貴陽某機(jī)場(chǎng)T2航站樓冷卻塔免費(fèi)供冷可行性研究★

李 磊 胡 澄 蘇 鷹 毛瑞勇 楊雅鑫 田茂軍

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025; 2.重慶僑恩創(chuàng)源建筑設(shè)計(jì)有限公司貴州分公司，貴州 貴陽 550081; 3.貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展,建筑能耗、工業(yè)能耗以及交通能耗成為我國(guó)能源消耗的主要方面。我國(guó)人口基數(shù)大，資源人均占比較低；其中石化類資源(石油和天然氣)人均占比低于世界水平的10%；與此同時(shí)，我國(guó)能源利用效率較低，僅為發(fā)達(dá)國(guó)家能源利用效率的0.64倍～0.8倍，較能源利用國(guó)際先進(jìn)水平平均低10%左右[1,2]。隨著人類活動(dòng)日益頻繁，對(duì)室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性要求越來越高。建筑能耗也迅猛增長(zhǎng)，其中空調(diào)能耗占比約47%[3]。若能適時(shí)增加天然冷源的使用，將能節(jié)約很多能源消耗。

1 冷卻塔供冷原理

冷卻塔一般以水為循環(huán)吸熱介質(zhì)，對(duì)室內(nèi)換熱的管路進(jìn)行冷卻處理，在溫度要求不高時(shí)，起到代替冷源作用。冷卻塔免費(fèi)供冷，是指在過渡季，空調(diào)需求溫度不高和供電緊張時(shí)間段，暫代冷源，一定程度上緩解峰谷壓力，實(shí)現(xiàn)低品位熱量的最大利用。

2 貴陽某機(jī)場(chǎng)T2航站樓負(fù)荷模擬

貴陽某機(jī)場(chǎng)T2航站樓屬于甲類公共建筑，建筑所在地氣候分區(qū)屬于溫和A區(qū)；總建筑面積21萬m2，建筑用空調(diào)面積約為12.5萬m2。利用DeST能耗分析軟件進(jìn)行全年空調(diào)能耗模擬分析。推斷出可以用冷卻塔“免費(fèi)供冷”技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)冷源供冷的運(yùn)行時(shí)間段。對(duì)過渡季利用冷卻塔免費(fèi)供冷技術(shù)進(jìn)行可行性分析。

2.1 模塊參數(shù)設(shè)置

T2航站樓外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)和室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1，表2所示。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù) W/(m2·K)

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.2 負(fù)荷模擬分析

設(shè)置參數(shù)并對(duì)全年空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行模擬。如圖1所示，全年最大冷負(fù)荷值出現(xiàn)在7月22日17:00為11 429.46 kW。此時(shí)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱特性，使得室外氣溫對(duì)內(nèi)部影響延后至17:00左右，建筑內(nèi)區(qū)有較大面積的辦公場(chǎng)所及候機(jī)廳，人員密度較大，設(shè)備使用率較高。冬季熱負(fù)荷峰值出現(xiàn)在1月13日上午8:00,其值為8 562.39 kW。且整個(gè)采暖季的早8:00均呈現(xiàn)最大負(fù)荷，主要原因是建筑用途開始蘇醒，旅客和辦公人員同時(shí)活動(dòng)，空調(diào)開啟，需要排除前一天夜里建筑積累的冷量，而室內(nèi)活動(dòng)剛剛開始，散熱量及散濕量相對(duì)較少。

根據(jù)機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)模式及貴陽氣候條件，分析過渡季進(jìn)行冷卻塔免費(fèi)供冷技術(shù)可行性。4月～5月兩個(gè)月進(jìn)行供冷，其他過渡季不需要供冷。鑒于機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)時(shí)刻，一般在5:30 a.m進(jìn)行供冷,圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱需要時(shí)間，故需提前至5:00開啟機(jī)組制冷。如圖2所示，4月～5月空調(diào)負(fù)荷波動(dòng)較大，其峰值負(fù)荷為9 019 kW,而極端情況負(fù)荷低于10 kW?？照{(diào)負(fù)荷率5%以下的小時(shí)數(shù)達(dá)到1 084 h,而負(fù)荷率75%以上的小時(shí)數(shù)僅為18 h。曲線上升斜率逐漸降低，證明隨著負(fù)荷率累積的增加，累積小時(shí)數(shù)上升趨勢(shì)逐漸變緩。在空調(diào)負(fù)荷時(shí)段較小時(shí)，可采用冷卻塔代替?zhèn)鹘y(tǒng)冷源為建筑供冷。

3 冷卻塔供冷切換溫度及理論供冷時(shí)數(shù)

3.1 冷卻塔供冷切換溫度

冷卻塔運(yùn)行切換溫度，是由天然冷源代替常規(guī)冷源向建筑供冷的溫度，切換溫度不是定值，受室外氣候條件、建筑負(fù)荷、供冷形式、空調(diào)末端供冷溫度及自身運(yùn)行特性等因素影響。圖3給出不同濕球溫度下，冷卻塔出口水溫隨流量變化曲線，得出，同型號(hào)冷卻塔在相同室外氣象參數(shù)和進(jìn)水溫度條件下，出水溫度隨流量減小而下降。當(dāng)室外濕球溫度為10 ℃時(shí)，冷卻塔按照額定流量運(yùn)行時(shí)，出水溫度16.6 ℃；當(dāng)運(yùn)行流量減至額定流量的50%時(shí)，出水水溫為14.2 ℃，水溫下降了2.4 ℃；故在滿足負(fù)荷的前提下，應(yīng)減少冷卻塔流量，使得冷卻塔運(yùn)行效果更好。

圖4給出相同室外環(huán)境參數(shù)，在供水溫度為20 ℃時(shí)，不同流量下冷卻塔出水溫度隨室外濕球溫度變化趨勢(shì)?？梢?，在相同的濕球溫度、流量和供水溫度條件下，冷卻塔出水溫度隨室外濕球溫度降低而下降。當(dāng)室外濕球溫度14 ℃和運(yùn)行流量為額定流量的50%時(shí)，冷卻塔出水溫度17.5 ℃；當(dāng)室外濕球溫度降至10 ℃，其他參數(shù)不變，冷卻塔出水溫度為14.2 ℃，出水溫度下降3.5 ℃。由此可知，運(yùn)行參數(shù)一定條件下，室外濕球溫度越低，冷卻塔出水溫度越低，供冷效果越好。

根據(jù)《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》統(tǒng)計(jì)貴陽4月和5月過渡季節(jié)濕球溫度變化趨勢(shì)與供冷時(shí)數(shù)關(guān)系；由圖5可知，當(dāng)室外濕球溫度從10 ℃上升至14 ℃，濕球溫度每升高1 ℃，供冷小時(shí)數(shù)分別增加90 h，104 h，132 h和183 h,供冷時(shí)數(shù)增長(zhǎng)率從6.15%增至12.5%。由此可知，提高切換運(yùn)行濕球溫度，可以大幅度延長(zhǎng)冷卻塔供冷小時(shí)數(shù)。因此，在滿足供冷效果的前提下應(yīng)盡量提高切換濕球溫度，延長(zhǎng)供冷小時(shí)數(shù)，延緩制冷機(jī)組開啟，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。研究分析認(rèn)為，當(dāng)室外濕球溫度14 ℃時(shí)，供冷時(shí)數(shù)增長(zhǎng)率較高；冷卻塔額定流量運(yùn)行的出口水溫17.5 ℃；當(dāng)運(yùn)行流量為額定流量50%和40%時(shí)，冷卻塔出水溫分別為16 ℃和15.8 ℃。若系統(tǒng)采用3 ℃供回水溫差，回水溫度約為18.8 ℃，使冷卻塔換熱量達(dá)到3 920 W,滿足4月、5月過渡季機(jī)場(chǎng)的供冷負(fù)荷需求。故本項(xiàng)目將切換溫度設(shè)定為14 ℃。

3.2 冷卻塔理論供冷時(shí)數(shù)

由圖6，圖7可知，當(dāng)冷卻塔切換運(yùn)行的濕球溫度越低，理論供冷時(shí)數(shù)越少。在貴陽地區(qū)的冬季，當(dāng)冷卻塔切換運(yùn)行濕球溫度為14 ℃時(shí)，約有90%以上的供冷小時(shí)數(shù)可以實(shí)現(xiàn)冷卻塔供冷技術(shù)應(yīng)用。冬季理論供冷時(shí)數(shù)達(dá)到了2 130 h，占冬季(1月～3月)供冷小時(shí)數(shù)比例為98.61%，占全年比例為24.32%，占全年可使用冷卻塔間接供冷總小時(shí)數(shù)為49.2%?？梢?，貴陽冷卻塔“免費(fèi)”供冷技術(shù)在冬季更適用。

4 T2航站樓冷卻塔供冷系統(tǒng)節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性分析

通過增設(shè)冷卻塔輔助供冷管路系統(tǒng)，開展原有空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造；啟用冷卻塔供冷時(shí)停開冷水機(jī)組所用能耗成為改造后能耗的主要方面。其改造后的經(jīng)濟(jì)效益，見表3?？梢姡s2年半就可以將成本回收，經(jīng)過系統(tǒng)改造后經(jīng)濟(jì)性大大提升，即在貴陽地區(qū)使用冷卻塔供冷技術(shù)在過渡季是可行的。

表3 冷卻塔供冷系統(tǒng)節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性分析表

5 結(jié)語

貴陽某機(jī)場(chǎng)T2航站樓通過DeST能耗模擬軟件動(dòng)態(tài)仿真模擬，全年冷熱負(fù)荷峰值分別為11 429.6 kW 和8 562.39 kW。貴陽地區(qū)以14 ℃為冷卻塔供冷切換濕球溫度，4月和5月過渡季，室外濕球溫度不大于14 ℃，過渡季累計(jì)供冷小時(shí)數(shù)為640 h，占比達(dá)到43.72%；冬季累計(jì)供冷時(shí)數(shù)為2 130 h，占冬季(1月～3月)供冷小時(shí)數(shù)比例為98.61%。通過對(duì)貴陽某機(jī)場(chǎng)T2航站樓的節(jié)能改造分析，項(xiàng)目改造投資經(jīng)濟(jì)回收期為2.61年。分析認(rèn)為，在貴陽某機(jī)場(chǎng)T2航站樓應(yīng)用冷卻塔供冷技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)天然冷源的有效利用，在過渡季節(jié)和冬季可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，節(jié)能效益明顯。