貴陽某機場T2航站樓冷卻塔免費供冷可行性研究★

李 磊 胡 澄 蘇 鷹 毛瑞勇 楊雅鑫 田茂軍

(1.貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025; 2.重慶僑恩創源建筑設計有限公司貴州分公司，貴州 貴陽 550081; 3.貴州省建筑設計研究院有限責任公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

隨著經濟迅猛發展,建筑能耗、工業能耗以及交通能耗成為我國能源消耗的主要方面。我國人口基數大，資源人均占比較低；其中石化類資源(石油和天然氣)人均占比低于世界水平的10%；與此同時，我國能源利用效率較低，僅為發達國家能源利用效率的0.64倍～0.8倍，較能源利用國際先進水平平均低10%左右[1,2]。隨著人類活動日益頻繁，對室內環境的熱舒適性要求越來越高。建筑能耗也迅猛增長，其中空調能耗占比約47%[3]。若能適時增加天然冷源的使用，將能節約很多能源消耗。

1 冷卻塔供冷原理

冷卻塔一般以水為循環吸熱介質，對室內換熱的管路進行冷卻處理，在溫度要求不高時，起到代替冷源作用。冷卻塔免費供冷，是指在過渡季，空調需求溫度不高和供電緊張時間段，暫代冷源，一定程度上緩解峰谷壓力，實現低品位熱量的最大利用。

2 貴陽某機場T2航站樓負荷模擬

貴陽某機場T2航站樓屬于甲類公共建筑，建筑所在地氣候分區屬于溫和A區；總建筑面積21萬m2，建筑用空調面積約為12.5萬m2。利用DeST能耗分析軟件進行全年空調能耗模擬分析。推斷出可以用冷卻塔“免費供冷”技術代替傳統冷源供冷的運行時間段。對過渡季利用冷卻塔免費供冷技術進行可行性分析。

2.1 模塊參數設置

T2航站樓外圍護結構熱工參數和室內設計參數如表1，表2所示。

表1 圍護結構熱工參數 W/(m2·K)

表2 室內設計參數表

2.2 負荷模擬分析

設置參數并對全年空調負荷進行模擬。如圖1所示，全年最大冷負荷值出現在7月22日17:00為11 429.46 kW。此時外圍護結構的蓄熱特性，使得室外氣溫對內部影響延后至17:00左右，建筑內區有較大面積的辦公場所及候機廳，人員密度較大，設備使用率較高。冬季熱負荷峰值出現在1月13日上午8:00,其值為8 562.39 kW。且整個采暖季的早8:00均呈現最大負荷，主要原因是建筑用途開始蘇醒，旅客和辦公人員同時活動，空調開啟，需要排除前一天夜里建筑積累的冷量，而室內活動剛剛開始，散熱量及散濕量相對較少。

根據機場運營模式及貴陽氣候條件，分析過渡季進行冷卻塔免費供冷技術可行性。4月～5月兩個月進行供冷，其他過渡季不需要供冷。鑒于機場運營時刻，一般在5:30 a.m進行供冷,圍護結構蓄熱需要時間，故需提前至5:00開啟機組制冷。如圖2所示，4月～5月空調負荷波動較大，其峰值負荷為9 019 kW,而極端情況負荷低于10 kW?？照{負荷率5%以下的小時數達到1 084 h,而負荷率75%以上的小時數僅為18 h。曲線上升斜率逐漸降低，證明隨著負荷率累積的增加，累積小時數上升趨勢逐漸變緩。在空調負荷時段較小時，可采用冷卻塔代替傳統冷源為建筑供冷。

3 冷卻塔供冷切換溫度及理論供冷時數

3.1 冷卻塔供冷切換溫度

冷卻塔運行切換溫度，是由天然冷源代替常規冷源向建筑供冷的溫度，切換溫度不是定值，受室外氣候條件、建筑負荷、供冷形式、空調末端供冷溫度及自身運行特性等因素影響。圖3給出不同濕球溫度下，冷卻塔出口水溫隨流量變化曲線，得出，同型號冷卻塔在相同室外氣象參數和進水溫度條件下，出水溫度隨流量減小而下降。當室外濕球溫度為10 ℃時，冷卻塔按照額定流量運行時，出水溫度16.6 ℃；當運行流量減至額定流量的50%時，出水水溫為14.2 ℃，水溫下降了2.4 ℃；故在滿足負荷的前提下，應減少冷卻塔流量，使得冷卻塔運行效果更好。

圖4給出相同室外環境參數，在供水溫度為20 ℃時，不同流量下冷卻塔出水溫度隨室外濕球溫度變化趨勢?？梢?，在相同的濕球溫度、流量和供水溫度條件下，冷卻塔出水溫度隨室外濕球溫度降低而下降。當室外濕球溫度14 ℃和運行流量為額定流量的50%時，冷卻塔出水溫度17.5 ℃；當室外濕球溫度降至10 ℃，其他參數不變，冷卻塔出水溫度為14.2 ℃，出水溫度下降3.5 ℃。由此可知，運行參數一定條件下，室外濕球溫度越低，冷卻塔出水溫度越低，供冷效果越好。

根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》統計貴陽4月和5月過渡季節濕球溫度變化趨勢與供冷時數關系；由圖5可知，當室外濕球溫度從10 ℃上升至14 ℃，濕球溫度每升高1 ℃，供冷小時數分別增加90 h，104 h，132 h和183 h,供冷時數增長率從6.15%增至12.5%。由此可知，提高切換運行濕球溫度，可以大幅度延長冷卻塔供冷小時數。因此，在滿足供冷效果的前提下應盡量提高切換濕球溫度，延長供冷小時數，延緩制冷機組開啟，從而實現節能降耗。研究分析認為，當室外濕球溫度14 ℃時，供冷時數增長率較高；冷卻塔額定流量運行的出口水溫17.5 ℃；當運行流量為額定流量50%和40%時，冷卻塔出水溫分別為16 ℃和15.8 ℃。若系統采用3 ℃供回水溫差，回水溫度約為18.8 ℃，使冷卻塔換熱量達到3 920 W,滿足4月、5月過渡季機場的供冷負荷需求。故本項目將切換溫度設定為14 ℃。

3.2 冷卻塔理論供冷時數

由圖6，圖7可知，當冷卻塔切換運行的濕球溫度越低，理論供冷時數越少。在貴陽地區的冬季，當冷卻塔切換運行濕球溫度為14 ℃時，約有90%以上的供冷小時數可以實現冷卻塔供冷技術應用。冬季理論供冷時數達到了2 130 h，占冬季(1月～3月)供冷小時數比例為98.61%，占全年比例為24.32%，占全年可使用冷卻塔間接供冷總小時數為49.2%?？梢?，貴陽冷卻塔“免費”供冷技術在冬季更適用。

4 T2航站樓冷卻塔供冷系統節能改造經濟性分析

通過增設冷卻塔輔助供冷管路系統，開展原有空調系統節能改造；啟用冷卻塔供冷時停開冷水機組所用能耗成為改造后能耗的主要方面。其改造后的經濟效益，見表3?？梢?，約2年半就可以將成本回收，經過系統改造后經濟性大大提升，即在貴陽地區使用冷卻塔供冷技術在過渡季是可行的。

表3 冷卻塔供冷系統節能改造經濟性分析表

5 結語

貴陽某機場T2航站樓通過DeST能耗模擬軟件動態仿真模擬，全年冷熱負荷峰值分別為11 429.6 kW 和8 562.39 kW。貴陽地區以14 ℃為冷卻塔供冷切換濕球溫度，4月和5月過渡季，室外濕球溫度不大于14 ℃，過渡季累計供冷小時數為640 h，占比達到43.72%；冬季累計供冷時數為2 130 h，占冬季(1月～3月)供冷小時數比例為98.61%。通過對貴陽某機場T2航站樓的節能改造分析，項目改造投資經濟回收期為2.61年。分析認為，在貴陽某機場T2航站樓應用冷卻塔供冷技術能夠實現對天然冷源的有效利用，在過渡季節和冬季可以實現節能運行，節能效益明顯。