塔冷卻水的出口水溫很大程度上是由室外空氣濕球溫度決定的。對于一種結(jié)構(gòu)已確定的冷卻塔而言，在一定的流量下，冷卻水理論上能降低到的極限溫度為當(dāng)時室外空氣的濕球溫度。過渡季節(jié)和冬季室內(nèi)冷負荷減小時，冷凍水供水設(shè)計溫度可以適當(dāng)提高至10～15℃不等；對于間接供冷系統(tǒng)，由于增加一個板式換熱器的換熱溫差，一般取1～3℃；實際情況下冷卻塔出口冷卻水設(shè)計溫度一般比空氣濕球溫度高3～5℃。

冷卻塔切換的臨界溫度計算公式如下：

式中：TEX為冷卻塔供冷的切換溫度，℃；Tcs為末端冷凍水的供水溫度，冷卻塔供冷時可取10～15℃；△KEX為板式換熱器的換熱溫差，而對于間接冷卻塔供冷時取1～3℃；△Tapproach為冷卻塔的冷幅，取2～10℃[4]。

2.3 本項目具體設(shè)計

針對該項目，在原有的空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了一個與制冷機組并聯(lián)的板式換熱器，在冬季和過渡季室外氣象參數(shù)滿足條件時，系統(tǒng)采用該模式運行，冷水機組停止工作，通過三通換向閥使冷卻水從冷卻塔進來后通過板式換熱器與循環(huán)的冷凍水進行熱交換，冷凍水與冷卻水不直接接觸，避免了冷凍水系統(tǒng)受冷卻水的水質(zhì)影響造成腐蝕和堵塞等現(xiàn)象。根據(jù)式（1）中各值的取值范圍并查閱相關(guān)文獻得知，可以將濕球溫度7～10℃作為切換溫度。

過渡季節(jié)非全空氣系統(tǒng)內(nèi)區(qū)冷負荷為1540kW；冷凍水設(shè)計供回水溫度為7℃/12℃，板式換熱器溫降為1℃，冷卻水側(cè)進出水設(shè)計溫度為8℃/13℃，冬季冷卻塔冷幅按3℃考慮，當(dāng)室外濕球溫度到達10℃或以下時，可以利用冷卻塔和板式換熱器間接供冷。根據(jù)負荷估算結(jié)果，過渡季節(jié)和冬季建筑內(nèi)區(qū)的冷負荷為夏季空調(diào)冷負荷的11%左右。室外濕球溫度9℃作為免費供冷臨界溫度，則干球溫度約為12℃以下時，可以關(guān)閉冷水機組，采用冷卻塔免費供冷。假定空調(diào)運行時間為9:00～21:00，通過大致統(tǒng)計全年供冷運行時間為4745h，可以采用免費供冷時間為1681h，約占全年總供冷時間的35.4%。4月份和10月份可采用免費供冷時間很少，故可以近似認為這兩個月不適合采用免費供冷，則實際可采用免費供冷的月份為1月、2月、3月、11月和12月，共1636h，占全年供冷時間的34.5%。時間分布見表1。

表1 可采用免費制冷時間分布表

2.4 經(jīng)濟性分析

2.4.1 新風(fēng)預(yù)熱費用

采用冷卻塔免費制冷時室外空氣同樣需要預(yù)熱至12℃送入，預(yù)熱時間約為1600h，室外空氣平均溫度為6.04℃，焓值i3約為10.4 kJ/kg，6℃時空氣密度取ρ=1.263kg/m3，合肥商用燃氣價格3.66元/Nm3，則采用新風(fēng)預(yù)熱所需燃氣費用按下式計算：

式中：i2、i3表示室內(nèi)外空氣焓值，kJ/kg；G表示新風(fēng)量，m3/(h·p)；ρ表示空氣密度，kg/m3；S表示區(qū)域面積，m2；t表示內(nèi)區(qū)供冷時間，h；η表示燃氣鍋爐效率；n表示人員密度，m2/p。

商鋪：Q=(18.6-10.4)×20×1.263×15231×1600/0.94/ 4=1342479784kJ，耗氣量為37349Nm3，燃氣費13.67萬元；

電玩：Q=(18.6-10.4)×30×1.263×1468×1600/0.94/3= 258782788kJ，耗氣量為7199Nm3，燃氣費2.63萬元；

KTV：Q=(18.6-10.4)×20×1.263×2796×1600/0.94/ 2.5=394308815kJ，耗氣量為10969Nm3，燃氣費4.01萬元；

餐飲：Q=(18.6-10.4)×25×1.263×12730×1600/0.94/ 2.5=2244076902kJ，耗氣量為62426Nm3，燃氣費22.85萬元。

預(yù)熱所需燃氣費用共約43.17萬元/年。

2.4.2 風(fēng)機運行費用

風(fēng)機盤管加新風(fēng)的模式中新風(fēng)機耗電量按以下方法計算[5]：風(fēng)量G約為24000m3/h，風(fēng)機的最大耗功率取0.48W/(m3/h)，則總耗電量=24000×0.48×1600/ 1000=18432kWh，電費為22.12萬元/年。

室內(nèi)總處理風(fēng)量取10次換氣次數(shù)，則單位面積風(fēng)量為32m3/h，而單位面積新風(fēng)量為7.5m3/h，所以風(fēng)機盤管單位面積處理風(fēng)量為24.5m3/h，風(fēng)機的最大耗功率取0.12W/(m3/h)，則風(fēng)盤開啟耗電量為2.94W/m2，則免費制冷期間風(fēng)機盤管運行耗電量：Q=32225×2.94× 1600/1000=151586kWh，合肥電價為1.20元/kWh，則電費為18.2萬元/年。

2.4.3 初投資費用

[6]中實例投資對本工程項目簡單分析如下，新風(fēng)部分與常規(guī)系統(tǒng)不存在差異，冷卻水通過板式換熱器與冷凍水進行換熱，參考該文獻中板式換熱器性能和價格，約為1200元/m2，換熱器兩側(cè)溫差按1℃計算，傳熱系數(shù)按6000W/(m2·℃)，可換算得出每kW換熱量（即內(nèi)區(qū)供冷量）需增加的設(shè)備初投資約200元，板式換熱器所接管道閥門及自控等以設(shè)備投資50%估算，則系統(tǒng)增加的初投資約為300元/kW，風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)中，考慮12℃新風(fēng)承擔(dān)的供冷能力，則風(fēng)機盤管需負擔(dān)的內(nèi)區(qū)冷量為933kW，所增加的設(shè)備初投資約279776元（27.98萬元）。此時需考慮冷卻塔在室外溫度低于0℃時（約62h）系統(tǒng)內(nèi)的水存在結(jié)冰的可能，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)設(shè)置增加前文所述輔助加熱設(shè)施，此時設(shè)備初投資增加量將比27.98萬元略高，同時電加熱運行時增大一定耗電量，估計為29.4萬元。

3 采用常規(guī)方式內(nèi)區(qū)供冷

如采用冷水機組供冷，則在可采用前兩種方式的1600h中，系統(tǒng)總制冷量為2464000kWh，運行工況下COP約為5.1，耗電量為483137kWh，安徽省商業(yè)用電平均電價約為1.20元/kWh，需用電費579764.7元（約57.98萬元）。

新風(fēng)需處理到室內(nèi)狀態(tài)點20℃送入，焓值i4約為29.5kJ/kg，室外空氣平均溫度為6.04℃，焓值i3約為10.4kJ/kg，6℃時空氣密度取ρ=1.263kg/m3，合肥商用燃氣價格3.66元/Nm3，則采用預(yù)熱新風(fēng)所需燃氣費用計算參照式（2）。

商鋪：Q=(29.5-10.4)×20×1.263×15231×1600/0.94/ 4=3126995594kJ，耗氣量為86986Nm3，燃氣費31.84萬元；

電玩：Q=(29.5-10.4)×30×1.263×1468×1600/0.94/3= 602774543kJ，耗氣量為16768Nm3，需耗燃氣費6.14萬元；

KTV：Q=(29.5-10.4)×20×1.263×2796×1600/0.94/ 2.5=918451020kJ，耗氣量為25549Nm3，需耗燃氣費9.35萬元；

餐飲：Q=(29.5-10.4)×25×1.263×12730×1600/0.94/ 2.5=5227057174kJ，耗氣量為145405Nm3，需耗燃氣費53.22萬元；

共計預(yù)熱所需燃氣費用約100.54萬元/年。

4 兩種方式綜合比較

由表2可知，采用冷卻塔免費制冷的方式，在室外溫度達到運行要求時，可以滿足內(nèi)區(qū)供冷的要求，除增加板式換熱器和部分管道外，其余設(shè)備與常規(guī)系統(tǒng)相同。內(nèi)區(qū)供冷時冷水機組不運行，僅靠運行冷卻塔實現(xiàn)制冷要求。

表2 兩種內(nèi)區(qū)供冷方式經(jīng)濟性對比表

根據(jù)表2可知，采用免費制冷方式比常規(guī)方式節(jié)省能源費115.35萬元/年，增加初投資費用約29.4萬元，0.5年內(nèi)可回收初投資增加成本，回收期短，節(jié)能性很好。

5 總結(jié)

采用開式冷卻塔間接式免費供冷需要在原有的空調(diào)系統(tǒng)上增設(shè)部分設(shè)備和控制系統(tǒng)，并且需要注意防止循環(huán)水結(jié)冰來保證系統(tǒng)運行的可靠性，這些將會增加系統(tǒng)的初投資費用及控制管理難度，但該內(nèi)區(qū)供冷方式能夠在保證內(nèi)區(qū)設(shè)計溫度的同時，體現(xiàn)較好的經(jīng)濟性，大幅降低能耗，值得推廣采用。

參考文獻

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[6]王翔.冷卻塔供冷系統(tǒng)設(shè)計方法[J].暖通空調(diào),2009,39(7):99-103

Ec onom ic Re s e a rc h on Fre e Cooling Sys te m for Inte rior Zone s of Wa nda City in He fe i

XUAN Feng,LIU Gang,XU Ming-ming,GAN Chang-de
School of Environmental Science and Engineering,Donghua University

An actual project in Hefei city was analyzed,which compared the initial investment of free cooling system and conventional air conditioning system applied in interior zone.According the local energy prices,the annual operation cost was compared,and the payback period of the project for free cooling system was figured out.The results show that the free cooling system increase the initial investment slightly,but reduce the energy consumption more largely.It has a good economical efficiency.

interior zone cooling,free cooling system,operation cost,economical efficiency

1003-0344（2015）05-054-3

201405-25

宣豐（1989～），男，碩士研究生；上海市松江區(qū)人民北路2999號東華大學(xué)4號環(huán)境學(xué)院樓3137（201620）；E-mail:violaxu001@163.com