某酒店冷卻塔供冷系統(tǒng)的應(yīng)用

文/張守峰 元石機(jī)電設(shè)計(jì)（上海）有限公司 上海 201103

冷卻塔供冷系統(tǒng)目前已經(jīng)是很成熟的一種節(jié)能措施，在許多實(shí)際工程項(xiàng)目中都已得到運(yùn)用，并取得了可觀的節(jié)能效果，本文僅就某酒店中所運(yùn)用的冷卻塔供冷系統(tǒng)做出簡明闡述，對于冷卻塔供冷系統(tǒng)在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中所遇到的一些問題進(jìn)行一些初步探討。

1、冷卻塔供冷原理

圖1是一個采用電動壓縮式冷水機(jī)組的空調(diào)水系統(tǒng)，如果建筑（如大型電子計(jì)算機(jī)房，電子廠房，有大面積內(nèi)區(qū)的商業(yè)、辦公、酒店等）在冬季均有穩(wěn)定的內(nèi)部發(fā)熱量，需要供冷，這時只要室外氣溫足夠低（室外空氣濕球溫度也較低），系統(tǒng)配置的冷卻塔便可以提供溫度足夠低的冷水，直接作為冷源來消除余熱量，圖1所示系統(tǒng)通過關(guān)閉制冷機(jī)，切換至板式換熱器的方法，可以實(shí)現(xiàn)冷卻塔供冷，由于冷水機(jī)組的耗電量在空調(diào)系統(tǒng)中占有極高的比例，利用冷卻塔供冷節(jié)省了大量的電費(fèi)，所以常常被稱為“免費(fèi)供冷”（"free cooling"）。

2、工程概況

2.1 建筑概況

本項(xiàng)目為高層建筑，地下二層，地上八層（局部七層）。地下室部分為停車庫，設(shè)備用房，酒店及物業(yè)后勤用房，游泳池，全日餐廳，會議中心等，裙房中的主要業(yè)態(tài)為中餐廳，宴會廳，大堂，大堂吧，一層局部為客房，二層及以上層為客房層，二層局部區(qū)域?yàn)榫频贽k公。酒店效果圖如下：

圖2 酒店效果圖

2.2 空調(diào)系統(tǒng)概況

本項(xiàng)目采用一套冷、熱源系統(tǒng)。空調(diào)冷源采用水冷離心式電制冷機(jī)（一臺變頻），水冷螺桿式電制冷機(jī)以及冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)的組合，空調(diào)及生活熱水熱源采用燃?xì)猓ㄓ停崴仩t。設(shè)置2臺水冷離心式電制冷機(jī)和1臺水冷螺桿式電制冷機(jī)作為空調(diào)系統(tǒng)冷源。單臺離心式制冷機(jī)的制冷量為2461kW，單臺螺桿式制冷機(jī)的制冷量為988 kW。設(shè)置兩臺600M3/H，一臺250M3/H冷卻塔。水泵均采用變頻調(diào)節(jié)，并與冷機(jī)一一對應(yīng)。制冷機(jī)制備的空調(diào)冷水供回水溫度為7/12℃，離心式制冷機(jī)采用熱回收機(jī)型，用于地下一層水泵房生活熱水預(yù)熱。設(shè)置兩臺1.5噸蒸汽鍋爐（一用一備），供洗衣機(jī)房蒸汽用量。應(yīng)酒店管理公司的要求，根據(jù)他們的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置了988kW的冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)。當(dāng)室外氣象條件合適時，可利用冷卻水經(jīng)板式換熱器換熱后制備空調(diào)冷水供空調(diào)末端使用。

3、冷卻塔供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 冷卻塔供冷供、回水溫度的確定

本項(xiàng)目餐廳，宴會廳，大堂吧等大空間區(qū)域采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，過渡季及冬季需要制冷時優(yōu)先考慮采用室外空氣免費(fèi)制冷，所以免費(fèi)制冷在內(nèi)區(qū)辦公，餐飲包間；客房區(qū)域，表1是根據(jù)文獻(xiàn)[1]（室內(nèi)外溫差10℃）結(jié)合本項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)對辦公室、會議室、餐飲小包間等功能內(nèi)區(qū)及客房所產(chǎn)生的冷負(fù)荷、要求的新風(fēng)量、新風(fēng)供冷能力進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。

表格中增加客房的計(jì)算結(jié)果，主要考慮本項(xiàng)目為玻璃幕墻，在過渡季及冬季仍有部分客房需要制冷，且本項(xiàng)目設(shè)計(jì)為四管制，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)客房客人不同需求的供冷供熱需求，所以客房的冬季的負(fù)荷也應(yīng)在考慮范圍內(nèi)。

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由表1可見，本項(xiàng)目考慮新風(fēng)的供冷能力后，內(nèi)區(qū)冷卻盤管供冷量只需為其夏季工況的68%左右就可滿足要求。另外，冬季內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷以顯熱負(fù)荷為主，式（1）為夏季表冷器的干球溫度效率公式。

式中△t為處理空氣的初終狀態(tài)溫差，t1為空氣的初始狀態(tài)溫度（當(dāng)新風(fēng)獨(dú)立處理送風(fēng)時，即室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度），tw1為表冷器供水溫度。根據(jù)公式（1）及文獻(xiàn)[1]的分析結(jié)果，本項(xiàng)目在風(fēng)機(jī)盤管選用時都考慮了富裕量，提供10℃空調(diào)冷水是基本可以滿足內(nèi)區(qū)空調(diào)要求的，故冷卻塔制冷的冷凍水側(cè)計(jì)算供水溫度取值按10 ℃，回水溫度取值按15℃。

冷卻塔免費(fèi)制冷板換溫差取1℃，冷卻塔供水溫度設(shè)計(jì)值為9℃。參照《ASHRAE Handbook》給出典型橫流塔特工曲線（圖3～4）來確定冷卻塔免費(fèi)供冷回水溫度。

圖3 冷卻塔熱工特性曲線（100%設(shè)計(jì)流量）

圖4 冷卻塔熱工特性曲線（67%設(shè)計(jì)流量）

看圖3和圖4的情況比較。需要9℃的冷卻水，供回水溫差為2℃，從圖3可查出，在濕球溫度4℃才可以實(shí)現(xiàn)，而從圖4可查出，在濕球溫度7℃就可以實(shí)現(xiàn)。同樣從圖3圖4也可查出，9℃的冷卻水，供回水溫差為3℃時需要空氣的濕球溫度分別為2℃和5℃。按綿陽地區(qū)的室外空氣濕球溫度年頻率統(tǒng)計(jì)表[2]，空氣濕球溫度小于等于5 ℃的時間為1223 h[2]，空氣濕球溫度小于等于7 ℃的時間為2174h[2]。為了延長免費(fèi)供冷時間，選擇冷卻水溫差2℃，這樣，按綿陽地區(qū)的室外參數(shù)，免費(fèi)供冷時間就多了951 h。

3.2 冷卻塔及冷卻水泵的配置

冷水側(cè)采用與夏季空調(diào)季節(jié)同樣的供回水溫差，故采用原變頻水泵，可以根據(jù)末端負(fù)荷實(shí)現(xiàn)變流量運(yùn)行。

為了在初投資盡量小的情況下實(shí)現(xiàn)免費(fèi)供冷的應(yīng)用，只增設(shè)免費(fèi)制冷板換，冷卻水泵均采用原有的變頻水泵，原有變頻水泵對應(yīng)分別為兩臺600M3/H，一臺250M3/H冷卻塔，夏季冷卻水供回水溫差為5℃，免費(fèi)供冷供回水溫度按前文選取為2℃，兩者溫差的比值為2.5，免費(fèi)供冷負(fù)荷為988KW，與螺桿機(jī)的冷量相同，根據(jù)公式（2）冷量相同，流量與溫差成反比，

Q1/Q2=ΔT2/ΔT1（2）

式中△t為供回水溫差，Q為水流量，水泵采用原600M3/H冷卻塔對應(yīng)的冷卻水泵即可，考慮到隨著室外溫度降低冷卻塔免費(fèi)制冷量的需求的減少，出于節(jié)能考慮，將系統(tǒng)中最小的一臺冷卻水泵和兩臺大的冷卻水泵眾的一臺均接入免費(fèi)供冷系統(tǒng)，在系統(tǒng)需求大時開啟大時開大流量水泵，在系統(tǒng)需求量很小時，變頻調(diào)節(jié)無法滿足系統(tǒng)最小流量要求時，關(guān)閉大流量水泵，開啟小流量水泵，以達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。

冷卻塔臺數(shù)的選擇，依據(jù)前面冷卻塔溫差選取的原則，保證單臺冷卻塔流量在小于等于67%，現(xiàn)免費(fèi)供冷最大需求總流量和原冷卻塔流量見表2

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根據(jù)表2，選擇一臺250M3/H冷卻塔和一臺600M3/H提供免費(fèi)供冷。為避免供水溫度過低的可能，供水溫度低至5℃時冷卻塔風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，升高至9℃時恢復(fù)運(yùn)行。在低溫冷卻水供、回水管之間設(shè)置旁通管，并在旁通水路上分別設(shè)置電動閥，旁通電動閥冬季為開關(guān)控制，冷卻塔管路電動閥與旁通電動閥連鎖動作。當(dāng)冷卻塔風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行后出水溫度仍然過低（低于5℃）時打開旁通閥、關(guān)閉冷卻塔通路閥，升高至9℃時閥門相反動作，使水溫維持在允許范圍內(nèi)。

3.3 冷卻塔免費(fèi)供冷經(jīng)濟(jì)效益簡述

免費(fèi)供冷空調(diào)側(cè)溫差不變，所以空調(diào)冷水的流量不變，僅需計(jì)算冷源側(cè)兩種工況的能耗。

冬季冷水機(jī)組制冷時開啟的冷水機(jī)組能耗EL可按下式計(jì)算[3]：

式中：口為冬季內(nèi)區(qū)滿負(fù)荷時所需供冷量，kW； γ為負(fù)荷小時平均系數(shù)，取0.7； h為冷卻塔供冷總小時數(shù)，h； IPLV為冷水機(jī)組綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)。

冬季冷水機(jī)組制冷時開啟的冷卻水泵能耗Eb1可通過下式估算[3]：

式中： G1為冷卻水泵流量，m3/h； H1，為冷卻水泵揚(yáng)程，m；為水泵效率。

冷卻塔供冷時冷源水泵能Eb2則可以通過下式估算[3]；

全年節(jié)省能量ΔE[3]：

ΔE=EL+Eb1-Eb2（6）

經(jīng)計(jì)算，全年節(jié)能量為139657kW·h，枯水期平均電費(fèi)按1元/ kW·h，每年總計(jì)可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約為13.9萬元。

結(jié)語：

本文筆者僅就所參與的實(shí)際項(xiàng)目結(jié)合參考文獻(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)項(xiàng)目的總結(jié)，冷卻塔供冷應(yīng)用越來越多，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況及所在地的氣候情況綜合考慮。最高室外濕球溫度的確定根據(jù)室外氣象參數(shù)，溫差大于等于2℃，盡量延長免費(fèi)供冷時間的原則選取。