中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 姜 紅

1 項(xiàng)目概況

煙臺(tái)市開發(fā)區(qū)某集團(tuán)辦公大樓總建筑面積約5.5萬(wàn)m2，建筑高度99 m。地下2層，1.5萬(wàn)m2，主要功能為汽車庫(kù)、設(shè)備機(jī)房；地上22層，4萬(wàn)m2，1～2層主要功能為辦公大堂、銀行、辦公室，3～22層為標(biāo)準(zhǔn)辦公層。夏季空調(diào)冷負(fù)荷為4 300 kW，空調(diào)冷源采用常規(guī)電制冷冷水機(jī)組，共設(shè)置2臺(tái)制冷量為1 759 kW(500 rt)的離心式冷水機(jī)組和1臺(tái)制冷量為879 kW(250 rt)的螺桿式冷水機(jī)組，冷水供/回水溫度為7 ℃/12 ℃，冷卻水供/回水溫度為32 ℃/37 ℃。每臺(tái)制冷機(jī)組對(duì)應(yīng)設(shè)置1臺(tái)冷卻塔，冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，通過(guò)冷卻水回水溫度控制風(fēng)機(jī)頻率。2臺(tái)離心機(jī)組的冷水、冷卻水循環(huán)泵均為兩用一備，螺桿機(jī)組的冷水、冷卻水循環(huán)泵為一用一備?？照{(diào)冷水系統(tǒng)為一級(jí)泵變頻系統(tǒng)，定壓方式為氣壓罐定壓?？照{(diào)末端為全空氣系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)?？照{(diào)機(jī)組和新風(fēng)機(jī)組空調(diào)水系統(tǒng)為冷熱共用兩管制系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)水系統(tǒng)為四管制系統(tǒng)?？照{(diào)加濕方式為濕膜加濕。其中辦公層存在較大的內(nèi)區(qū)，需要全年供冷。為了實(shí)現(xiàn)過(guò)渡季及冬季不開冷水機(jī)組，而充分利用冷卻塔的冷卻功能制冷，設(shè)置了冷卻塔供冷系統(tǒng)。冷源系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 冷源系統(tǒng)原理圖

2 冷卻塔供冷系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 冬季內(nèi)區(qū)空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算

冬季內(nèi)區(qū)供冷房間計(jì)算溫度宜高于外區(qū)房間的空調(diào)計(jì)算溫度，防止內(nèi)區(qū)過(guò)冷，出現(xiàn)內(nèi)外區(qū)冷熱抵消現(xiàn)象。該項(xiàng)目冬季外區(qū)溫度為20 ℃，內(nèi)區(qū)分別取20、22、25 ℃進(jìn)行分析比較。其他室內(nèi)參數(shù)詳見表1。

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

由于冬季房間濕度較低，露點(diǎn)溫度也較低，冷卻塔供冷水溫條件下，風(fēng)機(jī)盤管一般為干工況運(yùn)行。因此，冬季內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷可按顯熱負(fù)荷計(jì)算。且內(nèi)區(qū)和外區(qū)共用一套新風(fēng)系統(tǒng)，冬季新風(fēng)送風(fēng)溫度為外區(qū)室內(nèi)溫度(20 ℃)，因此新風(fēng)可負(fù)擔(dān)部分內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷。冬季內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷按式(1)[1]計(jì)算，即為風(fēng)機(jī)盤管承擔(dān)的冷負(fù)荷。

(1)

式中qf為冬季供冷房間內(nèi)單臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管承擔(dān)的冷負(fù)荷，W/臺(tái)；α為保證系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和房間的重要性，可取0.8～1.0；qn為冬季供冷房間顯熱冷負(fù)荷，W；qx為冬季新風(fēng)承擔(dān)的供冷房間的顯熱冷負(fù)荷，W；n為房間內(nèi)布置的風(fēng)機(jī)盤管數(shù)量，臺(tái)；Lx為房間新風(fēng)量，m3/h；tn為冬季內(nèi)區(qū)供冷房間室溫，℃；tx為冬季新風(fēng)送風(fēng)溫度，℃。

以標(biāo)準(zhǔn)層辦公室為例。取一跨，內(nèi)區(qū)寬10 m、進(jìn)深5 m，內(nèi)區(qū)房間負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見表2。系統(tǒng)所需供冷量計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 內(nèi)區(qū)房間逐項(xiàng)冷負(fù)荷 W

表3 內(nèi)區(qū)空調(diào)總冷負(fù)荷

2.2 空調(diào)冷水供回水溫度計(jì)算

風(fēng)機(jī)盤管應(yīng)按夏季工況選擇，即風(fēng)機(jī)盤管在夏季室內(nèi)溫濕度和供回水溫度工況下中擋風(fēng)量運(yùn)行時(shí)，應(yīng)能滿足室內(nèi)冷負(fù)荷要求。為了節(jié)約初投資，冬季冷卻塔供冷時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管的最大供冷能力可按風(fēng)機(jī)高擋運(yùn)行考慮。該項(xiàng)目風(fēng)機(jī)盤管選型需同時(shí)考慮房間換氣次數(shù)及氣流組織，選擇2排盤管的004號(hào)風(fēng)機(jī)盤管2臺(tái)。標(biāo)準(zhǔn)工況：高擋風(fēng)量680 m3/h，高擋風(fēng)量全熱供冷量3 440 W，顯熱供冷量2 550 W，高擋風(fēng)量熱量5 900 W；設(shè)計(jì)工況：中擋額定風(fēng)量479 m3/h，中擋風(fēng)量全熱供冷量2 520 W，顯熱供冷量1 850 W。

根據(jù)式(2)[1]計(jì)算風(fēng)機(jī)盤管滿足冷卻塔供冷工況時(shí)需承擔(dān)冷量的最高供回水溫度，如表4所示。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式(2)～(9)中tL1為供水溫度，℃；tL2為回水溫度，℃；Δtr為對(duì)數(shù)平均溫差，℃；qrd為單臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管標(biāo)準(zhǔn)供熱工況時(shí)的供熱量，W，根據(jù)樣本查得；cp1為水的比定壓熱容，取cp1=4.187 kJ/(kg·K)；ρ1為冷水密度，可近似取冷水和熱水的平均值992 kg/m3；G1為標(biāo)準(zhǔn)工況時(shí)單臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管水流量，L/s，根據(jù)樣本查得；cp2為空氣的比定壓熱容，取cp2=1.01 kJ/(kg·K)；ρ2為空氣密度，可近似取ρ2=1.2 kg/m3；G2為標(biāo)準(zhǔn)工況時(shí)單臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)量，m3/h，根據(jù)樣本查得；tR2為風(fēng)機(jī)盤管在標(biāo)準(zhǔn)供熱工況時(shí)回水溫度，℃；tn,r為風(fēng)機(jī)盤管在標(biāo)準(zhǔn)供熱工況時(shí)房間溫度，取21 ℃；tR1為風(fēng)機(jī)盤管在標(biāo)準(zhǔn)供熱工況時(shí)供水溫度，tR1=60 ℃；ts,r為風(fēng)機(jī)盤管在標(biāo)準(zhǔn)供熱工況時(shí)送風(fēng)溫度，℃。

由表4可知，隨著冬季內(nèi)區(qū)房間室溫的降低，最高供回水溫度降低，但供回水溫差增大。因?yàn)槭?2)為水流量與標(biāo)準(zhǔn)工況相同情況下的計(jì)算值，所以室溫降低，冷負(fù)荷增加，流量不變時(shí)，溫差增大。但增大供回水溫差，降低水流量，必然要降低最高供回水溫度。為此結(jié)合某品牌設(shè)備選型，匯總了不同供水溫度、供回水溫差下的高擋風(fēng)量顯熱冷量，見表5～7(1)麥克維爾產(chǎn)品選型報(bào)告，2020。

表4 最高供回水溫度

表5 25 ℃室溫高擋風(fēng)量顯熱冷量統(tǒng)計(jì) kW

由表5可見，室溫25 ℃時(shí)，保證風(fēng)機(jī)盤管1.1 kW的制冷能力，供回水溫差由1 ℃增加到5 ℃時(shí)，最高供水溫度由17 ℃降低到14 ℃。符合保證負(fù)荷不變，流量減小，平均溫度需升高的換熱原則。當(dāng)室溫降低時(shí)，負(fù)荷增加，風(fēng)機(jī)盤管的制冷能力要求增大，最高供水溫度也會(huì)相應(yīng)降低。

筆者利用表5～7的相關(guān)參數(shù)，對(duì)冬季冷水循環(huán)泵采用小制冷機(jī)的冷水循環(huán)泵和新增專用冷水循環(huán)泵2種情況，分別確定不同溫差的最高供回水溫度，見表8、9。

表6 22 ℃室溫高擋風(fēng)量顯熱冷量統(tǒng)計(jì) kW

表7 20 ℃室溫高擋風(fēng)量顯熱冷量統(tǒng)計(jì) kW

表8 小制冷機(jī)冷水循環(huán)泵

表9 專用空調(diào)冷水循環(huán)泵

2.3 負(fù)荷側(cè)系統(tǒng)和設(shè)備配置

采用小制冷機(jī)對(duì)應(yīng)的空調(diào)冷水循環(huán)泵作為冷卻塔供冷時(shí)的空調(diào)冷水循環(huán)泵。僅增加板式換熱器，一次投資較小。且原小型冷水泵為變頻運(yùn)行，冬季板式換熱器二次側(cè)水泵也變流量運(yùn)行。但水泵性能曲線和管網(wǎng)性能曲線調(diào)整后的工況點(diǎn)不一定滿足理想設(shè)計(jì)溫差或高效運(yùn)行。

采用專用空調(diào)冷水循環(huán)泵作為冷卻塔供冷時(shí)的空調(diào)冷水循環(huán)泵。該系統(tǒng)循環(huán)泵按冬季供冷工況的流量和管網(wǎng)阻力配置，且可變流量運(yùn)行。增加了水泵和變頻器的設(shè)備投資，降低了運(yùn)行費(fèi)用。

由此可見，采用哪種系統(tǒng)配置，需作經(jīng)濟(jì)分析后確定。另外由表8、9可知，25 ℃時(shí)最高供水溫度15 ℃左右，22 ℃時(shí)最高供水溫度11 ℃左右，20 ℃時(shí)最高供水溫度8 ℃左右。為了充分利用免費(fèi)冷源，且結(jié)合房間熱舒適度等級(jí)Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，該項(xiàng)目采用22 ℃作為設(shè)計(jì)參數(shù)，冬季內(nèi)區(qū)空調(diào)總冷負(fù)荷439 kW。

3 冷卻塔供冷系統(tǒng)冷源側(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 冷源側(cè)流量、水溫、室外濕球溫度的確定

采用小制冷機(jī)對(duì)應(yīng)的空調(diào)冷卻水循環(huán)泵，冷卻水供回水溫差見表10。為防止流量過(guò)大，水泵消耗電能過(guò)多，溫差不宜小于2 ℃。

表10 小制冷機(jī)冷卻水循環(huán)泵

采用專用空調(diào)冷卻水循環(huán)泵時(shí)，冷卻水供回水溫差、流量比見表11。其中溫差5 ℃時(shí)的流量比小于50%，冬季冷卻塔有凍結(jié)的危險(xiǎn)，不采用。

表11 專用空調(diào)冷卻水循環(huán)泵

冷卻塔一次冷源水供水溫度應(yīng)按式(10)[1]確定：

(10)

式中tCL為冷源水最高供水溫度，即冷卻塔出水溫度，℃，不應(yīng)低于5 ℃；ΔtX為換熱器溫差較小端一、二次介質(zhì)溫差，℃，宜取1～2 ℃；Δtc為冷源水供回水溫差，℃；tL2max為空調(diào)冷水最高回水溫度，℃；tL1max為空調(diào)冷水最高供水溫度，℃。

通過(guò)冷卻塔的供冷能力特性曲線(見圖2～4[1])，確定所要求的室外濕球溫度tw。由圖2～4可知，提供相同冷源水供水溫度，流量比越小，室外濕球溫度越高；冷源水供回水溫差越小，室外濕球溫度越高。所以增加冷卻塔的運(yùn)行天數(shù)有可能會(huì)增加冷卻水泵的運(yùn)行能耗，設(shè)計(jì)需綜合考慮。

圖2 流量比100%時(shí)冷卻塔的供冷能力特性曲線

結(jié)合表8～11，根據(jù)不同供回水溫差下是否增設(shè)循環(huán)泵等，確定方案1～7(見表12)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。

表12 方案設(shè)置

3.2 冷卻塔運(yùn)行時(shí)間計(jì)算

根據(jù)最高低溫冷卻水溫度要求的室外濕球溫度tw，以及煙臺(tái)地區(qū)逐時(shí)室外濕球溫度的氣象參數(shù)，計(jì)算冷卻塔供冷運(yùn)行時(shí)間。煙臺(tái)地區(qū)冬季的逐時(shí)室外濕球溫度參考成山頭地區(qū)，數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[2]，不同逐時(shí)室外濕球溫度的小時(shí)數(shù)見表13。統(tǒng)計(jì)時(shí)間為煙臺(tái)地區(qū)現(xiàn)行法定供暖期：11月15日至次年3月15日，統(tǒng)計(jì)時(shí)刻為辦公建筑運(yùn)行時(shí)間08:00—18:00。

圖3 流量比70%時(shí)冷卻塔的供冷能力特性曲線

圖4 流量比50%時(shí)冷卻塔的供冷能力特性曲線

表13 煙臺(tái)地區(qū)供暖期室外濕球溫度的小時(shí)數(shù)

由表14可知，方案5的室外濕球溫度最高，供暖期冷卻塔供冷小時(shí)數(shù)最大，其次為方案1。

表14 冷卻塔運(yùn)行時(shí)間

4 節(jié)能計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性比較

4.1 冷卻塔供冷系統(tǒng)節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用

冷卻塔供冷系統(tǒng)減少的電耗主要為電制冷機(jī)組耗電量EL[1]：

(11)

式中γ為負(fù)荷小時(shí)平均系數(shù)，辦公類建筑γ=0.6；λ為考慮冷水機(jī)組冬季供冷工況冷卻水溫偏低等因素的修正系數(shù)，取λ=0.9；Q為額定冷量，kW；h為冷卻塔供冷時(shí)間，h；IPLV為綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)，IPLV=5.5。

水泵能耗Es：

Es=γNh

(12)

式中N為水泵額定耗功率，kW。

全年減少能耗ΔE：

ΔE=EL+Eb1-Eb2+EB1-EB2

(13)

式中Eb1為冬季制冷機(jī)制冷時(shí)開啟的冷卻水泵的能耗，kW·h；Eb2為冷卻塔供冷時(shí)冷源水泵能耗，kW·h；EB1為冬季制冷機(jī)制冷時(shí)開啟的冷水泵能耗，kW·h；EB2為冷卻塔供冷時(shí)冷水泵能耗，kW·h。

全年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用ΔS1[1]：

(14)

式中D為單一制電價(jià)，取0.752 5元/(kW·h)(引自山東省物價(jià)局文件魯價(jià)格一發(fā)[2018]39號(hào)文)。

表15 各方案全年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用

4.2 冷卻塔供冷系統(tǒng)增加的初投資ΔS2

冷卻塔間接供冷系統(tǒng)，需增設(shè)板式換熱器、冷卻塔供回水溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)、冷卻塔供回水壓差電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。冷源側(cè)采用小制冷機(jī)冷卻水循環(huán)泵作為冬季冷卻水泵時(shí)，需增設(shè)變頻器、電動(dòng)開關(guān)切換閥；冷源側(cè)采用專用空調(diào)冷卻水循環(huán)泵時(shí)，需增加水泵，定流量運(yùn)行。負(fù)荷側(cè)采用小制冷機(jī)冷水循環(huán)泵作為冬季冷水泵時(shí)，增設(shè)電動(dòng)開關(guān)切換閥；采用專用空調(diào)冷水循環(huán)泵時(shí)，需增加水泵、變頻器。各方案增加初投資費(fèi)用如表16所示。

表16 各方案增加初投資費(fèi)用

續(xù)表

4.3 初投資回收期Y[1]

(15)

各方案初投資回收期如表17所示。

表17 各方案初投資回收期

由表17可知，各方案初投資回收期差別不大。選用全年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用最多、冷卻塔運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的方案5作為設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié)論

1) 冬季內(nèi)區(qū)供冷房間設(shè)計(jì)溫度宜高于外區(qū)房間的空調(diào)設(shè)計(jì)溫度，防止內(nèi)區(qū)過(guò)冷，出現(xiàn)內(nèi)外區(qū)冷熱抵消現(xiàn)象。

2) 冬季房間相對(duì)濕度較低，露點(diǎn)溫度也較低，冷卻塔供冷水溫條件下，風(fēng)機(jī)盤管一般為干工況運(yùn)行。冬季內(nèi)區(qū)負(fù)荷可按顯熱負(fù)荷計(jì)算，不應(yīng)采用夏季工況負(fù)荷值。

3) 風(fēng)機(jī)盤管計(jì)算式為定水流量下的計(jì)算值，變流量建議結(jié)合廠家選型設(shè)計(jì)。

4) 冷卻塔供冷系統(tǒng)提供相同冷源水供水溫度時(shí)，流量比越小，室外濕球溫度越高；冷源水供回水溫差越小，室外濕球溫度越高。該項(xiàng)目冬季冷負(fù)荷為439 kW，為夏季設(shè)計(jì)負(fù)荷4 300 kW的10%，因此冷卻水溫差2 ℃時(shí)，流量比為100%，冷卻塔出力受限。

5) 該項(xiàng)目板式換熱器溫差選擇1 ℃的造價(jià)是2 ℃的1.8倍，且回收期為3.6 a，冷卻塔運(yùn)行時(shí)間每年增加61 d，全壽命周期可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用4萬(wàn)元，故選取1 ℃溫差。