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，計算了空調(diào)房間內(nèi)區(qū)和外區(qū)空調(diào)負荷，分析了冬夏季內(nèi)外區(qū)空氣處理過程，設(shè)計了內(nèi)區(qū)冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)，最后總結(jié)幾點設(shè)計體會。

外區(qū)內(nèi)區(qū)冷卻塔供冷

1 工程概況

該項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，房間進深越來越深，面積越來越大，導(dǎo)致靠近外圍護結(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，進深10m，距外圍護結(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)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，外區(qū)采用四管制空調(diào)水系統(tǒng)，風(fēng)機盤管機組同時設(shè)置冷水盤管和熱水盤管，夏季供冷，冬季供熱。內(nèi)區(qū)采用兩管制，風(fēng)機盤管機組只設(shè)置冷水盤管，常年供冷，解決內(nèi)區(qū)過熱，冬季風(fēng)機盤管干工況運行。內(nèi)外區(qū)新風(fēng)由同一臺新風(fēng)處理機組供給，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)冷熱負荷計算

業(yè)主方委托設(shè)計要求，夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)23℃，55%，冬季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(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)計參數(shù)同外區(qū)，冬季內(nèi)區(qū)室內(nèi)設(shè)計溫度采用24℃，比外區(qū)高2℃，避免對外區(qū)造成熱負荷，出現(xiàn)冷熱抵消現(xiàn)象。內(nèi)區(qū)冷負荷主要包括人員、照明、辦公設(shè)備散熱形成冷負荷，冬季內(nèi)區(qū)風(fēng)盤干工況運行，室內(nèi)供冷負荷應(yīng)按房間冬季顯熱負荷確定，不應(yīng)采用夏季工況時的負荷值。經(jīng)計算，夏季外區(qū)逐時冷負荷最大值為7.69kW，余濕1.11kg/h，冬季熱負荷3.86kW，余濕1.06 kg/h；夏季內(nèi)區(qū)逐時冷負荷最大值為4.2kW，余濕1.11kg/h，冷負荷指標(biāo)40W/m2，冬季逐時冷負荷最大值3.47kW，余濕1.18kg/h，冷負荷指標(biāo)33W/m2。

4 內(nèi)外區(qū)冬夏季空氣處理理論過程

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)計溫度，取外區(qū)設(shè)計溫度22℃，以負擔(dān)內(nèi)區(qū)一部分室內(nèi)冷負荷，內(nèi)區(qū)風(fēng)機盤管承擔(dān)冷負荷為房間冷負荷減去新風(fēng)承擔(dān)冷負荷。新風(fēng)加濕采用高壓微霧加濕，加濕為等焓過程。

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)機盤管出風(fēng)溫度11.1℃低于外區(qū)風(fēng)機盤管出風(fēng)溫度13.7℃。

圖2 外區(qū)夏季空氣處理過程焓濕圖

圖3 內(nèi)區(qū)夏季空氣處理過程焓濕圖

冬季內(nèi)區(qū)供冷，外區(qū)供熱，通過圖4計算出冬季外區(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S沿內(nèi)區(qū)熱濕比線與等溫線24℃交點N’的含濕量7.609g/(kg·干空氣)稍大于室內(nèi)設(shè)計點N的含濕量7.502g/(kg·干空氣)，N’點焓值43.605kJ/(kg·干空氣)稍大于N點焓值43.334 kJ/(kg·干空氣)，風(fēng)機盤管出風(fēng)溫度13.5℃。經(jīng)過以上分析，內(nèi)外區(qū)冬夏共用一套新風(fēng)處理機組，送風(fēng)參數(shù)相同，能夠滿足內(nèi)外區(qū)室內(nèi)設(shè)計要求。

圖4 外區(qū)冬季空氣處理過程焓濕圖

圖5 內(nèi)區(qū)冬季空氣處理過程焓濕圖

經(jīng)圖3和圖5計算，內(nèi)區(qū)風(fēng)機盤管風(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)兩臺風(fēng)盤，風(fēng)機盤管按照夏季工況選擇，應(yīng)按照風(fēng)機中檔運行考慮，內(nèi)區(qū)共選擇6臺型號MCW200BC3的風(fēng)機盤管，中檔風(fēng)量250m3/h，全冷量1.37kW，顯冷量0.87kW。風(fēng)盤選型后，重新校核風(fēng)盤夏季出風(fēng)溫度15℃，冬季出風(fēng)溫度19℃，均高于對應(yīng)室內(nèi)露點溫度13.5℃，9.6℃，不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

5 冷源系統(tǒng)設(shè)計

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

冷卻塔供冷系統(tǒng)冷源側(cè)原理圖見圖6，經(jīng)計算風(fēng)機盤管所需冷水的供回水溫度tl1/tl2為14/18.2℃，溫差4.2℃，詳細計算公式較復(fù)雜，可參考文獻[2]。對應(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，計算出△tc為3.5℃，小于風(fēng)盤供回水溫差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，可以查得對應(yīng)低溫冷卻水溫度tc1為12℃，供回水溫差△tc為3.5℃時，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℃）時冷卻塔風(fēng)機停止運行，升高至某溫度（低于最高設(shè)計溫度）時恢復(fù)運行。在冬季使用的小冷卻塔供回水管道之間設(shè)旁通管和溫控電動旁通閥，在冷卻塔進出水管上設(shè)置電動閥，溫控電動旁通閥的動作溫度設(shè)定值為5℃，溫控電動旁通閥和冷卻塔進出水管電動閥以相反的開閉狀態(tài)聯(lián)鎖動作，當(dāng)冷卻塔風(fēng)機停止運行后出水溫度仍然過低（低于5℃）時打開溫控電動旁通閥，關(guān)閉冷卻塔進出水管上電動閥，升高至某溫度（低于風(fēng)機恢復(fù)運行溫度）時閥門相反動作，使水溫維持在允許范圍內(nèi)。

6 設(shè)計總結(jié)

本文結(jié)合具體工程實例，設(shè)計了冷卻塔冬季供冷系統(tǒng)，筆者認為設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點：

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

2）幾個溫度值的確定，首先，冬季內(nèi)區(qū)室內(nèi)設(shè)計溫度應(yīng)比外區(qū)高2℃，避免對外區(qū)造成熱負荷，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)計溫度，以負擔(dān)內(nèi)區(qū)一部分室內(nèi)冷負荷。再次，冷卻塔低溫冷卻水供回水溫差△tc，△tc不應(yīng)過大，以盡量提高能夠滿足要求的室外濕球溫度tw，tw不低于5℃，以延長冷卻塔供冷時間；不宜小于2℃，以防止循環(huán)流量Gc過大，消耗水泵能耗過多；應(yīng)考慮設(shè)備配置中能夠采用的低溫冷卻水循環(huán)泵對溫差的限制。

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

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

[2]北京市建筑設(shè)計研究院.北京地區(qū)冷卻塔供冷系統(tǒng)設(shè)計指南[M].北京:中國計劃出版社,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號北京市建筑設(shè)計研究院有限公司（100045）；010-88042680；E-mail:mmz198358@163.com