空氣、水節能器替代冷水機組的節能方案

王 瑾 李新林 李書生 辛晶晶

(上海理工大學 城市與建筑學院 上海 200093)

由于建筑用途不同，有些建筑空調系統過渡季節和冬季仍需供冷。而冷水機組的選型根據夏季冷負荷確定，過渡季節和冬季冷負荷相對較小，造成冷水機組在低負荷工況下運行，極大地降低了冷水機組的效率，若采用離心式制冷機組，在低于30%的負荷率下運行時，易發生喘振，影響冷水機組的使用壽命[1]。

為使冷水機組低負荷時能夠穩定運行，只能人為增加冷負荷，因此造成大量冷熱混合損失，既增加冷水機組運行費用，也不符合節能減排要求。

擬采用系統的自然冷卻技術解決這一問題。系統的自然冷卻也稱為免費冷卻(Free Cooling)。即利用室外低溫、低焓空氣或水直接或間接供冷，部分或全部替代人工冷源，達到節能目的[1-3]。系統的自然冷卻有兩種方式:

1)直接利用室外低溫低焓空氣向室內供冷。簡稱空氣節能器或空氣經濟器。

2)利用室外低溫空氣制備冷媒水，通過表冷器冷卻室內空氣。簡稱水節能器或水經濟器[4]。

在過渡季節，首選的做法是采用全新風，達到停開冷水機組的目的。但是，全新風系統，必須配備足夠大的排風機和排風管道。對既有建筑而言，加大排風量和排風管尺寸難以實施，業主允許和接受的可能性亦非常小。

1 節能方案

1.1 節能方案設計

冬季及過渡季的節能方案，以空氣節能器疊加水節能器的方法替代冷水機組供冷。采用增加部分新風量，并遵循新、排風量基本平衡的原則進行設計。冬季室外空氣的焓值很低，如果新風和回風的混合點M在送風狀態點S的焓值Hs以下(圖中陰影部分)，則完全可以由空氣節能器承擔室內冷負荷，其處理過程如圖1(a)。在過渡季節，空氣節能器不能完全承擔室內冷負荷，在冷媒水管道上并聯閉式冷卻塔水節能器系統，以帶走新風不能處理的冷負荷。其處理過程如圖1(b)。

圖1 過渡季與冬季空氣處理過程Fig.1 Air handling process of Transition season and winter

1.2 空氣節能器與水節能器聯合運行的技術特點

圖2 閉式冷卻塔供冷系統圖Fg.2 Closed cooling tower Cooling System drawing

圖3 開式冷卻塔供冷系統圖Fg.3 Opened cooling tower Cooling System drawing

空氣節能器加水節能器是利用冷卻塔供冷來減少新、排風量與風管尺寸的擴充，并利用增大新風量供冷來減小冷卻塔的尺寸，實現優勢互補，兩種方式聯合供冷的可靠性高，能夠靈活應對室外氣候變化。

推薦采用閉式冷卻塔供冷。閉式塔冷卻水始終在冷卻盤管內流動放熱，與外界不接觸，與冷卻水的污染源實現了隔離，能保持表冷器管內的清潔[5]，避免了開式冷卻塔供冷系統為保證水質增設中間換熱器帶來的熱量損失；閉式冷卻塔噴淋循環水量小，風機、噴淋水泵能耗和補水量亦小于開式塔。當室外濕球溫度降到低于系統要求的冷卻塔出口水溫3℃～5℃時，即可將空調系統切換到該自然供冷模式[6,7]。

過渡季空調負荷較低，往往不到夏季工況的一半，在室內基本沒有濕負荷的情況下，可適當提高冷凍水溫度，經計算可將空調系統末端冷水的供水溫度調至14℃～16℃，即可滿足室內供冷的需要[8]。圖2、3為閉式冷卻塔供冷、開式冷卻塔供冷的系統圖。

2 設計改造實例

2.1 應用背景

以上海某研發中心大樓為例，建筑面積30000m2，配備了3臺4220kW的離心式冷水機組。大樓實驗室、通訊機房、數據中心總送風量為490000m3/h, 總排風量為130000m3/h。各房間溫、濕度要求如表1。

表1 各房間溫度要求Tab.1 Temperature requirements of Rooms

由于夜間、過渡季節和冬季冷水機組負荷率(≤30%)較低，離心式冷水機組易發生喘振，原先采取加熱室外新風、開啟供熱等方法，人為地增加冷負荷，使冷水機組正常運行。

2.2 改造方案的設計計算

1) 室內送風狀態點的確定

通過設計計算，采用加大新風管尺寸，提高管內風速等方法，將系統的新風量增至總風量的30%，達到150000m3/h。冬季系統總冷負荷Q=693kW。由于供冷的房間是實驗室、數據中心、通訊機房，基本沒有人員和其它濕負荷，所以熱濕比線為垂直線，即圖1上的SR線。根據公式:

式中:Q—冷負荷，kW；G—送風量，m3/h；hR、hs—室內空氣點、送風點焓值，kW/kJ。

取室內溫度為23℃，相對濕度50%，即hR=45 kJ/kg，代入式(1)得hS≤41kJ/kg。

當室外干球溫度≤11℃，相對濕度≤62%，即混合風焓值≤41 kJ/kg(圖1(a)中陰影部分)時，新回風比3:7混合后，空氣節能器已完全能夠處理室內的冷負荷。根據氣象資料記載，上海12、1、2月份的氣溫均可由空氣節能器單獨供冷，如果新風比≥30%，則單獨使用空氣節能器的時間更長。

2) 閉式冷卻塔的設計與計算

由于11、4月和3月部分天數的混合風不能完全平衡室內冷負荷，必須借助水節能器提供冷水，其處理過程如圖1(b)所示。取上海地區11、3、4月份中室外平均溫度最高的4月份，空氣干球溫度16℃，平均相對濕度為65%，求得閉式冷卻塔的最大水量。

假定冷卻水出口溫度和噴淋水溫度，根據已知的冷卻塔參數計算冷卻水出口溫度，并與假定冷卻水出口溫度比較，直至計算值與設定值基本相等[9]。計算得出冷卻水出口溫度為15.5℃，小于設定值16℃。根據公式:

式中:QT—冷卻塔負荷，kW；ρa、ρw—空氣、水密度，kg/m3；ΔIT—狀態點M和H的焓差，kW/kJ；CW—水的比熱容，kJ/(kg.℃)；GV—水的體積流量，m3/h；ΔT—供回水溫差，℃(一般取4℃)。

計算得出閉式冷卻塔的負荷QT為376kW，流量GV為80m3/h，取20%裕量，閉式冷卻塔的流量約為100m3/h。

2.3 改進方案的應用

綜上所述，當室外干球溫度≤16℃，相對濕度≤65%，即混合風焓值≤43.5 kJ/kg時，停止冷水機組主機供冷，系統轉換為空氣節能器疊加水節能器系統，將空調系統的新風閥和排風閥全部打開；當室外干球溫度≤11℃，相對濕度≤62%，即混合風焓值≤41kJ/kg時，關閉水節能器，單獨使用空氣節能器；夏季將新風閥和排風閥復位到10%的開度，恢復冷水機組供冷，三種供冷模式切換簡便。

3 節能效果

以該空調系統每年從11月份到4月份冷水機組平均負荷率為30%計，據YORK冷水機組30%負荷率時，運行實際電功率為額定功率(554kW)的37.9%，開式冷卻塔水泵、風機實際電功率和冷卻水循環量均由抄表記錄可得。而改造系統的水節能器冷卻水泵沿用原冷水機組冷凍水泵變頻運行。研發中心采用節能系統的11、12月份，單獨使用空氣節能器共37d，空氣節能器疊加水節能器使用共19d，達到預期節能目的。據上海氣象記錄統計結果，空調系統的冷水機組全年約可停開160d，空氣節能器單獨運行90d左右，空氣節能器疊加水節能器運行天數70d左右。預計空氣節能器疊加水節能器系統年節電量如表2。

表2 系統年節電量Tab.2 Year of System electricity saving

冷卻塔補水量包括風吹飄逸損失、蒸發損失、排污損失和泄漏損失，冷卻水量的1%～2%作為補水量[1]。原開式冷卻塔實際冷卻水循環量600m3/h(額定值875m3/h)，現閉式冷卻塔噴淋水流量100m3/h，按冷卻水量的1%計，每年約可節水19000m3。

電費按1.0元/kWh計，每年可節約電費為120萬元；工業用水按4.0元/m3計，每年可節水費7.6萬元，每年節省費用共計127.6萬元。改造系統新增費用:冷卻塔50萬，自控裝置10萬，管材、輔助設施、安裝施工費等共計15萬元，總投資約75萬。不到1年即可收回投資。案例中，研發中心大樓冷水機組24h×365天不間斷運行，實際上多數建筑冷水機組每天運行10h，所以，具體工程的節能量隨著冷水機組運行時間不同而各異。冷水機組每天運行10h的改造工程，回收初投資需2年左右。

4 結論

過渡季節和冬季，空氣節能器疊加水節能器方法利用室外自然冷源，停開冷水機組，節約冷水機組運行費用，縮減設備尺寸，節約初投資。采用閉式冷卻塔供冷，節電、節水。新增設備投資能在較短時間內收回成本，具有明顯的經濟效益。

空氣節能器加水節能器的方法是值得推廣的一種節能方案，對已有建筑的節能改造也具有十分重要的意義。在新建建筑的設計時，適當增加建筑的排風量及新、排風管尺寸，以便達到節能及減少冷水機組運行成本的理想效果。

本文受上海市教育委員會重點學科(J50502)項目資助.(This project was spported by the Leading Academic Discipline Project of Shanghai Municipal Education Commission(No.J50502).)

[1] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[2] D Murphy. Cooling towers for free cooling[J]. ASHRAE Journal, 1991, 6:16-26.

[3] W J Coad P E. Open chilled-water systems for free cooling-A simple concept that lack Simplicity[J]. ASHRAE Transactions. 1994, 100, Part I: 805-810.

[4] 葉大法,楊國榮.變風量空調系統設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2007,115-122.

[5] 李永安,尚豐偉,潘強.空調用封閉式冷卻塔的研究[J].制冷學報,1997,18(1):48-50.(Li Yongan, Shang Fengwei,Pan Qiang. A Study on the closed cooling tower for air conditioning[J]. Journal of Refrigeration, 1997, 18(1):48-50.)

[6] T L White. A winter cooling tower operation for a central chilled-water system[J]. ASHRAE Transactions, 1994,100, Part I: 811-816.

[7] 董靜.“自然冷卻”空調制冷系統在建筑節能中的應用[J].建筑科學,2004,20(4):58-60.(Dong Jing. "Natural cooling" air conditioning systems's applications in building energy saving [J]. Building Science, 2004,20(4):58-60.)

[8] 朱冬生,涂愛民.閉式冷卻塔直接供冷及其經濟性分析[J].暖通空調,2008,38(4):100-103.(Zhu Dongsheng,Tu Aimin. Direct cooling by a closed cooling tower and its economic analysis[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2008, 38(4) :100-103.)

[9] 李永安.空調用閉式冷卻塔[M]. 北京:中國建筑工業出版社, 2008, 75-76.