馬明珠

冷卻塔供冷系統(tǒng)在金融街E 9辦公樓中的應(yīng)用

馬明珠

北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

介紹了辦公樓空調(diào)房間內(nèi)外區(qū)的劃分與系統(tǒng)選擇，計(jì)算了空調(diào)房間內(nèi)區(qū)和外區(qū)空調(diào)負(fù)荷，分析了冬夏季內(nèi)外區(qū)空氣處理過(guò)程，設(shè)計(jì)了內(nèi)區(qū)冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)，最后總結(jié)幾點(diǎn)設(shè)計(jì)體會(huì)。

外區(qū)內(nèi)區(qū)冷卻塔供冷

1 工程概況

該項(xiàng)目位于北京市西城區(qū)金融街E區(qū)，西起華嘉小學(xué)，東至錦什坊街，北起白塔寺變電站，南至華嘉胡同。建筑面積約為83591.83m2，地上11層，地下4層，建筑高度51.5m。建筑主要功能為辦公、地下車庫(kù)及附屬配套設(shè)施，使用性質(zhì)為出租辦公樓。

2 空調(diào)內(nèi)外區(qū)的劃分與系統(tǒng)選擇

現(xiàn)代辦公樓體量不斷加大，房間進(jìn)深越來(lái)越深，面積越來(lái)越大，導(dǎo)致靠近外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外區(qū)夏季需供冷，冬季需供熱，而內(nèi)區(qū)常年有穩(wěn)定的余熱，需常年供冷。以某房間（圖1）為例，進(jìn)深10m，距外圍護(hù)結(jié)構(gòu)5m范圍為外區(qū)，其余為內(nèi)區(qū)，外區(qū)面積105m2，內(nèi)區(qū)105m2。

空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)，外區(qū)采用四管制空調(diào)水系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組同時(shí)設(shè)置冷水盤(pán)管和熱水盤(pán)管，夏季供冷，冬季供熱。內(nèi)區(qū)采用兩管制，風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組只設(shè)置冷水盤(pán)管，常年供冷，解決內(nèi)區(qū)過(guò)熱，冬季風(fēng)機(jī)盤(pán)管干工況運(yùn)行。內(nèi)外區(qū)新風(fēng)由同一臺(tái)新風(fēng)處理機(jī)組供給，新風(fēng)送至房間內(nèi)外區(qū)，在房間內(nèi)區(qū)排風(fēng)，保持室內(nèi)正壓。

圖1 房間內(nèi)外分區(qū)圖

3 內(nèi)外區(qū)冷熱負(fù)荷計(jì)算

業(yè)主方委托設(shè)計(jì)要求，夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)23℃，55%，冬季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)22℃，40%，新風(fēng)量50m3/(人·h)，人員密度15m2/人，辦公設(shè)備散熱量300W/人，照明功率密度值15W/m2[1]。夏季內(nèi)區(qū)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)同外區(qū)，冬季內(nèi)區(qū)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度采用24℃，比外區(qū)高2℃，避免對(duì)外區(qū)造成熱負(fù)荷，出現(xiàn)冷熱抵消現(xiàn)象。內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷主要包括人員、照明、辦公設(shè)備散熱形成冷負(fù)荷，冬季內(nèi)區(qū)風(fēng)盤(pán)干工況運(yùn)行，室內(nèi)供冷負(fù)荷應(yīng)按房間冬季顯熱負(fù)荷確定，不應(yīng)采用夏季工況時(shí)的負(fù)荷值。經(jīng)計(jì)算，夏季外區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷最大值為7.69kW，余濕1.11kg/h，冬季熱負(fù)荷3.86kW，余濕1.06 kg/h；夏季內(nèi)區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷最大值為4.2kW，余濕1.11kg/h，冷負(fù)荷指標(biāo)40W/m2，冬季逐時(shí)冷負(fù)荷最大值3.47kW，余濕1.18kg/h，冷負(fù)荷指標(biāo)33W/m2。

4 內(nèi)外區(qū)冬夏季空氣處理理論過(guò)程

夏季新風(fēng)處理到室內(nèi)等焓狀態(tài)，不承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷。冬季新風(fēng)送風(fēng)溫度一般不應(yīng)高于外區(qū)的設(shè)計(jì)溫度，取外區(qū)設(shè)計(jì)溫度22℃，以負(fù)擔(dān)內(nèi)區(qū)一部分室內(nèi)冷負(fù)荷，內(nèi)區(qū)風(fēng)機(jī)盤(pán)管承擔(dān)冷負(fù)荷為房間冷負(fù)荷減去新風(fēng)承擔(dān)冷負(fù)荷。新風(fēng)加濕采用高壓微霧加濕，加濕為等焓過(guò)程。

從圖2和圖3可以看出，夏季內(nèi)區(qū)熱濕比小于外區(qū)的熱濕比，內(nèi)區(qū)風(fēng)機(jī)盤(pán)管出風(fēng)溫度11.1℃低于外區(qū)風(fēng)機(jī)盤(pán)管出風(fēng)溫度13.7℃。

圖2 外區(qū)夏季空氣處理過(guò)程焓濕圖

圖3 內(nèi)區(qū)夏季空氣處理過(guò)程焓濕圖

冬季內(nèi)區(qū)供冷，外區(qū)供熱，通過(guò)圖4計(jì)算出冬季外區(qū)新風(fēng)送風(fēng)參數(shù)，假如內(nèi)區(qū)也送相同參數(shù)的新風(fēng)，從圖5可以看出，從混合點(diǎn)S沿內(nèi)區(qū)熱濕比線與等溫線24℃交點(diǎn)N’的含濕量7.609g/(kg·干空氣)稍大于室內(nèi)設(shè)計(jì)點(diǎn)N的含濕量7.502g/(kg·干空氣)，N’點(diǎn)焓值43.605kJ/(kg·干空氣)稍大于N點(diǎn)焓值43.334 kJ/(kg·干空氣)，風(fēng)機(jī)盤(pán)管出風(fēng)溫度13.5℃。經(jīng)過(guò)以上分析，內(nèi)外區(qū)冬夏共用一套新風(fēng)處理機(jī)組，送風(fēng)參數(shù)相同，能夠滿足內(nèi)外區(qū)室內(nèi)設(shè)計(jì)要求。

圖4 外區(qū)冬季空氣處理過(guò)程焓濕圖

圖5 內(nèi)區(qū)冬季空氣處理過(guò)程焓濕圖

經(jīng)圖3和圖5計(jì)算，內(nèi)區(qū)風(fēng)機(jī)盤(pán)管風(fēng)量為723m3/h，因該樓位于北京金融街，建成后主要出租辦公，考慮到以后房間裝修分隔等不確定性因素，內(nèi)區(qū)每結(jié)構(gòu)跨度內(nèi)設(shè)兩臺(tái)風(fēng)盤(pán)，風(fēng)機(jī)盤(pán)管按照夏季工況選擇，應(yīng)按照風(fēng)機(jī)中檔運(yùn)行考慮，內(nèi)區(qū)共選擇6臺(tái)型號(hào)MCW200BC3的風(fēng)機(jī)盤(pán)管，中檔風(fēng)量250m3/h，全冷量1.37kW，顯冷量0.87kW。風(fēng)盤(pán)選型后，重新校核風(fēng)盤(pán)夏季出風(fēng)溫度15℃，冬季出風(fēng)溫度19℃，均高于對(duì)應(yīng)室內(nèi)露點(diǎn)溫度13.5℃，9.6℃，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

5 冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該辦公樓夏季內(nèi)外區(qū)均由制冷機(jī)組提供空調(diào)冷水，冬季內(nèi)區(qū)由冷卻塔供冷，一般采用開(kāi)式冷卻塔間接供冷。夏季冷負(fù)荷6240kW，冬季內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷為935kW。冷凍機(jī)配置為2臺(tái)制冷量2800kW的離心制冷機(jī)，1臺(tái)制冷量1020kW的螺桿制冷機(jī)，螺桿制冷機(jī)的制冷量約為36%，當(dāng)1臺(tái)離心制冷機(jī)組冷量減少至30%，制冷效率下降，此時(shí)關(guān)閉離心制冷機(jī)組開(kāi)啟螺桿制冷機(jī)。2臺(tái)流量675m3/h大開(kāi)式逆流冷卻塔（對(duì)應(yīng)兩臺(tái)離心制冷機(jī)），一臺(tái)流量250m3/h小開(kāi)式逆流冷卻塔（對(duì)應(yīng)螺桿制冷機(jī)）；兩臺(tái)630m3/h冷卻水泵（對(duì)應(yīng)兩臺(tái)離心制冷機(jī)），1臺(tái)流量240m3/h冷卻水泵（對(duì)應(yīng)螺桿制冷機(jī)）。

冷卻塔供冷系統(tǒng)冷源側(cè)原理圖見(jiàn)圖6，經(jīng)計(jì)算風(fēng)機(jī)盤(pán)管所需冷水的供回水溫度tl1/tl2為14/18.2℃，溫差4.2℃，詳細(xì)計(jì)算公式較復(fù)雜，可參考文獻(xiàn)[2]。對(duì)應(yīng)流量250m3/h小冷卻塔的冷卻水泵流量230m3/h，根據(jù)公式Q=1.163Gc△tc，計(jì)算出△tc為3.5℃，小于風(fēng)盤(pán)供回水溫差4.2℃，冷卻塔低溫冷水供水溫度tc1=tl1-△tx，△tx為板式換熱器溫差較小端一二次介質(zhì)溫差（℃），宜取1～2℃，tc1為12℃，tc2為15.5℃。根據(jù)小冷卻塔流量比100%的特性曲線圖7，可以查得對(duì)應(yīng)低溫冷卻水溫度tc1為12℃，供回水溫差△tc為3.5℃時(shí)，室外空氣濕球溫度為5℃，滿足《北京市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB11/687-2009節(jié)能規(guī)范濕球溫度不低于5℃要求。

圖6 冷卻塔供冷系統(tǒng)冷源側(cè)原理圖

圖7 冷卻塔特性曲線圖

低溫冷卻水溫度不應(yīng)低于5℃，控制在不凍結(jié)溫度以上，低溫冷卻水溫度較低（例如6℃）時(shí)冷卻塔風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，升高至某溫度（低于最高設(shè)計(jì)溫度）時(shí)恢復(fù)運(yùn)行。在冬季使用的小冷卻塔供回水管道之間設(shè)旁通管和溫控電動(dòng)旁通閥，在冷卻塔進(jìn)出水管上設(shè)置電動(dòng)閥，溫控電動(dòng)旁通閥的動(dòng)作溫度設(shè)定值為5℃，溫控電動(dòng)旁通閥和冷卻塔進(jìn)出水管電動(dòng)閥以相反的開(kāi)閉狀態(tài)聯(lián)鎖動(dòng)作，當(dāng)冷卻塔風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行后出水溫度仍然過(guò)低（低于5℃）時(shí)打開(kāi)溫控電動(dòng)旁通閥，關(guān)閉冷卻塔進(jìn)出水管上電動(dòng)閥，升高至某溫度（低于風(fēng)機(jī)恢復(fù)運(yùn)行溫度）時(shí)閥門(mén)相反動(dòng)作，使水溫維持在允許范圍內(nèi)。

6 設(shè)計(jì)總結(jié)

本文結(jié)合具體工程實(shí)例，設(shè)計(jì)了冷卻塔冬季供冷系統(tǒng)，筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）要注意分析計(jì)算內(nèi)外區(qū)冬夏空調(diào)負(fù)荷，內(nèi)區(qū)有穩(wěn)定余熱。內(nèi)區(qū)冬夏季負(fù)荷不同，冬季內(nèi)區(qū)風(fēng)盤(pán)按干工況運(yùn)行，室內(nèi)供冷負(fù)荷應(yīng)按房間冬季顯熱負(fù)荷確定，不應(yīng)采用夏季工況時(shí)的負(fù)荷值。

2）幾個(gè)溫度值的確定，首先，冬季內(nèi)區(qū)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度應(yīng)比外區(qū)高2℃，避免對(duì)外區(qū)造成熱負(fù)荷，出現(xiàn)冷熱抵消現(xiàn)象。其次，新風(fēng)送風(fēng)溫度的確定，冬季新風(fēng)送風(fēng)溫度一般不應(yīng)高于外區(qū)采暖房間的設(shè)計(jì)溫度，以負(fù)擔(dān)內(nèi)區(qū)一部分室內(nèi)冷負(fù)荷。再次，冷卻塔低溫冷卻水供回水溫差△tc，△tc不應(yīng)過(guò)大，以盡量提高能夠滿足要求的室外濕球溫度tw，tw不低于5℃，以延長(zhǎng)冷卻塔供冷時(shí)間；不宜小于2℃，以防止循環(huán)流量Gc過(guò)大，消耗水泵能耗過(guò)多；應(yīng)考慮設(shè)備配置中能夠采用的低溫冷卻水循環(huán)泵對(duì)溫差的限制。

3）冷卻塔的防凍設(shè)計(jì)與控制，由于冷卻塔在冬季利用時(shí)，室外空氣溫度較低，因此冷卻塔防凍設(shè)計(jì)與控制十分重要。

[1]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.建筑照明設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50034-2004)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004

[2]北京市建筑設(shè)計(jì)研究院.北京地區(qū)冷卻塔供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2011

Applic a tion of Cooling Tow e r Wa te r Sys te m in Fina nc ia l Stre e t E9 Offic e Building

MA Ming-zhu
Beijing Institute of Architectural Design

The paper introduces inner and outer zone partition and system selection of air conditioning room in office building,calculates cooling load and heating load,analyzes air handling process of inner and outer zone in the summer and winter,designs cooling tower water system,finally,summarizes some experience on cooling tower water system design.

outer zone,inner zone,cooling tower water system

1003-0344（2014）04-093-3

2013-7-8

馬明珠（1982～），男，碩士，工程師；北京市西城區(qū)南禮士路62號(hào)北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司（100045）；010-88042680；E-mail:mmz198358@163.com