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)計有限公司貴州分公司，貴州 貴陽 550081; 3.貴州省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

隨著經(jīng)濟迅猛發(fā)展,建筑能耗、工業(yè)能耗以及交通能耗成為我國能源消耗的主要方面。我國人口基數(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，我國能源利用效率較低，僅為發(fā)達國家能源利用效率的0.64倍～0.8倍，較能源利用國際先進水平平均低10%左右[1,2]。隨著人類活動日益頻繁，對室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性要求越來越高。建筑能耗也迅猛增長，其中空調(diào)能耗占比約47%[3]。若能適時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)，對室內(nèi)換熱的管路進行冷卻處理，在溫度要求不高時，起到代替冷源作用。冷卻塔免費供冷，是指在過渡季，空調(diào)需求溫度不高和供電緊張時間段，暫代冷源，一定程度上緩解峰谷壓力，實現(xiàn)低品位熱量的最大利用。

2 貴陽某機場T2航站樓負(fù)荷模擬

貴陽某機場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能耗分析軟件進行全年空調(diào)能耗模擬分析。推斷出可以用冷卻塔“免費供冷”技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)冷源供冷的運行時間段。對過渡季利用冷卻塔免費供冷技術(shù)進行可行性分析。

2.1 模塊參數(shù)設(shè)置

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

表1 圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù) W/(m2·K)

表2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)表

2.2 負(fù)荷模擬分析

設(shè)置參數(shù)并對全年空調(diào)負(fù)荷進行模擬。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。此時外圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱特性，使得室外氣溫對內(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所及候機廳，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活動，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)活動剛剛開始，散熱量及散濕量相對較少。

根據(jù)機場運營模式及貴陽氣候條件，分析過渡季進行冷卻塔免費供冷技術(shù)可行性。4月～5月兩個月進行供冷，其他過渡季不需要供冷。鑒于機場運營時刻，一般在5:30 a.m進行供冷,圍護結(jié)構(gòu)蓄熱需要時間，故需提前至5:00開啟機組制冷。如圖2所示，4月～5月空調(diào)負(fù)荷波動較大，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%以下的小時數(shù)達到1 084 h,而負(fù)荷率75%以上的小時數(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，累積小時數(shù)上升趨勢逐漸變緩。在空調(diào)負(fù)荷時段較小時，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數(shù)

3.1 冷卻塔供冷切換溫度

冷卻塔運行切換溫度，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，同型號冷卻塔在相同室外氣象參數(shù)和進水溫度條件下，出水溫度隨流量減小而下降。當(dāng)室外濕球溫度為10 ℃時，冷卻塔按照額定流量運行時，出水溫度16.6 ℃；當(dāng)運行流量減至額定流量的50%時，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，不同流量下冷卻塔出水溫度隨室外濕球溫度變化趨勢。可見，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 ℃和運行流量為額定流量的50%時，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)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》統(tǒng)計貴陽4月和5月過渡季節(jié)濕球溫度變化趨勢與供冷時數(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 ℃，供冷小時數(shù)分別增加90 h，104 h，132 h和183 h,供冷時數(shù)增長率從6.15%增至12.5%。由此可知，提高切換運行濕球溫度，可以大幅度延長冷卻塔供冷小時數(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，延長供冷小時數(shù)，延緩制冷機組開啟，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗。研究分析認(rèn)為，當(dāng)室外濕球溫度14 ℃時，供冷時數(shù)增長率較高；冷卻塔額定流量運行的出口水溫17.5 ℃；當(dāng)運行流量為額定流量50%和40%時，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 ℃，使冷卻塔換熱量達到3 920 W,滿足4月、5月過渡季機場的供冷負(fù)荷需求。故本項目將切換溫度設(shè)定為14 ℃。

3.2 冷卻塔理論供冷時數(shù)

由圖6，圖7可知，當(dāng)冷卻塔切換運行的濕球溫度越低，理論供冷時數(shù)越少。在貴陽地區(qū)的冬季，當(dāng)冷卻塔切換運行濕球溫度為14 ℃時，約有90%以上的供冷小時數(shù)可以實現(xiàn)冷卻塔供冷技術(shù)應(yīng)用。冬季理論供冷時數(shù)達到了2 130 h，占冬季(1月～3月)供冷小時數(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數(shù)為49.2%。可見，貴陽冷卻塔“免費”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；啟用冷卻塔供冷時停開冷水機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)濟性分析表

5 結(jié)語

貴陽某機場T2航站樓通過DeST能耗模擬軟件動態(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 ℃，過渡季累計供冷小時數(shù)為640 h，占比達到43.72%；冬季累計供冷時數(shù)為2 130 h，占冬季(1月～3月)供冷小時數(shù)比例為98.61%。通過對貴陽某機場T2航站樓的節(jié)能改造分析，項目改造投資經(jīng)濟回收期為2.61年。分析認(rèn)為，在貴陽某機場T2航站樓應(yīng)用冷卻塔供冷技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對天然冷源的有效利用，在過渡季節(jié)和冬季可以實現(xiàn)節(jié)能運行，節(jié)能效益明顯。