成都地区免费供冷系统的可行性和经济性

钱峰

【摘 要】本文就成都某工程设计分析了免费供冷系统的可行性,对于不同季节室外空气状态、不同的送风温度下的风、水系统,分别进行计算;设置该系统的主要成本为换热器,在进行投资回收分析后,显示只要三年半就可收回投资.可以得出结论,该系统是经济和可行的.

【期刊名称】《建筑热能通风空调》 【年(卷),期】2010(029)004 【总页数】4页(P61-63,45) 【关键词】免费供冷;可行性;经济性 【作 者】钱峰

【作者单位】奥雅纳工程咨询上海有限公司 【正文语种】中 文 0 前言

在允许情况下，采用全新风免费供冷或利用冷却塔内冷却水通过板式热交换器产生冷冻水作为冷媒，无须开启制冷机，因此可节约大量空调能耗。

所有采用AHU的区域在冬季或过渡季节，均可考虑采用全新风系统：夏季，由制冷机提供冷冻水实现房间供冷；冬季或过渡季节，由于建筑物的外围护结构传热需对房间提供空调采暖，但部分内区房间由于没有外围护热损失，而该区域人员密度

大，加上灯光、设备大量散热，可能在冬季或过渡季节也需要供冷，此时就可以采用全新风免费供冷方式。

本文主要根据空调系统的运行时段和相关设计参数，对成都市某五星级酒店中免费供冷的可行性和经济性进行分析计算。 1 项目概况

该五星级酒店由一栋塔楼及裙楼组成，塔楼的规划高度约.2m，共14层，建筑面积约30，258 m2，地下一、二层用作车库及设备和管理用房，客房数量为335间。

根据计算，整座酒店的所需最大空调负荷为3，768 kW，在考虑到各区域的用途、使用时间及经济性，并根据酒店的使用功能，考虑采用集中式电制冷机组，设置3台350冷吨水冷离心式制冷机，其中一台采用变频冷水机组以满足酒店在部份负荷状态下的空调需求。

制冷机房设备设置于地下一层冷冻机房，包括3台制冷机，4台冷冻水泵，4台冷却水泵及2台760 kW/台的冷却水热交换器。制冷机组的散热是经由安装于酒店屋面的3台冷却水塔提供 37/32℃的冷却水供回水来处理，冷却水经由冷却水泵循环使用。在冬季，当室外湿球温度低于7.5℃时，制冷机停止工作，冷却塔以冷却水作为冷媒，通过阀门转换在换热器和冷冻水进行换热，向酒店内区提供冬季空调用水（按总空调负荷的20%即760kW考虑），以节约制冷机用电。 本项目空调水系统采用一次泵变流量系统（负荷侧变流量，制冷机定流量），并采用四管制。客房部分采用风机盘管系统，宴会厅、多功能厅、厨房、餐饮等房间采用全空气处理机。

本项目的室外设计参数如下：

①夏季：31.6℃干球（空调）/26.7℃湿球（空调）；29℃干球（通风）；平均室外风速1.1m/s；大气压力947.7kPa；最热月相对湿度84%。

②冬季：1℃干球（空调）；2℃干球（采暖）；6℃干球（通风）；平均室外风速0.9m/s；大气压力963.2kPa；冬季空调相对湿度80%。 室内设计参数见表1。 表1 室内设计参数? 2 免费供冷

免费冷源是指在冬季或过渡季节，室外温度满足一定的条件，直接利用室外空气对需要供冷的部分房间进行降温，减少制冷机的工作时间。

一般可分为两种方式，即风系统免费供冷和水系统免费供冷。前者是在冬季或过渡季节通过将足够的室外空气（新风）送入室内，以除去室内所产生热量。而后者是利用冷却塔内之冷却水作为冷媒，经热交换器产生冷冻水为建筑物内区的冬季或过渡季节供冷，免费供冷可以和送风系统相结合。当进行免费供冷时，制冷机无需运行仍可提供空调，节省了大量能量。

冬季或过渡季节会产生冷负荷的区域应该考虑免费供冷，通过计算，本项目在其中标准层的多功能厅、会议室及裙房的宴会厅、餐厅等区域在冬季或过渡季节有冷负荷，因而可以考虑在冬季或过渡季节使用免费供冷系统。 3 计算分析 3.1 水系统免费供冷

水系统免费供冷系统，冬季是经由安装于酒店屋面的3台冷却水塔提供12/9℃的冷却水经板式换热器交换后，提高冷冻水温度为11/14℃供回水，来满足冬季送风温度为16℃的要求。 3.1.1 室内送风温度不变

本项目设计标准层的内区，冬季或过渡季节送风温度为16℃，按照文献[1]中条款6.6.7的规定，空气冷却器的冷媒进口温度，应比空气的出口干球温度至少低3.5℃，本项目考虑为5℃，故设计免费冷水供水温度为11℃，回水温度为14℃，

温差为3℃。同时考虑到板式换热器的换热效率，负荷侧和冷源侧供水温差为2℃（详见图1所示）。 图1 水系统免费供冷示意图

则板式热交换器出水温度为11℃，冷却塔出水温度应为9℃。当三台冷却塔全开时，冷却塔要提供9℃的出水温度，室外湿球温度为7.5℃。所以当室外湿球温度低于7.5℃时，可实现利用冷却塔和换热器水系统免费供冷。

本项目空调冷负荷为3,768kW，冬季及过渡季节的需要供冷区域的冷负荷约为20%（其值具体应按照室内人员密度以及设备发热量计算确定），即为760kW。通过上图可知，当送风温度为16℃时，二次水进出口水温为11～14℃，而板式换热器另一侧的一次水进出口水温为9～12℃，以下是板式换热器的选型计算： 1）算术平均温差

2）传热系数k的计算：假定一次侧水流速v1=0.3 m/s，因温差相同故二次侧水流速v2=0.3 m/s，查按照文献[2]第201页之图4.4.12可知k=3750 W/(m2·℃)。 3）板式换热器面积

根据表2，成都地区平均室外湿球温度低于7.5℃的天数约为90天（分布在十二月、一月和二月）。

表2 成都地区全年气候资料注：①气象站位置：北纬30.7°，东经104.0°，海拔506 m；②降雨日表示日降雨量不少于1.0 mm。? 3.1.2 室内设计温度提高

如果考虑适当提高室内设计温度（提高到24℃），则送风温度可以提高至18℃，使冷冻水供水温度相对提高2℃左右，以增加冬季或过渡季节免费供冷时段。 3.2 风系统免费供冷 1）室内送风温度不变

设定室内送风温度为16℃，则室外温度低于16℃时有条件实现风系统免费供冷。

从成都气候资料可知室外温度低于16℃的时间为11月份至下年3月份（共5个月份）。

2）室内送风温度可变

以二楼宴会厅空调系统为例计算。

宴会厅面积为460m2，人员密度取1.5 m2/人，共计307人，新风量为307×30=9210 m3/h，不考虑围护结构的负荷，室内人员、照明的负荷为40.6 kW。

冬季或过渡季节需清除室内显热负荷，风系统免费供冷的风量仅考虑夏季新风量，即送风量为9210 m3/h，需要的送风温差为：

式中：Qx为室内显热，包括室内人员和照明负荷，kW；V 为送风量，m3/h；ρ为空气密度，1.2 kg/m3；c为空气定压比热，1.01 kJ/(kg·℃)。 可计算得

则送风温度为22-13.1=8.9℃。

从成都气候资料可知室外温度低于8.9℃的时间为12月份～1月份（共3个月份）。 4 经济性分析 4.1 风系统免费供冷

风系统免费供冷不用增加任何设备，只需要加大新风管的尺寸，所以在任何可能的场合，均应该优先考虑这种供冷方式，但项目的现场往往会受到，本项目在可能采用免费供冷的场所由于受到层高的，不能采用风系统免费供冷系统。 4.2 水系统免费供冷

水系统由于可采用原有空调水循环系统之管路，对净高的影响几乎没有。 系统本身可能节省的运行费用如下：

假定制冷机设备需运行天数为90d（3个月），每天运行4h，运行总时数为360h，制冷机组的COP为4.3（根据文献[3]的规定），电价平均为0.6元/kWh，则每年在冬季或过渡季节，由于不开制冷机节省的运行费用为：90×4×(760/4.3)×0.6=38,176元。

设备及其材料人工的投资成本为123，000元（其中760 kW水-水/板式热交换器109，000元、管材8，000元、人工费用 6，000元） 4.3 动态投资回收期

为了评价和比较工程技术方案的经济效果，采用动态回收期进行分析。具体到本文要讨论的问题是，应采用免费供冷系统增加的初投资，用节省能源费用予以全部偿还，究竟需要多长时间。一般认为，投资回收期不应超过5年，以愈短愈好。 根据文献[4]，动态投资回收期的计算公式如下：

t=-[log(1-(F0/Ft)×i)]/log(1+i) （2）式中：t为动态投资回收期，a；F0为增加免费供冷增加的初投资，元；Ft为每年节省的运行费用（主要是能源费用），元；i为贷款利率，一般取4.5%。 计算可得：t=3.6a＜5a

所以，采用水系统免费供冷，只需要运行约3.6年就可以收回投资成本。 5 结论及建议

通过上述分析可知，有如下的结论及建议：

1）本项目有条件直接利用室外空气实现风系统免费供冷（至少5个月）和水系统免费供冷（至少3个月），但其必须和空调系统设计相结合。当室内送风温度可以变化时，可使用免费供冷的时间也会发生相应的变化。

2）设计系统也要考虑其运行的经济性，由于风系统免费供冷不用增加任何设备，所以在任何可能的场合，均应该优先考虑这种供冷方式；水系统免费供冷由于要增加板式换热器，但需要3.6年就可以收回投资成本。

参考文献

【相关文献】

[1]中华人民共和国建设部.采暖通风与空气调节设计规范(GB50019-2003)[S].2003 [2]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2007 [3]中华人民共和国建设部.公共建筑节能设计标准(GB501-2005)[S].2005 [4]谷祺,刘淑莲.财务管理[M].大连:东北财经大学出版社，2007