合肥萬達城內區免費制冷的經濟性分析

宣豐 劉剛 徐銘明 甘長德

東華大學環境科學與工程學院

合肥萬達城內區免費制冷的經濟性分析

宣豐 劉剛 徐銘明 甘長德

東華大學環境科學與工程學院

針對合肥地區的萬達實際項目，比較免費制冷和常規空調系統兩種方式的內區供冷系統初投資，并根據當地的能源價格，比較兩種方式的全年運行費用，得出了該項目免費制冷的回收期。結果表明，采用免費制冷的方式進行內區供冷雖然造成初投資略有增加，但使能耗降低較多，具有較好的經濟性。

內區供冷 免費制冷 運行費用 經濟性

本文比較了兩種內區供冷的空調方式：第一種是采用冷卻塔給內區供冷，在過渡季節和冬季使用冷卻塔提供的冷水，通過板式換熱器以間接供冷的系統形式，為內區提供冷量，使用該種方式能夠降低能耗但同時系統變復雜，初投資有所增加[1]；第二種是內區采用普通制冷方式，即用開啟水冷機組進行供冷。本文研究了這兩種內區供冷方式在滿足室內設計要求的前提下，哪種方式更具有經濟性。

1 工程概述

本項目位于安徽省合肥市，建筑面積約為19萬m2，地下一層為超市和車庫，地上一層為各主力店和步行街，地上二、三層為各娛樂設施如餐飲、電玩、KTV、影廳等。過渡季節和冬季室內設計溫度為20℃，夏季設計冷負荷為14000kW，過渡季節和冬季內區冷負荷為1540kW。

2 采用冷卻塔免費制冷分析

2.1 冷卻塔免費制冷形式選擇

采用冷卻塔免費供冷，即在室外氣象參數滿足特定條件時，通過增設的管路及設備，使冷卻水不經過空調機組換熱，直接或間接向空調系統供冷[2]。

冷卻塔免費制冷主要分為開式冷卻塔直接供冷、開式冷卻塔間接供冷、閉式冷卻塔供冷和冷凍機制冷劑制冷循環。為了保障系統運行的可靠性和穩定性，目前的空調系統多選擇間接式供冷系統[3]，故本工程擬選用該種開式冷卻塔間接供冷。

2.2 冷卻塔切換溫度的確定

在系統運行時，冷卻塔冷卻水的出口水溫很大程度上是由室外空氣濕球溫度決定的。對于一種結構已確定的冷卻塔而言，在一定的流量下，冷卻水理論上能降低到的極限溫度為當時室外空氣的濕球溫度。過渡季節和冬季室內冷負荷減小時，冷凍水供水設計溫度可以適當提高至10～15℃不等；對于間接供冷系統，由于增加一個板式換熱器的換熱溫差，一般取1～3℃；實際情況下冷卻塔出口冷卻水設計溫度一般比空氣濕球溫度高3～5℃。

冷卻塔切換的臨界溫度計算公式如下：

式中：TEX為冷卻塔供冷的切換溫度，℃；Tcs為末端冷凍水的供水溫度，冷卻塔供冷時可取10～15℃；△KEX為板式換熱器的換熱溫差，而對于間接冷卻塔供冷時取1～3℃；△Tapproach為冷卻塔的冷幅，取2～10℃[4]。

2.3 本項目具體設計

針對該項目，在原有的空調系統的基礎上增設了一個與制冷機組并聯的板式換熱器，在冬季和過渡季室外氣象參數滿足條件時，系統采用該模式運行，冷水機組停止工作，通過三通換向閥使冷卻水從冷卻塔進來后通過板式換熱器與循環的冷凍水進行熱交換，冷凍水與冷卻水不直接接觸，避免了冷凍水系統受冷卻水的水質影響造成腐蝕和堵塞等現象。根據式（1）中各值的取值范圍并查閱相關文獻得知，可以將濕球溫度7～10℃作為切換溫度。

過渡季節非全空氣系統內區冷負荷為1540kW；冷凍水設計供回水溫度為7℃/12℃，板式換熱器溫降為1℃，冷卻水側進出水設計溫度為8℃/13℃，冬季冷卻塔冷幅按3℃考慮，當室外濕球溫度到達10℃或以下時，可以利用冷卻塔和板式換熱器間接供冷。根據負荷估算結果，過渡季節和冬季建筑內區的冷負荷為夏季空調冷負荷的11%左右。室外濕球溫度9℃作為免費供冷臨界溫度，則干球溫度約為12℃以下時，可以關閉冷水機組，采用冷卻塔免費供冷。假定空調運行時間為9:00～21:00，通過大致統計全年供冷運行時間為4745h，可以采用免費供冷時間為1681h，約占全年總供冷時間的35.4%。4月份和10月份可采用免費供冷時間很少，故可以近似認為這兩個月不適合采用免費供冷，則實際可采用免費供冷的月份為1月、2月、3月、11月和12月，共1636h，占全年供冷時間的34.5%。時間分布見表1。

表1 可采用免費制冷時間分布表

2.4 經濟性分析

2.4.1 新風預熱費用

采用冷卻塔免費制冷時室外空氣同樣需要預熱至12℃送入，預熱時間約為1600h，室外空氣平均溫度為6.04℃，焓值i3約為10.4 kJ/kg，6℃時空氣密度取ρ=1.263kg/m3，合肥商用燃氣價格3.66元/Nm3，則采用新風預熱所需燃氣費用按下式計算：

式中：i2、i3表示室內外空氣焓值，kJ/kg；G表示新風量，m3/(h·p)；ρ表示空氣密度，kg/m3；S表示區域面積，m2；t表示內區供冷時間，h；η表示燃氣鍋爐效率；n表示人員密度，m2/p。

商鋪：Q=(18.6-10.4)×20×1.263×15231×1600/0.94/ 4=1342479784kJ，耗氣量為37349Nm3，燃氣費13.67萬元；

電玩：Q=(18.6-10.4)×30×1.263×1468×1600/0.94/3= 258782788kJ，耗氣量為7199Nm3，燃氣費2.63萬元；

KTV：Q=(18.6-10.4)×20×1.263×2796×1600/0.94/ 2.5=394308815kJ，耗氣量為10969Nm3，燃氣費4.01萬元；

餐飲：Q=(18.6-10.4)×25×1.263×12730×1600/0.94/ 2.5=2244076902kJ，耗氣量為62426Nm3，燃氣費22.85萬元。

預熱所需燃氣費用共約43.17萬元/年。

2.4.2 風機運行費用

風機盤管加新風的模式中新風機耗電量按以下方法計算[5]：風量G約為24000m3/h，風機的最大耗功率取0.48W/(m3/h)，則總耗電量=24000×0.48×1600/ 1000=18432kWh，電費為22.12萬元/年。

室內總處理風量取10次換氣次數，則單位面積風量為32m3/h，而單位面積新風量為7.5m3/h，所以風機盤管單位面積處理風量為24.5m3/h，風機的最大耗功率取0.12W/(m3/h)，則風盤開啟耗電量為2.94W/m2，則免費制冷期間風機盤管運行耗電量：Q=32225×2.94× 1600/1000=151586kWh，合肥電價為1.20元/kWh，則電費為18.2萬元/年。

2.4.3 初投資費用

[6]中實例投資對本工程項目簡單分析如下，新風部分與常規系統不存在差異，冷卻水通過板式換熱器與冷凍水進行換熱，參考該文獻中板式換熱器性能和價格，約為1200元/m2，換熱器兩側溫差按1℃計算，傳熱系數按6000W/(m2·℃)，可換算得出每kW換熱量（即內區供冷量）需增加的設備初投資約200元，板式換熱器所接管道閥門及自控等以設備投資50%估算，則系統增加的初投資約為300元/kW，風機盤管加新風系統中，考慮12℃新風承擔的供冷能力，則風機盤管需負擔的內區冷量為933kW，所增加的設備初投資約279776元（27.98萬元）。此時需考慮冷卻塔在室外溫度低于0℃時（約62h）系統內的水存在結冰的可能，系統應當設置增加前文所述輔助加熱設施，此時設備初投資增加量將比27.98萬元略高，同時電加熱運行時增大一定耗電量，估計為29.4萬元。

3 采用常規方式內區供冷

如采用冷水機組供冷，則在可采用前兩種方式的1600h中，系統總制冷量為2464000kWh，運行工況下COP約為5.1，耗電量為483137kWh，安徽省商業用電平均電價約為1.20元/kWh，需用電費579764.7元（約57.98萬元）。

新風需處理到室內狀態點20℃送入，焓值i4約為29.5kJ/kg，室外空氣平均溫度為6.04℃，焓值i3約為10.4kJ/kg，6℃時空氣密度取ρ=1.263kg/m3，合肥商用燃氣價格3.66元/Nm3，則采用預熱新風所需燃氣費用計算參照式（2）。

商鋪：Q=(29.5-10.4)×20×1.263×15231×1600/0.94/ 4=3126995594kJ，耗氣量為86986Nm3，燃氣費31.84萬元；

電玩：Q=(29.5-10.4)×30×1.263×1468×1600/0.94/3= 602774543kJ，耗氣量為16768Nm3，需耗燃氣費6.14萬元；

KTV：Q=(29.5-10.4)×20×1.263×2796×1600/0.94/ 2.5=918451020kJ，耗氣量為25549Nm3，需耗燃氣費9.35萬元；

餐飲：Q=(29.5-10.4)×25×1.263×12730×1600/0.94/ 2.5=5227057174kJ，耗氣量為145405Nm3，需耗燃氣費53.22萬元；

共計預熱所需燃氣費用約100.54萬元/年。

4 兩種方式綜合比較

由表2可知，采用冷卻塔免費制冷的方式，在室外溫度達到運行要求時，可以滿足內區供冷的要求，除增加板式換熱器和部分管道外，其余設備與常規系統相同。內區供冷時冷水機組不運行，僅靠運行冷卻塔實現制冷要求。

表2 兩種內區供冷方式經濟性對比表

根據表2可知，采用免費制冷方式比常規方式節省能源費115.35萬元/年，增加初投資費用約29.4萬元，0.5年內可回收初投資增加成本，回收期短，節能性很好。

5 總結

采用開式冷卻塔間接式免費供冷需要在原有的空調系統上增設部分設備和控制系統，并且需要注意防止循環水結冰來保證系統運行的可靠性，這些將會增加系統的初投資費用及控制管理難度，但該內區供冷方式能夠在保證內區設計溫度的同時，體現較好的經濟性，大幅降低能耗，值得推廣采用。

參考文獻

[1]趙建成,安愛民.空調分區系統中幾種空調方式的探討[A].見: 2006全國暖通空調制冷學術年會[C].2006.99-102

[2]徐欣,楊木和.應用冷卻塔免費供冷技術的特性分析[J].制冷技術,2012,32(2):57-59

[3]苗培,張杰,石鶴.冷卻塔供冷系統設計方法總結與探討[J].暖通空調,2008,38(5):74-78

[4]李競.過渡季節冷卻水的節能應用研究[D].上海:同濟大學, 2007

[5]公共建筑節能設計標準(GB50189-2005)[S].北京:中國建筑工業出版社,2005

[6]王翔.冷卻塔供冷系統設計方法[J].暖通空調,2009,39(7):99-103

Ec onom ic Re s e a rc h on Fre e Cooling Sys te m for Inte rior Zone s of Wa nda City in He fe i

XUAN Feng,LIU Gang,XU Ming-ming,GAN Chang-de
School of Environmental Science and Engineering,Donghua University

An actual project in Hefei city was analyzed,which compared the initial investment of free cooling system and conventional air conditioning system applied in interior zone.According the local energy prices,the annual operation cost was compared,and the payback period of the project for free cooling system was figured out.The results show that the free cooling system increase the initial investment slightly,but reduce the energy consumption more largely.It has a good economical efficiency.

interior zone cooling,free cooling system,operation cost,economical efficiency

1003-0344（2015）05-054-3

201405-25

宣豐（1989～），男，碩士研究生；上海市松江區人民北路2999號東華大學4號環境學院樓3137（201620）；E-mail:violaxu001@163.com