冷卻水制冷在某商業建筑中的應用

況 原 忠

(廣東博意建筑設計院有限公司,廣東 佛山 528312)

1 概述

大型商業建筑具有建筑空間相對比較封閉、人流密度比較大、燈光發熱量大、餐飲食物等室內散熱量大等特點，對商業建筑空調負荷造成很大影響，在這種情況下，圍護結構對空調冷負荷的影響效果相對較低。在過渡季節，甚至冬季，僅僅通過開啟新風機，難以達到實際降低商業建筑室內空調溫度的效果。為達到建筑室內設計溫度、提高商業建筑“品質”，商業建筑在過渡季節(冬季)通常仍需開啟空調制冷主機，但在很多情況下、空調制冷機都處在低負荷狀態下運行，空調主機能效比相對較低，造成很大的能源浪費。為充分利用自然冷源、實現建筑“綠色節能”運行，近年來，過渡季節(冬季)采用冷卻水供冷也得到大力發展[1,2]。

2 商業建筑空調用能特性

商業建筑用電主要為空調系統和照明插座系統，動力系統和特殊用電設備在建筑能耗中比重相對較少。其中空調系統用電主要和建筑使用時間、室外環境以及室內電氣設備功率及其數量有關，商場建筑空調系統使用時間主要在夏季和冬季的空調季節，而建筑使用時間與室內人員上班時間一致，由此，建筑空調能耗空調季節比非空調季節能耗大，白天上班時間比晚上大，工作日時間比休息日能耗大。

經調查發現商場建筑屬于半密封建筑，幾乎不能利用自然采光，室內照明及其他設備幾乎全天開啟，因此，商場建筑照明插座用電只與建筑運行時間有關。

對于動力設備主要體現在電梯用電上，除了建筑貨梯外，商場扶梯基本全天開啟，電梯能耗主要體現在室內人數上。

對于其他特殊用電，由于建筑信息中心等區域，長期處于開啟狀態，因此，特殊用電設備一般以一定的功率持續運行。

對于空調系統用電，在夏季和過渡季節，建筑具有較高的空調用電，而在冬季空調用電處于較低水平。由于建筑的封閉性和室內照明和設備的高功率，使得建筑在冬季供暖需求較小，而在夏季和過渡季節，建筑仍需空調制冷以使室內環境達到設計要求[3]。

但是，相比夏季空調最大負荷，在過渡季節建筑空調負荷大幅降低，同時室外空氣環境大幅降低，冷卻塔可在較高效率下運行，補風負荷較低區域可以通過切換冷卻水制冷以實現降低室內溫度效果，其余負荷更低區域甚至可以僅僅加大通風量而開啟空調。

3 過渡季節冷卻水制冷特點及適用條件

在節能方面，過渡季節采用冷卻水代替冷凍水進入空調末端設備以消除建筑冷負荷，可以減少制冷主機運行時間，從而降低主機能耗，降低建筑能耗[4]。

在環境保護方面，減少空調主機運行時間，從而降低制冷主機中制冷劑蒸發泄露的可能，以減少因制冷主機運行對環境的影響。

在空調系統維護方面，由于在過渡季節(冬季)室外溫度降低，冷卻水溫度隨之下降，制冷主機制冷是冷卻水溫度過低，主機長期在標準工況下運行，將大大影響制冷主機使用壽命。

室外環境濕球溫度直接決定冷卻塔出水溫度，根據冷卻塔制冷原理，冷卻塔理論提供最低出水溫度接近于室外環境濕球溫度(冷卻塔最大制冷能力)。根據實際經驗，冷卻塔免費制冷運行最高濕球溫度設定在小于10 ℃比較合理。

在過渡季節，建筑空調冷負荷降低，可適當通過加大室內通風換氣以排除室內冷負荷，當在過渡季節仍有較大冷負荷、僅僅通過開啟通風機(或空調新風機)不足以達到降低室內溫度要求的建筑，可通過冷卻水接入空調末端，通過空調末端水—空氣換熱以達到降低室內送風溫度的目的，從而實現冷卻水制冷。

但是，除了受室外環境因素影響外，大型商業建筑內含有多種內部熱源，室內人員比較多、餐飲食物散熱比較大、燈光散熱產生冷負荷比較大等特點，室內冷負荷在建筑空調負荷的比重比較大，某些區域室外環境溫度對空調負荷影響比較小。在空調室內負荷比較大的區域，過渡季節僅僅通過冷卻水制冷可能不足以達到降低室內溫度的要求[4]。

因此，對于大型商場建筑，需要根據負荷特性分區域進行設計，以實現在滿足室內設計環境的前提下真正達到節能目的。

4 項目基本情況及冷卻水制冷適用性分析

本建筑位于江西省南昌市，屬于夏熱冬冷地區。其商業街建筑面積:140 000 m2,其中:地上建筑面積：112 000 m2，地下建筑面積:28 000 m2。

地下1層：超市、商業、設備用房；1層：購物中心為娛樂門廳、室內步行街、室內步行街附屬商鋪、電影樂園入口、海洋館入口；2層：購物中心為商業(電玩、KTV)、室內步行街、室內步行街附屬商鋪電影樂園出口、海洋館出口；3層：購物中心為室內步行街、室內步行街附屬商鋪、商管用房等。本次分析范圍為1層～3層除海洋館及超市外的商業及影院，其中影院建筑面積9 722 m2，大商業部分為103 278 m2，總面積113 000 m2。空調冷負荷為206 50 kW，空調熱負荷為8 350 kW。空調系統開啟時間為建筑運行時間，即每天9:00～22:00。

為分析冷卻塔運行效果，現以項目所在地區(南昌)典型年濕球溫度在空調運行期間內出現頻數分析，一般認為大于30%具有較好的節能效果[5]。

根據南昌市典型年氣象參數，在建筑運行時間(即365×13=4 745)內全年各級濕球溫度頻數見表1。

表1 空調運行時間內南昌全年各級濕球溫度頻數表

根據表1統計，南昌地區在商場運行期間，室外濕球溫度小于8 ℃小時數為1 204，占全年25.37%，小于9 ℃小時數為1 482，占全年31.23%，小于10 ℃小時數為1 670，占全年35.19%。由于建筑在過渡季節仍具有較大空調負荷，10 ℃可能不足以達到降低溫度效果，本工程冷卻塔制冷啟動溫度設定在9 ℃。

5 過渡季節冷卻水制冷設計

商業空調系統，在過渡季節和冬季需要供冷的內區，設置冷卻塔免費供冷系統。商業的冷卻塔在過渡季節和冬季生產冷水，經制冷機房換熱后，供給商業空調內區的風盤使用。冷卻塔側供回水溫度9 ℃/12 ℃，風機盤管側供回水溫度10 ℃/15 ℃，如表2所示。

制冷主機和空調冷凍泵、冷卻泵采用一對一的連接方式，并在各組設備連接管道中間設置互為備用的手動轉換閥。空調內區：空調內區全年供冷，但當室外氣溫極低時，空調內區可以轉換為供熱系統。

根據項目業態性質，步行街內庭熱源較少，頂部與室外直接接觸圍護結構面積較大，在過渡季節空調負荷較低，可以通過加大室內通風以達到降低室內溫度目的；對于步行街內區商鋪，空調形式采用新風+風機盤管系統，室內本身通風量不大，僅僅通過加大通風量不足以實現降低室內空調溫度，可通過換熱器直接與冷卻塔相連，風機盤管間接接入冷卻水，以達到降低空調溫度目的，而對于電影院線、電玩、主力店和餐飲等在過渡季節仍具有較大負荷區域，僅僅通過冷卻水免費制冷，不足以實現降低空調溫度要求，勢必仍需開啟部分冷水機組，進行冷凍水制冷。

為盡量滿足室內各空調區域不同季節空調負荷需要，對商鋪按業態、室內熱負荷大小、與室外接觸圍護結構面積大小，對空調系統進行分類分別設計。其空調制冷系統設計原理圖見圖1。

6 結語

表2 冷卻水制冷設計控制要求

本文分析南昌地區全年氣象參數，冷卻塔即使在冬季也基本能正常運行，基本不存在結霜的可能。同時分析冷卻塔在過渡季節運行時的性能評價指標，通過過渡季節冷卻水制冷，能實現較大的節能效果。

夏熱冬冷地區具有室外環境的復雜性，尤其對于商業建筑，同一建筑內各區域、各個時間段的室內散熱量、人員客流量、負荷特性不盡相同，甚至可能存在同一時間有的區域需要制冷、有的區域需要制熱的可能。這種情況下單純的某一種技術在空調全年運行中未必能夠達到真正的節能目的，必須結合空調負荷具體情況進行分別設計。