冷卻水制冷在某商業(yè)建筑中的應(yīng)用

況 原 忠

(廣東博意建筑設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 佛山 528312)

1 概述

大型商業(yè)建筑具有建筑空間相對(duì)比較封閉、人流密度比較大、燈光發(fā)熱量大、餐飲食物等室內(nèi)散熱量大等特點(diǎn)，對(duì)商業(yè)建筑空調(diào)負(fù)荷造成很大影響，在這種情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)空調(diào)冷負(fù)荷的影響效果相對(duì)較低。在過(guò)渡季節(jié)，甚至冬季，僅僅通過(guò)開(kāi)啟新風(fēng)機(jī)，難以達(dá)到實(shí)際降低商業(yè)建筑室內(nèi)空調(diào)溫度的效果。為達(dá)到建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、提高商業(yè)建筑“品質(zhì)”，商業(yè)建筑在過(guò)渡季節(jié)(冬季)通常仍需開(kāi)啟空調(diào)制冷主機(jī)，但在很多情況下、空調(diào)制冷機(jī)都處在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，空調(diào)主機(jī)能效比相對(duì)較低，造成很大的能源浪費(fèi)。為充分利用自然冷源、實(shí)現(xiàn)建筑“綠色節(jié)能”運(yùn)行，近年來(lái)，過(guò)渡季節(jié)(冬季)采用冷卻水供冷也得到大力發(fā)展[1,2]。

2 商業(yè)建筑空調(diào)用能特性

商業(yè)建筑用電主要為空調(diào)系統(tǒng)和照明插座系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)和特殊用電設(shè)備在建筑能耗中比重相對(duì)較少。其中空調(diào)系統(tǒng)用電主要和建筑使用時(shí)間、室外環(huán)境以及室內(nèi)電氣設(shè)備功率及其數(shù)量有關(guān)，商場(chǎng)建筑空調(diào)系統(tǒng)使用時(shí)間主要在夏季和冬季的空調(diào)季節(jié)，而建筑使用時(shí)間與室內(nèi)人員上班時(shí)間一致，由此，建筑空調(diào)能耗空調(diào)季節(jié)比非空調(diào)季節(jié)能耗大，白天上班時(shí)間比晚上大，工作日時(shí)間比休息日能耗大。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)商場(chǎng)建筑屬于半密封建筑，幾乎不能利用自然采光，室內(nèi)照明及其他設(shè)備幾乎全天開(kāi)啟，因此，商場(chǎng)建筑照明插座用電只與建筑運(yùn)行時(shí)間有關(guān)。

對(duì)于動(dòng)力設(shè)備主要體現(xiàn)在電梯用電上，除了建筑貨梯外，商場(chǎng)扶梯基本全天開(kāi)啟，電梯能耗主要體現(xiàn)在室內(nèi)人數(shù)上。

對(duì)于其他特殊用電，由于建筑信息中心等區(qū)域，長(zhǎng)期處于開(kāi)啟狀態(tài)，因此，特殊用電設(shè)備一般以一定的功率持續(xù)運(yùn)行。

對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)用電，在夏季和過(guò)渡季節(jié)，建筑具有較高的空調(diào)用電，而在冬季空調(diào)用電處于較低水平。由于建筑的封閉性和室內(nèi)照明和設(shè)備的高功率，使得建筑在冬季供暖需求較小，而在夏季和過(guò)渡季節(jié)，建筑仍需空調(diào)制冷以使室內(nèi)環(huán)境達(dá)到設(shè)計(jì)要求[3]。

但是，相比夏季空調(diào)最大負(fù)荷，在過(guò)渡季節(jié)建筑空調(diào)負(fù)荷大幅降低，同時(shí)室外空氣環(huán)境大幅降低，冷卻塔可在較高效率下運(yùn)行，補(bǔ)風(fēng)負(fù)荷較低區(qū)域可以通過(guò)切換冷卻水制冷以實(shí)現(xiàn)降低室內(nèi)溫度效果，其余負(fù)荷更低區(qū)域甚至可以僅僅加大通風(fēng)量而開(kāi)啟空調(diào)。

3 過(guò)渡季節(jié)冷卻水制冷特點(diǎn)及適用條件

在節(jié)能方面，過(guò)渡季節(jié)采用冷卻水代替冷凍水進(jìn)入空調(diào)末端設(shè)備以消除建筑冷負(fù)荷，可以減少制冷主機(jī)運(yùn)行時(shí)間，從而降低主機(jī)能耗，降低建筑能耗[4]。

在環(huán)境保護(hù)方面，減少空調(diào)主機(jī)運(yùn)行時(shí)間，從而降低制冷主機(jī)中制冷劑蒸發(fā)泄露的可能，以減少因制冷主機(jī)運(yùn)行對(duì)環(huán)境的影響。

在空調(diào)系統(tǒng)維護(hù)方面，由于在過(guò)渡季節(jié)(冬季)室外溫度降低，冷卻水溫度隨之下降，制冷主機(jī)制冷是冷卻水溫度過(guò)低，主機(jī)長(zhǎng)期在標(biāo)準(zhǔn)工況下運(yùn)行，將大大影響制冷主機(jī)使用壽命。

室外環(huán)境濕球溫度直接決定冷卻塔出水溫度，根據(jù)冷卻塔制冷原理，冷卻塔理論提供最低出水溫度接近于室外環(huán)境濕球溫度(冷卻塔最大制冷能力)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，冷卻塔免費(fèi)制冷運(yùn)行最高濕球溫度設(shè)定在小于10 ℃比較合理。

在過(guò)渡季節(jié)，建筑空調(diào)冷負(fù)荷降低，可適當(dāng)通過(guò)加大室內(nèi)通風(fēng)換氣以排除室內(nèi)冷負(fù)荷，當(dāng)在過(guò)渡季節(jié)仍有較大冷負(fù)荷、僅僅通過(guò)開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)(或空調(diào)新風(fēng)機(jī))不足以達(dá)到降低室內(nèi)溫度要求的建筑，可通過(guò)冷卻水接入空調(diào)末端，通過(guò)空調(diào)末端水—空氣換熱以達(dá)到降低室內(nèi)送風(fēng)溫度的目的，從而實(shí)現(xiàn)冷卻水制冷。

但是，除了受室外環(huán)境因素影響外，大型商業(yè)建筑內(nèi)含有多種內(nèi)部熱源，室內(nèi)人員比較多、餐飲食物散熱比較大、燈光散熱產(chǎn)生冷負(fù)荷比較大等特點(diǎn)，室內(nèi)冷負(fù)荷在建筑空調(diào)負(fù)荷的比重比較大，某些區(qū)域室外環(huán)境溫度對(duì)空調(diào)負(fù)荷影響比較小。在空調(diào)室內(nèi)負(fù)荷比較大的區(qū)域，過(guò)渡季節(jié)僅僅通過(guò)冷卻水制冷可能不足以達(dá)到降低室內(nèi)溫度的要求[4]。

因此，對(duì)于大型商場(chǎng)建筑，需要根據(jù)負(fù)荷特性分區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)在滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)環(huán)境的前提下真正達(dá)到節(jié)能目的。

4 項(xiàng)目基本情況及冷卻水制冷適用性分析

本建筑位于江西省南昌市，屬于夏熱冬冷地區(qū)。其商業(yè)街建筑面積:140 000 m2,其中:地上建筑面積：112 000 m2，地下建筑面積:28 000 m2。

地下1層：超市、商業(yè)、設(shè)備用房；1層：購(gòu)物中心為娛樂(lè)門廳、室內(nèi)步行街、室內(nèi)步行街附屬商鋪、電影樂(lè)園入口、海洋館入口；2層：購(gòu)物中心為商業(yè)(電玩、KTV)、室內(nèi)步行街、室內(nèi)步行街附屬商鋪電影樂(lè)園出口、海洋館出口；3層：購(gòu)物中心為室內(nèi)步行街、室內(nèi)步行街附屬商鋪、商管用房等。本次分析范圍為1層～3層除海洋館及超市外的商業(yè)及影院，其中影院建筑面積9 722 m2，大商業(yè)部分為103 278 m2，總面積113 000 m2?？照{(diào)冷負(fù)荷為206 50 kW，空調(diào)熱負(fù)荷為8 350 kW?？照{(diào)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)間為建筑運(yùn)行時(shí)間，即每天9:00～22:00。

為分析冷卻塔運(yùn)行效果，現(xiàn)以項(xiàng)目所在地區(qū)(南昌)典型年濕球溫度在空調(diào)運(yùn)行期間內(nèi)出現(xiàn)頻數(shù)分析，一般認(rèn)為大于30%具有較好的節(jié)能效果[5]。

根據(jù)南昌市典型年氣象參數(shù)，在建筑運(yùn)行時(shí)間(即365×13=4 745)內(nèi)全年各級(jí)濕球溫度頻數(shù)見(jiàn)表1。

表1 空調(diào)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)南昌全年各級(jí)濕球溫度頻數(shù)表

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)，南昌地區(qū)在商場(chǎng)運(yùn)行期間，室外濕球溫度小于8 ℃小時(shí)數(shù)為1 204，占全年25.37%，小于9 ℃小時(shí)數(shù)為1 482，占全年31.23%，小于10 ℃小時(shí)數(shù)為1 670，占全年35.19%。由于建筑在過(guò)渡季節(jié)仍具有較大空調(diào)負(fù)荷，10 ℃可能不足以達(dá)到降低溫度效果，本工程冷卻塔制冷啟動(dòng)溫度設(shè)定在9 ℃。

5 過(guò)渡季節(jié)冷卻水制冷設(shè)計(jì)

商業(yè)空調(diào)系統(tǒng)，在過(guò)渡季節(jié)和冬季需要供冷的內(nèi)區(qū)，設(shè)置冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)。商業(yè)的冷卻塔在過(guò)渡季節(jié)和冬季生產(chǎn)冷水，經(jīng)制冷機(jī)房換熱后，供給商業(yè)空調(diào)內(nèi)區(qū)的風(fēng)盤使用。冷卻塔側(cè)供回水溫度9 ℃/12 ℃，風(fēng)機(jī)盤管側(cè)供回水溫度10 ℃/15 ℃，如表2所示。

制冷主機(jī)和空調(diào)冷凍泵、冷卻泵采用一對(duì)一的連接方式，并在各組設(shè)備連接管道中間設(shè)置互為備用的手動(dòng)轉(zhuǎn)換閥?？照{(diào)內(nèi)區(qū)：空調(diào)內(nèi)區(qū)全年供冷，但當(dāng)室外氣溫極低時(shí)，空調(diào)內(nèi)區(qū)可以轉(zhuǎn)換為供熱系統(tǒng)。

根據(jù)項(xiàng)目業(yè)態(tài)性質(zhì)，步行街內(nèi)庭熱源較少，頂部與室外直接接觸圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積較大，在過(guò)渡季節(jié)空調(diào)負(fù)荷較低，可以通過(guò)加大室內(nèi)通風(fēng)以達(dá)到降低室內(nèi)溫度目的；對(duì)于步行街內(nèi)區(qū)商鋪，空調(diào)形式采用新風(fēng)+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，室內(nèi)本身通風(fēng)量不大，僅僅通過(guò)加大通風(fēng)量不足以實(shí)現(xiàn)降低室內(nèi)空調(diào)溫度，可通過(guò)換熱器直接與冷卻塔相連，風(fēng)機(jī)盤管間接接入冷卻水，以達(dá)到降低空調(diào)溫度目的，而對(duì)于電影院線、電玩、主力店和餐飲等在過(guò)渡季節(jié)仍具有較大負(fù)荷區(qū)域，僅僅通過(guò)冷卻水免費(fèi)制冷，不足以實(shí)現(xiàn)降低空調(diào)溫度要求，勢(shì)必仍需開(kāi)啟部分冷水機(jī)組，進(jìn)行冷凍水制冷。

為盡量滿足室內(nèi)各空調(diào)區(qū)域不同季節(jié)空調(diào)負(fù)荷需要，對(duì)商鋪按業(yè)態(tài)、室內(nèi)熱負(fù)荷大小、與室外接觸圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積大小，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行分類分別設(shè)計(jì)。其空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)圖1。

6 結(jié)語(yǔ)

表2 冷卻水制冷設(shè)計(jì)控制要求

本文分析南昌地區(qū)全年氣象參數(shù)，冷卻塔即使在冬季也基本能正常運(yùn)行，基本不存在結(jié)霜的可能。同時(shí)分析冷卻塔在過(guò)渡季節(jié)運(yùn)行時(shí)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)過(guò)渡季節(jié)冷卻水制冷，能實(shí)現(xiàn)較大的節(jié)能效果。

夏熱冬冷地區(qū)具有室外環(huán)境的復(fù)雜性，尤其對(duì)于商業(yè)建筑，同一建筑內(nèi)各區(qū)域、各個(gè)時(shí)間段的室內(nèi)散熱量、人員客流量、負(fù)荷特性不盡相同，甚至可能存在同一時(shí)間有的區(qū)域需要制冷、有的區(qū)域需要制熱的可能。這種情況下單純的某一種技術(shù)在空調(diào)全年運(yùn)行中未必能夠達(dá)到真正的節(jié)能目的，必須結(jié)合空調(diào)負(fù)荷具體情況進(jìn)行分別設(shè)計(jì)。