某酒店冷卻塔供冷系統(tǒng)的應用

文/張守峰 元石機電設計（上海）有限公司 上海 201103

冷卻塔供冷系統(tǒng)目前已經(jīng)是很成熟的一種節(jié)能措施，在許多實際工程項目中都已得到運用，并取得了可觀的節(jié)能效果，本文僅就某酒店中所運用的冷卻塔供冷系統(tǒng)做出簡明闡述，對于冷卻塔供冷系統(tǒng)在實際工程設計中所遇到的一些問題進行一些初步探討。

1、冷卻塔供冷原理

圖1是一個采用電動壓縮式冷水機組的空調(diào)水系統(tǒng)，如果建筑（如大型電子計算機房，電子廠房，有大面積內(nèi)區(qū)的商業(yè)、辦公、酒店等）在冬季均有穩(wěn)定的內(nèi)部發(fā)熱量，需要供冷，這時只要室外氣溫足夠低（室外空氣濕球溫度也較低），系統(tǒng)配置的冷卻塔便可以提供溫度足夠低的冷水，直接作為冷源來消除余熱量，圖1所示系統(tǒng)通過關(guān)閉制冷機，切換至板式換熱器的方法，可以實現(xiàn)冷卻塔供冷，由于冷水機組的耗電量在空調(diào)系統(tǒng)中占有極高的比例，利用冷卻塔供冷節(jié)省了大量的電費，所以常常被稱為“免費供冷”（"free cooling"）。

2、工程概況

2.1 建筑概況

本項目為高層建筑，地下二層，地上八層（局部七層）。地下室部分為停車庫，設備用房，酒店及物業(yè)后勤用房，游泳池，全日餐廳，會議中心等，裙房中的主要業(yè)態(tài)為中餐廳，宴會廳，大堂，大堂吧，一層局部為客房，二層及以上層為客房層，二層局部區(qū)域為酒店辦公。酒店效果圖如下：

圖2 酒店效果圖

2.2 空調(diào)系統(tǒng)概況

本項目采用一套冷、熱源系統(tǒng)?？照{(diào)冷源采用水冷離心式電制冷機（一臺變頻），水冷螺桿式電制冷機以及冷卻塔免費供冷系統(tǒng)的組合，空調(diào)及生活熱水熱源采用燃氣（油）熱水鍋爐。設置2臺水冷離心式電制冷機和1臺水冷螺桿式電制冷機作為空調(diào)系統(tǒng)冷源。單臺離心式制冷機的制冷量為2461kW，單臺螺桿式制冷機的制冷量為988 kW。設置兩臺600M3/H，一臺250M3/H冷卻塔。水泵均采用變頻調(diào)節(jié)，并與冷機一一對應。制冷機制備的空調(diào)冷水供回水溫度為7/12℃，離心式制冷機采用熱回收機型，用于地下一層水泵房生活熱水預熱。設置兩臺1.5噸蒸汽鍋爐（一用一備），供洗衣機房蒸汽用量。應酒店管理公司的要求，根據(jù)他們的運營經(jīng)驗，設置了988kW的冷卻塔免費供冷系統(tǒng)。當室外氣象條件合適時，可利用冷卻水經(jīng)板式換熱器換熱后制備空調(diào)冷水供空調(diào)末端使用。

3、冷卻塔供冷系統(tǒng)設計

3.1 冷卻塔供冷供、回水溫度的確定

本項目餐廳，宴會廳，大堂吧等大空間區(qū)域采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，過渡季及冬季需要制冷時優(yōu)先考慮采用室外空氣免費制冷，所以免費制冷在內(nèi)區(qū)辦公，餐飲包間；客房區(qū)域，表1是根據(jù)文獻[1]（室內(nèi)外溫差10℃）結(jié)合本項目設計參數(shù)對辦公室、會議室、餐飲小包間等功能內(nèi)區(qū)及客房所產(chǎn)生的冷負荷、要求的新風量、新風供冷能力進行計算的結(jié)果。

表格中增加客房的計算結(jié)果，主要考慮本項目為玻璃幕墻，在過渡季及冬季仍有部分客房需要制冷，且本項目設計為四管制，可以實現(xiàn)根據(jù)客房客人不同需求的供冷供熱需求，所以客房的冬季的負荷也應在考慮范圍內(nèi)。

?

由表1可見，本項目考慮新風的供冷能力后，內(nèi)區(qū)冷卻盤管供冷量只需為其夏季工況的68%左右就可滿足要求。另外，冬季內(nèi)區(qū)冷負荷以顯熱負荷為主，式（1）為夏季表冷器的干球溫度效率公式。

式中△t為處理空氣的初終狀態(tài)溫差，t1為空氣的初始狀態(tài)溫度（當新風獨立處理送風時，即室內(nèi)設計溫度），tw1為表冷器供水溫度。根據(jù)公式（1）及文獻[1]的分析結(jié)果，本項目在風機盤管選用時都考慮了富裕量，提供10℃空調(diào)冷水是基本可以滿足內(nèi)區(qū)空調(diào)要求的，故冷卻塔制冷的冷凍水側(cè)計算供水溫度取值按10 ℃，回水溫度取值按15℃。

冷卻塔免費制冷板換溫差取1℃，冷卻塔供水溫度設計值為9℃。參照《ASHRAE Handbook》給出典型橫流塔特工曲線（圖3～4）來確定冷卻塔免費供冷回水溫度。

圖3 冷卻塔熱工特性曲線（100%設計流量）

圖4 冷卻塔熱工特性曲線（67%設計流量）

看圖3和圖4的情況比較。需要9℃的冷卻水，供回水溫差為2℃，從圖3可查出，在濕球溫度4℃才可以實現(xiàn)，而從圖4可查出，在濕球溫度7℃就可以實現(xiàn)。同樣從圖3圖4也可查出，9℃的冷卻水，供回水溫差為3℃時需要空氣的濕球溫度分別為2℃和5℃。按綿陽地區(qū)的室外空氣濕球溫度年頻率統(tǒng)計表[2]，空氣濕球溫度小于等于5 ℃的時間為1223 h[2]，空氣濕球溫度小于等于7 ℃的時間為2174h[2]。為了延長免費供冷時間，選擇冷卻水溫差2℃，這樣，按綿陽地區(qū)的室外參數(shù)，免費供冷時間就多了951 h。

3.2 冷卻塔及冷卻水泵的配置

冷水側(cè)采用與夏季空調(diào)季節(jié)同樣的供回水溫差，故采用原變頻水泵，可以根據(jù)末端負荷實現(xiàn)變流量運行。

為了在初投資盡量小的情況下實現(xiàn)免費供冷的應用，只增設免費制冷板換，冷卻水泵均采用原有的變頻水泵，原有變頻水泵對應分別為兩臺600M3/H，一臺250M3/H冷卻塔，夏季冷卻水供回水溫差為5℃，免費供冷供回水溫度按前文選取為2℃，兩者溫差的比值為2.5，免費供冷負荷為988KW，與螺桿機的冷量相同，根據(jù)公式（2）冷量相同，流量與溫差成反比，

Q1/Q2=ΔT2/ΔT1（2）

式中△t為供回水溫差，Q為水流量，水泵采用原600M3/H冷卻塔對應的冷卻水泵即可，考慮到隨著室外溫度降低冷卻塔免費制冷量的需求的減少，出于節(jié)能考慮，將系統(tǒng)中最小的一臺冷卻水泵和兩臺大的冷卻水泵眾的一臺均接入免費供冷系統(tǒng)，在系統(tǒng)需求大時開啟大時開大流量水泵，在系統(tǒng)需求量很小時，變頻調(diào)節(jié)無法滿足系統(tǒng)最小流量要求時，關(guān)閉大流量水泵，開啟小流量水泵，以達到節(jié)能運行的目的。

冷卻塔臺數(shù)的選擇，依據(jù)前面冷卻塔溫差選取的原則，保證單臺冷卻塔流量在小于等于67%，現(xiàn)免費供冷最大需求總流量和原冷卻塔流量見表2

?

根據(jù)表2，選擇一臺250M3/H冷卻塔和一臺600M3/H提供免費供冷。為避免供水溫度過低的可能，供水溫度低至5℃時冷卻塔風機停止運行，升高至9℃時恢復運行。在低溫冷卻水供、回水管之間設置旁通管，并在旁通水路上分別設置電動閥，旁通電動閥冬季為開關(guān)控制，冷卻塔管路電動閥與旁通電動閥連鎖動作。當冷卻塔風機停止運行后出水溫度仍然過低（低于5℃）時打開旁通閥、關(guān)閉冷卻塔通路閥，升高至9℃時閥門相反動作，使水溫維持在允許范圍內(nèi)。

3.3 冷卻塔免費供冷經(jīng)濟效益簡述

免費供冷空調(diào)側(cè)溫差不變，所以空調(diào)冷水的流量不變，僅需計算冷源側(cè)兩種工況的能耗。

冬季冷水機組制冷時開啟的冷水機組能耗EL可按下式計算[3]：

式中：口為冬季內(nèi)區(qū)滿負荷時所需供冷量，kW； γ為負荷小時平均系數(shù)，取0.7； h為冷卻塔供冷總小時數(shù)，h； IPLV為冷水機組綜合部分負荷性能系數(shù)。

冬季冷水機組制冷時開啟的冷卻水泵能耗Eb1可通過下式估算[3]：

式中： G1為冷卻水泵流量，m3/h； H1，為冷卻水泵揚程，m；為水泵效率。

冷卻塔供冷時冷源水泵能Eb2則可以通過下式估算[3]；

全年節(jié)省能量ΔE[3]：

ΔE=EL+Eb1-Eb2（6）

經(jīng)計算，全年節(jié)能量為139657kW·h，枯水期平均電費按1元/ kW·h，每年總計可節(jié)省運行費用約為13.9萬元。

結(jié)語：

本文筆者僅就所參與的實際項目結(jié)合參考文獻進行設計項目的總結(jié)，冷卻塔供冷應用越來越多，系統(tǒng)設計應根據(jù)實際項目情況及所在地的氣候情況綜合考慮。最高室外濕球溫度的確定根據(jù)室外氣象參數(shù)，溫差大于等于2℃，盡量延長免費供冷時間的原則選取。