中央空調(diào)水系統(tǒng)中板式換熱器免費(fèi)制冷系統(tǒng)的取舍

陳 昉

（深圳萬物商企物業(yè)服務(wù)有限公司北京分公司 北京 100107）

前言

隨著節(jié)能的需求不斷提高，中央空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能方法越來越多地應(yīng)用。采用冷卻塔板式換熱器供冷（后續(xù)稱為免費(fèi)制冷）這種方式的項(xiàng)目越來越多。但對于免費(fèi)制冷這種方式，在特定的使用情況下可以達(dá)到良好的使用效果，對于不同的建筑、不同的使用要求以及不同的地理位置，需要根據(jù)使用條件和使用時(shí)間進(jìn)行詳細(xì)的分析。在很多情況下，特別對于寫字樓、商場等并不適用這種方式。

1 冷卻塔供冷的免費(fèi)制冷方式

冷卻塔供冷通常有兩種方式，分為直接供冷與間接供冷。直接供冷方式采用冷卻塔冷水直接供應(yīng)到用冷側(cè)，由于大部分項(xiàng)目采用的冷卻塔是開式冷卻塔，冷水中污垢、雜質(zhì)比較多，容易對用冷側(cè)末端產(chǎn)生污染，所以較少采用，通常采用的方式是間接制冷方式（參見圖1），也是本文主要討論的供冷方式，也稱為免費(fèi)制冷。

圖1 冷卻塔供冷原理圖

冷卻塔間接式供冷方式，即在常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)中增設(shè)板式換熱器，利用板式換熱器冷卻水和冷凍水進(jìn)行熱交換，在過渡季室外空氣溫度比較低的情況下采用冷卻塔散熱，生產(chǎn)出水溫較低的冷卻水，通過板式換熱器給冷凍水降溫，達(dá)到供冷的目的。從圖1可以看出，板式換熱器的位置類似于系統(tǒng)的第三臺(tái)冷水機(jī)組，在特定條件下使用可以替代制冷機(jī)組，但是這種方式的制約條件比較多，從而限制了它在某些情況下的使用。

通過以上描述的情況，可以看出免費(fèi)制冷的換熱過程，存在以下溫度情況：

即：室外空氣作為冷源，溫度有以下梯度：

冷凍水出水溫度（1）＞冷卻水下塔溫度（2）＞室外濕球溫度（3）

通常情況下，由于板式換熱器設(shè)備參數(shù)及冷卻塔設(shè)備的不同、負(fù)荷的不同，其中1,2間的溫差不同，基本在1～3 ℃之間，其中2，3間的溫差基本在3～6 ℃之間。舉例說明，如按照1，2之間的溫差為2 ℃，2，3之間的溫差為5 ℃，如冷凍水出水溫度需要達(dá)到10 ℃時(shí)，則需要室外濕球溫度在5 ℃以下，可以估算當(dāng)時(shí)室外干球溫度約在11 ℃左右（例如：北京11月中旬時(shí)，濕球溫度5 ℃，相對濕度40%的情況下，干球溫度為10.55 ℃）。

另外，對于免費(fèi)制冷選型的幾點(diǎn)說明：冷卻塔在冬季制冷時(shí)，由于水分子蒸發(fā)活動(dòng)降低，冷卻塔制冷量相對于夏季的情況有很大的衰減，需要有較好的選型軟件進(jìn)行選型；冷卻塔和板式換熱器的設(shè)備具體參數(shù)（如制冷量、板式換熱器兩側(cè)的冷凍水/冷卻水進(jìn)出水溫度）應(yīng)以具體的實(shí)際要求選型決定。

2 免費(fèi)制冷的需求和供應(yīng)時(shí)間

在很多情況下，特別是舒適性空調(diào)，冷卻塔供冷是作為常規(guī)制冷系統(tǒng)的補(bǔ)充和節(jié)能手段。通常在室外溫度降低到一定程度，冷凍水水溫能夠滿足制冷需求的情況下，開始逐步代替常規(guī)制冷進(jìn)行制冷。

根據(jù)上文的計(jì)算，如果需要提供10 ℃的冷凍水的話（本文只做定性的闡述，暫不涉及具體設(shè)備容量問題），以北京為例，室外溫度基本上要在12 ℃以下。對于舒適性空調(diào)系統(tǒng)來說，通常水溫達(dá)到12～13 ℃以上，末端設(shè)備的制冷效果就會(huì)大打折扣，基本上不能夠滿足舒適性的需求。對于空氣處理末端設(shè)備，通常的設(shè)計(jì)參數(shù)為冷凍水進(jìn)水7 ℃，出水12 ℃，送風(fēng)溫度為16～18 ℃，或者更低。而此時(shí)的室外溫度（按照上述情況類推）在15 ℃左右，室外空氣完全可以作為冷源，使用新風(fēng)直接供冷將是更好的選擇，而且近幾年的很多新建大廈，特別是使用VAV系統(tǒng)的大廈，均在設(shè)計(jì)方案書已經(jīng)擴(kuò)大了新風(fēng)量，以便于使用新風(fēng)供冷。而在此溫度之上（對于北京室外溫度在15 ℃以上），冷卻塔供冷無法達(dá)到供冷水溫度需求。

由此可見，對于免費(fèi)制冷，在室外溫度低于一定溫度下的過渡季（指春秋季）和冬季可以使用，冬季是最佳季節(jié)。其中冷水的需求溫度是關(guān)鍵因素，直接影響免費(fèi)這冷的使用時(shí)間長短，冷水溫度需要越低，使用時(shí)間越短。另外，如果設(shè)備選型也有一定影響，如果設(shè)備容量大，換熱溫差小也會(huì)對使用有利，可以增加使用時(shí)間。

3 免費(fèi)制冷的使用場合

3.1 免費(fèi)制冷使用在工業(yè)用途及數(shù)據(jù)中心

免費(fèi)制冷作為工業(yè)中工藝?yán)鋮s水的冷源，在冬季使用無疑是最好的選擇，冬季采用冷卻塔供冷可以完全或部分取代冷水機(jī)組，減少電制冷開機(jī)，可以大幅降低系統(tǒng)的能耗。這種應(yīng)用已經(jīng)廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用當(dāng)中。

但對于過渡季供冷，在使用時(shí)則需要充分考慮冷量的需求及冷水溫度的要求，而且，對于常年不間斷供冷的恒溫工藝制冷需求，冷卻塔供冷和電制冷之間的切換非常重要，由于兩種制冷所需的冷卻水溫度不同，而且溫度差別較大，切換需要有良好的設(shè)備和控制系統(tǒng)準(zhǔn)備，避免由于切換不當(dāng)造成系統(tǒng)的供冷中斷。如：免費(fèi)制冷和常規(guī)制冷有兩套管路和冷卻塔系統(tǒng)，則可以在兩種工況下運(yùn)行，即免費(fèi)制冷系統(tǒng)冷卻水為10 ℃左右，而常規(guī)制冷的冷卻水系統(tǒng)在30 ℃左右。而且良好的自動(dòng)控制設(shè)備也是成功的關(guān)鍵。

3.2 免費(fèi)制冷使用有四管制的高檔酒店空調(diào)系統(tǒng)

為了提供更好更舒適的空調(diào)環(huán)境，很多高檔酒店的中央空調(diào)水系統(tǒng)采用四管制系統(tǒng)；客房采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，大堂和功能廳等采用全空氣系統(tǒng)，一年四季同時(shí)供應(yīng)冷熱水。對于酒店內(nèi)區(qū)的餐飲、多功能廳等，室內(nèi)空間較大，冬季較熱，四管制系統(tǒng)的冷熱水可以很好達(dá)到舒適系統(tǒng)要求，同時(shí)也需要免費(fèi)制冷系統(tǒng)進(jìn)行冬季制冷。

但酒店的冬季和過渡季對冷水的需求量并不大，以北京某五星級(jí)酒店（該酒店已運(yùn)行20余年）為例，通常使用時(shí)間為每年11月～3月（氣溫在10 ℃以下），由于冬季沒有除濕需求，使用時(shí)對于冷水溫度的要求也并不高，通常在12 ℃左右，有時(shí)達(dá)到13～14 ℃。由于新風(fēng)管路較小，不能采用新風(fēng)供冷，全空氣系統(tǒng)也可以使用免費(fèi)制冷冷源。

對于該酒店，部分區(qū)域特別是內(nèi)區(qū)和部分客房，新風(fēng)量不足以提供制冷需求，冬季采用冷卻塔供冷是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。當(dāng)如果新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)管路足夠，全空氣系統(tǒng)完全可以采用新風(fēng)作為冷源，免費(fèi)制冷值作為客房風(fēng)機(jī)盤管的冷源使用。不過這種應(yīng)用也存在過渡季問題，即在過度季時(shí)，室外溫度提高，無法采用免費(fèi)制冷。因此，綜合冬季制冷的用冷時(shí)間，如果需求量時(shí)間較少，也可以不使用。

3.3 免費(fèi)制冷使用在辦公樓的舒適性空調(diào)系統(tǒng)

在辦公樓的中央空調(diào)冷水系統(tǒng)中，對于冬季制冷、過渡季供冷的需求還是有一些的。在冬季和春秋季，由于南北向日照的不同，夕曬問題，同一層辦公樓內(nèi)溫度差異會(huì)非常大，有時(shí)候北區(qū)需要供暖，而西南角又非常熱。

但是，辦公樓使用的空調(diào)系統(tǒng)也對冷卻塔供冷有一些限制。辦公樓的單層面積通常在1 500～2 000 m2左右，內(nèi)區(qū)、外區(qū)的區(qū)分并不明顯；但在有些樓宇由于單層面積較大，進(jìn)深較大時(shí)，有時(shí)會(huì)在冬季對內(nèi)區(qū)進(jìn)行供冷，外區(qū)供暖。這種情況并不多見，這樣的設(shè)計(jì)需要有內(nèi)外區(qū)不同的管路設(shè)計(jì)，采用四管制水系統(tǒng)，據(jù)筆者走訪項(xiàng)目情況。在實(shí)際操作中，在冬季，內(nèi)區(qū)過熱的情況較少，供冷的需求并不明顯，因此一般的項(xiàng)目均沒有冬季供冷；而在過渡季，即在大廈停止供暖后，由于室外溫度上升，陽光的照射，辦公樓宇開窗較少，特別在午間，制冷有一定的需求。但開啟制冷機(jī)組，開啟時(shí)間又短，冷負(fù)荷較低，特別對于螺桿式冷水機(jī)組，冷卻水溫較低會(huì)造成機(jī)組故障，免費(fèi)制冷被提上日程，很多項(xiàng)目均有這種設(shè)計(jì)，但實(shí)際運(yùn)行情況，需要我們仔細(xì)研究。

3.3.1 采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的辦公樓

對于辦公樓，風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，是一種非常常見的中央空調(diào)系統(tǒng)。采用這種方式的項(xiàng)目，大多數(shù)水系統(tǒng)使用的是兩管制設(shè)備。在冬季只能供暖；在過渡季，通常會(huì)有冷熱不均（南側(cè)和北側(cè)），很難滿足同時(shí)冷熱需求，無法采用免費(fèi)制冷的方式供冷。

采用四管制風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的大廈非常少，不過根據(jù)上述分析（特別對于北京），冬季供冷可以利用免費(fèi)制冷供冷，但對于過渡季，室外溫度高的情況下，免費(fèi)制冷也達(dá)不到制冷需求，過渡季使用時(shí)間非常有限。不過，使用四管制風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)可以同時(shí)滿足冷熱需求，可以提高舒適度，同時(shí)使用免費(fèi)制冷可以有效降低供冷的能耗。

通過上述分析，如果僅在過渡季有制冷需求的情況，由于供水溫度的限制，建議不配置免費(fèi)供冷設(shè)備，如果有冬季供冷的需求可以配置，特別是對于四管制系統(tǒng)。

3.3.2 采用VAV系統(tǒng)的辦公樓

VAV系統(tǒng)是一個(gè)全空氣系統(tǒng)，其特點(diǎn)是能夠很好地利用新風(fēng)。在冬季和過渡季時(shí)，利用新風(fēng)供冷是一個(gè)較為簡潔，而且更為節(jié)能的方式。而且對于現(xiàn)在的大部分建筑，設(shè)計(jì)新風(fēng)量較大，在管路、控制等方面都有較高的配置，可以達(dá)到良好的送風(fēng)效果。而且，利用新風(fēng)簡潔高效，比通過免費(fèi)制冷模式增加了多次換熱，而且還有水泵功率的消耗要節(jié)能的多。

VAV系統(tǒng)在過渡季通常也存在上述的水溫達(dá)不到要求的問題，過渡季時(shí)供冷，配置一臺(tái)小型的制冷機(jī)組是一種比較可行的方式，而在室外溫度較低時(shí)，可以充分利用新風(fēng)，對于VAV空調(diào)系統(tǒng)建議不配置免費(fèi)制冷系統(tǒng)。

此類建筑建議不配置冷卻塔供冷設(shè)備。

在VAV系統(tǒng)中，同樣不建議使用四管制系統(tǒng)。對于樓層VAV的空氣處理機(jī)組，通常情況下都是送風(fēng)溫度比較低，而在外區(qū)的VAV增加加熱盤管，冬季加熱（可以獨(dú)立調(diào)節(jié)），因此送風(fēng)的溫度是一致的，外區(qū)根據(jù)溫度調(diào)節(jié)。整個(gè)大廈系統(tǒng)基本是一致的，不會(huì)根據(jù)情況調(diào)節(jié)使用冷水、或熱水盤管，因此四管制也就失去了意義。

3.4 免費(fèi)制冷使用在購物中心的舒適性空調(diào)系統(tǒng)

購物中心通常體量較大，而且單層面積大，上面樓層的中間區(qū)域在冬夏都會(huì)比較熱。而且由于現(xiàn)在購物中心通常在高樓層設(shè)置餐廳較多，餐廳的排煙風(fēng)量很大，造成此區(qū)域通常為負(fù)壓，空氣流動(dòng)較快，實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中并沒有特別熱，而且筆者實(shí)際勘查的一個(gè)項(xiàng)目，在冬季和過渡季時(shí)，高樓層供暖量很少（采用空氣處理機(jī)組供暖，基本不供暖），此區(qū)域溫度尚可。

購物中心中采用設(shè)計(jì)方式較多的是：商鋪區(qū)域采用風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組或吊頂式空調(diào)機(jī)組（類似于大型得風(fēng)機(jī)盤管），公共區(qū)域采用集中式全空氣空調(diào)機(jī)組。對于內(nèi)區(qū)和小商鋪，冬季和是有一定的的供冷需求的，實(shí)際上可以采用四管制系統(tǒng)+免費(fèi)制冷來實(shí)現(xiàn)；過渡季制冷也會(huì)遇到上述的水溫達(dá)不到要求的問題，可以開啟制冷機(jī)組來實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，有購物中心中設(shè)計(jì)了四管制系統(tǒng)和免費(fèi)制冷，卻并沒有使用。其原因在于，現(xiàn)在大部分購物中心的中庭都是挑空的，煙囪效應(yīng)明顯，而且餐飲較多，造成排風(fēng)較多，從大門等的滲入未處理新風(fēng)較多，已經(jīng)降低了內(nèi)區(qū)的溫度，已經(jīng)基本能夠滿足要求，不過一層的門口較冷，通常很難處理。

因此，此類建筑建議可以配置免費(fèi)制冷設(shè)備。

4 免費(fèi)制冷的實(shí)際應(yīng)用

筆者對免費(fèi)制冷有一些實(shí)際的案例應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，也到訪過多個(gè)項(xiàng)目，并實(shí)地考察過一些項(xiàng)目的使用情況。在近些年的項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)之初普遍會(huì)采用免費(fèi)制冷的設(shè)計(jì)，已經(jīng)成了一種節(jié)能方式的應(yīng)用。但就很多項(xiàng)目的實(shí)際觀察，雖然有免費(fèi)制冷的設(shè)備及管路，但實(shí)際應(yīng)用情況參差不齊，現(xiàn)就幾種案例闡述如下。

案例一：北京某五星級(jí)酒店

該酒店空調(diào)系統(tǒng)為中央空調(diào)冷熱水四管制系統(tǒng)，客房為風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，大堂及多功能廳等為四管制全空氣系統(tǒng)。為了達(dá)到舒適度，一年四季提供冷熱水供應(yīng)，原設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)冬季和過渡季制冷采用離心式冷水機(jī)組供冷，于2003年增加免費(fèi)制冷供冷設(shè)備，之后冬季、過渡季一直采用板換冷卻塔供冷。冬季供冷使用情況時(shí)較好，供冷水溫一般在10～12 ℃左右，但在過渡季水溫較高，一般可以使用到3月初。

但該項(xiàng)目分析的幾個(gè)問題：

1）經(jīng)濟(jì)性：冬季時(shí)冷負(fù)荷較低，如采用離心式冷水機(jī)組制冷時(shí)，機(jī)組負(fù)荷在50 %以下，高峰時(shí)機(jī)組用電量在150 kW左右，冷卻塔基本可以不開；在使免費(fèi)制冷時(shí)，冷卻塔風(fēng)機(jī)開啟量較大，通常有30 kW左右，由于酒店是24 h開啟，經(jīng)濟(jì)性較好。

2）水溫控制：采用離心機(jī)組水溫易于控制。

3）結(jié)冰問題：這個(gè)問題造成了很大的困擾，采用離心制冷時(shí)，冷卻水的溫度較高（通?？刂圃?8 ℃左右），結(jié)冰量較少；采用免費(fèi)制冷方式供冷時(shí)，結(jié)冰量較大，因此采用了很多手段，需要定期檢查和除冰，值班人員的工作量較大。

案例二：某化學(xué)工廠

該工廠由于工藝?yán)鋮s水要求，需要一年四季供冷，但冬季和過渡季制冷需求較??；之前常年采用螺桿式冷水機(jī)組供冷，后改造增加板式換熱器及控制系統(tǒng)，冬季采用免費(fèi)制冷供冷。每年冷水機(jī)組減少了4～5個(gè)月的運(yùn)行，供冷使用情況較好，經(jīng)濟(jì)性較好，而且減小了冷水機(jī)組損耗，免費(fèi)制冷也較冷機(jī)易于控制。

這個(gè)案例的使用方式免費(fèi)制冷最佳的使用方式。

案例三：多個(gè)考察案例

筆者考察過多個(gè)寫字樓及購物中心項(xiàng)目，大部分的板換制冷裝置從未使用過。

如：北京某高檔寫字樓，采用VAV全空氣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)有免費(fèi)制冷板式換熱器系統(tǒng)，在多年使用中從未開啟。與近幾年拆除了該設(shè)備，增加了一臺(tái)小型制冷機(jī)組作為過渡季制冷使用。另有多個(gè)寫字樓案例，免費(fèi)制冷設(shè)備均未使用過。

購物中心項(xiàng)目案例，采用四管制空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用免費(fèi)制冷系統(tǒng)，但該設(shè)備使用很少，只在春季使用2周左右。

數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較為廣泛，也較為成功，本文不在闡述。

5 免費(fèi)制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

免費(fèi)制冷系統(tǒng)包括：板式換熱器機(jī)組、管路閥門、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門、防凍保護(hù)（主要是室外冷卻水管路及冷卻塔）及控制系統(tǒng)等，管路系統(tǒng)較為簡單。設(shè)備的大小取決于系統(tǒng)制冷量的需求，一般情況下，除了數(shù)據(jù)中心和工藝空調(diào)的負(fù)荷較為恒定外，其他應(yīng)用方式，對于免費(fèi)制冷的冷量需求較小。整體加裝費(fèi)用對于整個(gè)冷水機(jī)房系統(tǒng)來說，比例較低。但是如果將此部分應(yīng)用使用效果不佳，這部分的費(fèi)用完全可以作為制冷機(jī)房系統(tǒng)的整體控制或者控制系統(tǒng)的提升使用，一個(gè)優(yōu)秀的控制系統(tǒng)對于日后操控、對于系統(tǒng)節(jié)能將起到至關(guān)重要的作用。

圖2 冷卻塔供冷設(shè)備現(xiàn)場圖片

免費(fèi)制冷系統(tǒng)也需要占用一定的機(jī)房面積，對于現(xiàn)在設(shè)備機(jī)房緊張，資金緊張的情況，需要認(rèn)真對待，避免造成不必要的浪費(fèi)。

6 結(jié)束語

總而言之，采用板式換熱器的冷凍水、冷卻水直接換熱的免費(fèi)制冷是一種很好的制冷節(jié)能方式，在適合的建筑舒適性要求和工藝要求情況下，是一種不錯(cuò)的選擇。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初和應(yīng)用當(dāng)中，需要對實(shí)際應(yīng)用場合、使用時(shí)間、負(fù)荷量進(jìn)行詳細(xì)分析，來決定是否需要該系統(tǒng)。本文中提到的很多情況并不適用這種方式。