醫(yī)院建筑冷卻塔供冷節(jié)能潛力與優(yōu)化運行研究

孫宇棟，梁彩華，白曦

（東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇南京 210096）

0 引言

醫(yī)院建筑一般包括門診部、住院部、醫(yī)技部、手術(shù)室等功能區(qū)，其中放療科、影像中心、檢驗中心、外科手術(shù)室等特殊用途分區(qū)，位置上往往處于內(nèi)區(qū)，設(shè)備散熱量大且全年較穩(wěn)定。因此這些區(qū)域一般具有一定的常年冷負荷，需要在過渡季或冬季進行供冷[1]?，F(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)大多采用全年冷水機組供冷方式，而在部分地區(qū)，由于過渡季及冬季室外空氣焓值較低，因此可以利用自然冷源部分或全部替代冷水機組供冷，從而降低空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗。常見的自然冷源利用方式為冷卻塔供冷。常規(guī)制冷的冷水機組主機能耗在整個醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)能耗中約占50%～75%[1-3]，如在室外環(huán)境條件允許的情況下采用冷卻塔供冷，并盡可能增加冷卻塔供冷時長，則可較大幅度減少冷水機組的運行時間，降低空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗，實現(xiàn)節(jié)能的目的。

冷卻塔供冷技術(shù)有3種主要形式：開式冷卻塔直接供冷、閉式冷卻塔直接供冷、開式冷卻塔間接供冷[4]。其中開式冷卻塔加板式換熱器的間接供冷具有改造容易，維護費用低的優(yōu)點，是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的冷卻塔供冷方式。SONG[5]對半導體廠冷卻塔供冷的節(jié)能性進行了研究，通過歷史運行數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能耗和制冷量，結(jié)果表明冷卻塔供冷有10%的節(jié)能效果。KOC等[6]的研究表明，冷卻塔供冷和冷水機組供冷聯(lián)合應(yīng)用于工業(yè)廠房的工藝冷卻時，系統(tǒng)全年節(jié)能率可達48%，投資回報期為一年。要準確評估建筑采用冷卻塔供冷的節(jié)能潛力，關(guān)鍵是確定從機械制冷到冷卻塔供冷切換的臨界切換溫度。部分學者[7-9]根據(jù)經(jīng)驗或?qū)崪y數(shù)據(jù)確定冷卻塔逼近度，以此計算切換溫度，并探討不同切換溫度設(shè)定值對全年節(jié)能率的影響。LIU等[10]用冷卻塔供冷系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)分析了冷卻塔尺寸、濕球溫度、冷負荷等因素對冷卻塔出水溫度的影響，提出切換溫度的計算公式。CHEUNG等[11]假設(shè)冷凍水供水溫度不變，模擬了不同工況下機械制冷和冷卻塔供冷的運行，以冷卻塔供冷能效比高于機械制冷時的溫度作為切換溫度，指出設(shè)計合理的冷卻塔供冷系統(tǒng)全年有3%～15%的節(jié)能潛力。此外，學者們研究了尋找冷卻塔供冷時流量、溫度等優(yōu)化設(shè)定點的方法。曾曉慶[12]在TRNSYS中對冷卻塔與冷水機組聯(lián)合供冷系統(tǒng)建模，研究了冷卻水流量在換熱器和冷水機組中的優(yōu)化分配比例。LIAO等[13]提出了一種簡化的方法對冷卻塔逼近度控制策略進行優(yōu)化，利用數(shù)學模型分析了冷卻塔風機耗功和逼近度的相關(guān)性。

然而，對于冷卻塔供冷節(jié)能潛力的研究，很少全面考慮室外環(huán)境和建筑需求對供水溫度和切換溫度的影響。導致冷卻塔供冷在實際應(yīng)用中主要根據(jù)經(jīng)驗確定固定的切換溫度，也影響了運行參數(shù)優(yōu)化的準確性，無法充分挖掘節(jié)能潛力。同時現(xiàn)有研究多針對工業(yè)建筑如數(shù)據(jù)中心、電子廠房等，對民用建筑的研究較少，而民用建筑在負荷特性和運行策略上與工業(yè)建筑有較大區(qū)別。

本文以典型的民用建筑醫(yī)院對象建立冷卻塔供冷系統(tǒng)模型，提出冷卻塔供冷節(jié)能潛力的評估方法。以逐時總能耗最小為目標，提出冷卻塔供冷的優(yōu)化策略，用實際案例研究切換溫度的變化規(guī)律，并對優(yōu)化運行結(jié)果進行節(jié)能分析。

1 冷卻塔供冷系統(tǒng)仿真模型

冷卻塔供冷系統(tǒng)由冷卻塔、（板式）換熱器、冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)及供冷末端（風機盤管或表冷器）等部件組成。本文分別對冷卻塔、水泵、表冷器、換熱器等主要部件建立完整的冷卻塔供冷系統(tǒng)模型，實現(xiàn)冷卻塔供冷系統(tǒng)仿真。

1.1 冷卻塔模型

本文采用Merkel法建立橫流冷卻塔的傳熱傳質(zhì)模型[14]，在冷卻塔內(nèi)的熱質(zhì)交換過程控制方程組中，僅包含a，βt，F(xiàn)z這3個與冷卻塔結(jié)構(gòu)和換熱性能有關(guān)的參數(shù)，通過實驗數(shù)據(jù)或冷卻塔性能曲線獲取，通過有限差分法求解填料內(nèi)不同位置和冷卻塔進出口空氣及水的物性參數(shù)。冷卻塔內(nèi)熱質(zhì)交換過程的控制方程為：

式中，a為填料比表面積；βt為傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m2·s)；Fz為填料橫截面積，m2；Mw,t為冷卻塔內(nèi)水質(zhì)量流量，kg/s；Ma,t為冷卻塔空氣質(zhì)量流量，kg/s；Xs,w為水溫對應(yīng)的飽和空氣含濕量，kg/(kg干空氣)；ha,t為冷卻塔內(nèi)空氣焓值，kJ/kg；ha,s為水溫對應(yīng)的飽和空氣焓值，kJ /kg；Tw,t為冷卻水溫度，℃；cp,v,w為以冷卻水溫度為定性溫度的水蒸氣定壓比熱；r0為水0 ℃時的汽化潛熱，kJ/kg。

1.2 水泵模型

冷卻塔供冷系統(tǒng)最主要的能耗來自冷卻水泵。單臺水泵在額定轉(zhuǎn)速下，揚程、輸入功率和效率可以表示為流量Qp的關(guān)系式：

式中，Hp為水泵的揚程，m；Np為水泵的軸功率，kW；εp為水泵效率；a、b、c均為性能常數(shù)，通過實驗數(shù)據(jù)或?qū)?yīng)型號的性能曲線擬合得到。

1.3 板式換熱器模型

板式換熱器是冷卻塔供冷系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，它將冷凍水和冷卻水分隔開來，實現(xiàn)換熱過程的同時保證了冷凍水的水質(zhì)。采用效能-傳熱單元數(shù)法[15]構(gòu)建板式換熱器的模型為：

式中，ε為換熱器傳熱效能；t1′-t2′為流體在換熱器中可能發(fā)生的最大溫差，(t′-t′)max為冷流體或熱流體在換熱器中實際溫差的最大值；NTU為換熱器傳熱單元數(shù)；K為換熱器總傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；F為換熱器總換熱面積，m2；Gmin和Gmax分別為換熱器中流體當量數(shù)值的最小值和最大值；Q為換熱器的傳熱量，kW。

目前全球經(jīng)濟動蕩，傳統(tǒng)工業(yè)制造業(yè)發(fā)展更為艱難，在此背景下，城市發(fā)展會展旅游業(yè)就顯得尤為重要。會展旅游業(yè)的發(fā)展可以帶動一大批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)行業(yè)聯(lián)動，提升行業(yè)整合優(yōu)化水平，進一步優(yōu)化旅游模式，促進旅游產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，從而促進成都市整體的產(chǎn)業(yè)升級。

2 冷卻塔供冷節(jié)能潛力評估方法

對建筑采用冷卻塔供冷的節(jié)能潛力進行評估的方法如圖1所示，評估方法為：1）采用第1節(jié)的方法，對各部件建立性能模型，實現(xiàn)冷卻塔供冷系統(tǒng)仿真；2）根據(jù)不同類型房間在冷卻塔供冷時的冷負荷，確定供冷最不利房間，以該房間末端需求供水溫度作為系統(tǒng)冷凍水供水溫度；3）確定逐時冷凍水供水溫度及冷卻塔最大可提供制冷量，進而確定冷卻塔供冷切換溫度；4）以能效最高為目標對滿足冷卻塔供冷條件的所有時刻工況進行設(shè)定值尋優(yōu)，對比常規(guī)機械制冷的能耗，獲得建筑全年節(jié)能潛力。

圖1 冷卻塔供冷節(jié)能潛力評估流程

2.1 確定供冷最不利房間

在冷卻塔供冷系統(tǒng)中，空調(diào)末端供水溫度相比夏季提高，在末端設(shè)備已經(jīng)選定的情況下，提高供水溫度會使末端供冷量減小，末端冷量需求越小，供水溫度可以提高得越多[16]。若存在一個房間，在末端設(shè)備風量和水流量達到最大時，滿足室內(nèi)負荷需求的供水溫度低于其他房間，則稱其為供冷最不利房間。末端設(shè)備是按照房間全年峰值冷負荷進行選型，因此冷卻塔供冷時的最不利房間是冷負荷占末端額定制冷量比例β最大的房間。

式中，qf為各房間冷卻塔供冷時的峰值冷負荷，kW；qb為各房間末端設(shè)備額定制冷量，kW；

風機盤管風量一定時，任一工況下的制冷量[17]：

式中，ts1和t′s1分別為額定工況和任一工況的進口濕球溫度，℃；tg1和t′g1分別為額定工況和任一工況的進水溫度，℃；W和W′分別為水流量，m3/h；系數(shù)p取值0.0167，n、m與風機盤管的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

當末端水流量不變時，W=W′，上式可簡化為：

通過式(15)求解最不利房間末端在不同冷負荷下的最高允許供水溫度，即此時系統(tǒng)所需的供水溫度。m可通過不同工況下產(chǎn)品性能參數(shù)擬合得到。

2.2 確定冷卻塔供冷臨界切換溫度

當室外濕球溫度低于切換溫度時，空調(diào)系統(tǒng)由機械制冷切換至冷卻塔供冷，冷卻塔供冷的可運行時間與切換溫度成正比。設(shè)定的切換溫度過低會導致冷卻塔節(jié)能潛力無法充分發(fā)揮，因此需要確定合理的切換溫度。對特定系統(tǒng)，給定濕球溫度、相對濕度及冷負荷，確定冷凍水供水溫度和冷卻塔的出水溫度設(shè)定值，計算冷卻塔在水流量達到上限時的總制冷量。若冷卻塔供冷最大制冷量與冷負荷相等，則達到臨界狀態(tài)，切換溫度等于濕球溫度；否則改變濕球溫度，重新計算供水溫度等參數(shù)，進行迭代，確定該工況的切換溫度。具體流程如圖2所示。

圖2 冷卻塔供冷切換溫度優(yōu)化流程

2.3 冷卻塔供冷運行優(yōu)化策略

式中，nt為冷卻塔運行臺數(shù)；Qt為單臺冷卻塔制冷量，kW；N為系統(tǒng)的總能耗，kW；EERs為系統(tǒng)的總能效比；Nfn為單臺風機變頻運行的能耗，kW；Npn為多臺水泵并聯(lián)變頻運行的能耗，kW。

在某一工況下，根據(jù)冷負荷、室外氣象參數(shù)、所需的供水溫度及一定的約束條件，使用模式搜索法求解冷卻水流量、冷卻塔風量、冷卻塔運行臺數(shù)等運行參數(shù)的最優(yōu)值，同時采用上述的運行策略，使冷卻塔供冷系統(tǒng)運行在能效最高的狀態(tài)。

3 案例分析

3.1 系統(tǒng)概況與模型驗證

某醫(yī)院位于南京，冷卻水系統(tǒng)由6臺冷卻水泵和22臺同規(guī)格開式機械通風冷卻塔組成。系統(tǒng)各設(shè)備配置及參數(shù)如表1。該醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)全年24 h運行，使用燃氣鍋爐為整座建筑供熱，使用冷水機組供冷。

表1 某醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備配置及設(shè)計參數(shù)

為驗證本文所建模型的準確性，進行了冷卻塔供冷系統(tǒng)變冷卻水總流量（310～570 m3/h）和變冷卻塔數(shù)量（8～12）的15組實驗，與同工況下的模擬結(jié)果進行對比，驗證模型的準確性。實驗時，冷卻水泵頻率分別設(shè)定為50、45、40、35和30 Hz，此時冷卻塔運行數(shù)量分別設(shè)定為8臺、10臺和12臺。實驗時的室外干球溫度為7 ℃，相對濕度為62%，冷凍水流量恒為440 m3/h。

圖3所示為二次側(cè)（板式換熱器冷凍水側(cè)）出水溫度的實驗值與模擬值比較，最大偏差在±0.2 ℃，相對偏差在±5%以內(nèi)。圖4所示為冷卻塔供冷系統(tǒng)EER實驗值與模擬值的比較，最大偏差在10%以內(nèi)，模型準確性得到驗證。

圖3 二次側(cè)出水溫度實驗值與模擬值比較

圖4 冷卻塔供冷系統(tǒng)EER實驗值與模擬值比較

采用Open Studio軟件對整座建筑進行負荷預(yù)測，采用南京地區(qū)典型年氣象數(shù)據(jù)，模擬時取建筑圍護結(jié)構(gòu)屋頂、外墻、內(nèi)墻、外窗的傳熱系數(shù)分別為0.45、0.70、2.01和2.44 W/(m2·K)。建筑主樓屋頂標高為58 m，地下二層底板標高為10.5 m，總建筑面積為225,191 m2。全年負荷預(yù)測結(jié)果見圖5。

圖5 某醫(yī)院全年冷負荷變化趨勢

3.2 最不利房間

南京地區(qū)夏季室外計算干球溫度35 ℃，相對濕度60%；冷卻塔供冷時室外計算干球溫度和相對濕度取秋冬過渡季[19]平均值，分別為15.6 ℃，75%，比較不同類型房間末端設(shè)備的額定制冷量與冷卻塔供冷時的峰值冷負荷，如圖6所示。

圖6 三種類型房間冷卻塔供冷時冷負荷與末端額定負荷比較

在末端選定的情況下，從夏季到過渡季，X光造影室制冷量減少比例最小，冷凍水供水溫度可提升空間最小，即在過渡季滿足室內(nèi)負荷需求的供水溫度低于其他房間，故將X光造影室作為供冷最不利房間，確定仿真中冷凍水供水溫度設(shè)定值。

3.3 臨界切換溫度

該醫(yī)院的X光造影室風機盤管型號為FP-102，面積為25 m2；層高為4.2 m；新風量為210 m3/h；風量為1 020 m3/h，水質(zhì)量流量980 kg/h?；仫L溫濕度設(shè)定為24 ℃，60%。室內(nèi)濕負荷為120 g/h，計算可得干球溫度為23.3 ℃，相對濕度為60%的新風即能完全承擔濕負荷，故冷卻塔供冷時末端可視為僅需承擔顯熱冷負荷。新風干球溫度降低，承擔的冷負荷增大，末端應(yīng)承擔的冷負荷減小。由式(15)求得滿足負荷需求的供水溫度，m=0.09。如圖7所示，干球溫度從17 ℃下降到1 ℃，風機盤管應(yīng)承擔的冷負荷降低了37.9%，冷凍水供水溫度增加了4.0 ℃。

圖7 風機盤管應(yīng)承擔的冷負荷與滿足負荷所需的冷凍水供水溫度隨室外條件的變化

根據(jù)圖2流程得到系統(tǒng)在不同負荷率和相對濕度下對應(yīng)的臨界切換濕球溫度如圖8所示。由圖8可知，相對濕度和切換溫度成正比，這是因為相同焓值的濕空氣，隨著相對濕度增大，對應(yīng)的干球溫度降低，系統(tǒng)需要的冷凍水供水溫度增大，冷卻塔換熱效率提高。濕球溫度提高，同一出水溫度下冷卻塔最大制冷量降低，因此負荷率越高，對應(yīng)的切換溫度越低。

圖8 優(yōu)化后不同負荷率時的臨界切換濕球溫度變化

圖9所示為南京地區(qū)全年濕球溫度與某醫(yī)院冷卻塔供冷切換溫度變化趨勢。由圖9可知，某醫(yī)院全年切換溫度的最小值和最大值分別為3.25 ℃和9.52 ℃，濕球溫度低于3.25 ℃的時刻共計1 639 h，均適用冷卻塔供冷；濕球溫度介于3.25 ℃和9.52 ℃的時刻共1 806 h，其中1 344 h適用冷卻塔供冷，濕球溫度高于9.52 ℃時均不適用冷卻塔供冷。冷卻塔全年可供冷時間共計2 983 h，占全年供冷時長比例為34.1%。

圖9 南京地區(qū)全年濕球溫度與某醫(yī)院冷卻塔供冷切換溫度變化趨勢

3.4 優(yōu)化結(jié)果及節(jié)能潛力

對系統(tǒng)進行仿真優(yōu)化，以總能效最高為目標尋優(yōu)的約束條件為：單臺冷卻塔風量V為58 500～117 000 m3/h，單臺冷卻塔水流量Q為20～200 m3/h，冷卻塔臺數(shù)n為1～22。得到最優(yōu)運行參數(shù)如表2、表3，室外條件設(shè)定為1月和3月的平均溫濕度，分別代表冬季與過渡季的典型氣象條件?？梢钥闯鲈谪摵膳c濕球溫度均較低時，風機低頻率運行并盡量多開冷卻塔時，冷卻塔效率較高，需要的水量較少；隨著負荷和溫度的升高，冷卻塔運行數(shù)量達到最大無法繼續(xù)增加，且此時冷卻塔效率較低，故需要的水量和風量都大幅增加。

表2 不同負荷下最優(yōu)運行參數(shù)（室外條件2.2 ℃，76%）

表3 不同負荷下最優(yōu)運行參數(shù)（室外條件8.8 ℃，69%）

該系統(tǒng)在采用常規(guī)控制方式[20]、冷卻塔額定流量、冷凍水7 ℃定水溫運行，全年使用冷水機組供冷時的總能耗為9.1×106kW·h，總能效比為4.15。采用冷卻塔供冷并優(yōu)化后，月累計節(jié)能量和供冷時長變化趨勢如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后月累計節(jié)能量和冷卻塔供冷時長

全年7個月中可以進行冷卻塔供冷，12月至次年1月冷卻塔供冷可用時間最長，節(jié)能效果最好。優(yōu)化后冷卻塔供冷時的總EER為16.0，系統(tǒng)采用冷卻塔供冷后全年總EER為4.37，相比全年冷水機組供冷提高5.3%。累計節(jié)能量為4.61×105kW·h，相比適用冷卻塔供冷的時刻，節(jié)能率為68.0%，相比全年能耗，節(jié)能率為5.1%。因此該系統(tǒng)采用冷卻塔供冷將有明顯的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

本文針對醫(yī)院建筑的能耗特點，提出了冷卻塔供冷系統(tǒng)的仿真模型構(gòu)建和系統(tǒng)節(jié)能潛力評估的一般性方法。研究了冷卻塔供冷切換溫度的優(yōu)化及達到總能效最優(yōu)的系統(tǒng)控制策略。使用實際案例對優(yōu)化結(jié)果進行了節(jié)能分析，結(jié)果表明：

1）考慮新風承擔最不利房間部分冷負荷，新風干球溫度從17 ℃下降到1 ℃，最不利房間末端的最高允許供水溫度增加了4.0 ℃；

2）系統(tǒng)負荷率越大，冷卻塔供冷所需的臨界切換溫度越低，室外濕球溫度大于9.52 ℃時，目標案例即不適用冷卻塔供冷；

3）優(yōu)化后冷卻塔供冷可運行2 983h，占全年供冷總時數(shù)的比例為34.1%；全年累計可節(jié)能量4.61×105kW·h，相比適用冷卻塔供冷的時刻節(jié)能率為68%，全年節(jié)能率為5.1%。