马明珠

冷却塔供冷系统在金融街E 9办公楼中的应用

马明珠

北京市建筑设计研究院有限公司

介绍了办公楼空调房间内外区的划分与系统选择，计算了空调房间内区和外区空调负荷，分析了冬夏季内外区空气处理过程，设计了内区冬季冷却塔供冷系统，最后总结几点设计体会。

外区内区冷却塔供冷

1 工程概况

该项目位于北京市西城区金融街E区，西起华嘉小学，东至锦什坊街，北起白塔寺变电站，南至华嘉胡同。建筑面积约为83591.83m2，地上11层，地下4层，建筑高度51.5m。建筑主要功能为办公、地下车库及附属配套设施，使用性质为出租办公楼。

2 空调内外区的划分与系统选择

现代办公楼体量不断加大，房间进深越来越深，面积越来越大，导致靠近外围护结构的外区夏季需供冷，冬季需供热，而内区常年有稳定的余热，需常年供冷。以某房间（图1）为例，进深10m，距外围护结构5m范围为外区，其余为内区，外区面积105m2，内区105m2。

空调系统采用风机盘管加新风系统，外区采用四管制空调水系统，风机盘管机组同时设置冷水盘管和热水盘管，夏季供冷，冬季供热。内区采用两管制，风机盘管机组只设置冷水盘管，常年供冷，解决内区过热，冬季风机盘管干工况运行。内外区新风由同一台新风处理机组供给，新风送至房间内外区，在房间内区排风，保持室内正压。

图1 房间内外分区图

3 内外区冷热负荷计算

业主方委托设计要求，夏季空调室内设计参数23℃，55%，冬季空调室内设计参数22℃，40%，新风量50m3/(人·h)，人员密度15m2/人，办公设备散热量300W/人，照明功率密度值15W/m2[1]。夏季内区室内设计参数同外区，冬季内区室内设计温度采用24℃，比外区高2℃，避免对外区造成热负荷，出现冷热抵消现象。内区冷负荷主要包括人员、照明、办公设备散热形成冷负荷，冬季内区风盘干工况运行，室内供冷负荷应按房间冬季显热负荷确定，不应采用夏季工况时的负荷值。经计算，夏季外区逐时冷负荷最大值为7.69kW，余湿1.11kg/h，冬季热负荷3.86kW，余湿1.06 kg/h；夏季内区逐时冷负荷最大值为4.2kW，余湿1.11kg/h，冷负荷指标40W/m2，冬季逐时冷负荷最大值3.47kW，余湿1.18kg/h，冷负荷指标33W/m2。

4 内外区冬夏季空气处理理论过程

夏季新风处理到室内等焓状态，不承担室内冷负荷。冬季新风送风温度一般不应高于外区的设计温度，取外区设计温度22℃，以负担内区一部分室内冷负荷，内区风机盘管承担冷负荷为房间冷负荷减去新风承担冷负荷。新风加湿采用高压微雾加湿，加湿为等焓过程。

从图2和图3可以看出，夏季内区热湿比小于外区的热湿比，内区风机盘管出风温度11.1℃低于外区风机盘管出风温度13.7℃。

图2 外区夏季空气处理过程焓湿图

图3 内区夏季空气处理过程焓湿图

冬季内区供冷，外区供热，通过图4计算出冬季外区新风送风参数，假如内区也送相同参数的新风，从图5可以看出，从混合点S沿内区热湿比线与等温线24℃交点N’的含湿量7.609g/(kg·干空气)稍大于室内设计点N的含湿量7.502g/(kg·干空气)，N’点焓值43.605kJ/(kg·干空气)稍大于N点焓值43.334 kJ/(kg·干空气)，风机盘管出风温度13.5℃。经过以上分析，内外区冬夏共用一套新风处理机组，送风参数相同，能够满足内外区室内设计要求。

图4 外区冬季空气处理过程焓湿图

图5 内区冬季空气处理过程焓湿图

经图3和图5计算，内区风机盘管风量为723m3/h，因该楼位于北京金融街，建成后主要出租办公，考虑到以后房间装修分隔等不确定性因素，内区每结构跨度内设两台风盘，风机盘管按照夏季工况选择，应按照风机中档运行考虑，内区共选择6台型号MCW200BC3的风机盘管，中档风量250m3/h，全冷量1.37kW，显冷量0.87kW。风盘选型后，重新校核风盘夏季出风温度15℃，冬季出风温度19℃，均高于对应室内露点温度13.5℃，9.6℃，不会出现结露现象。

5 冷源系统设计

该办公楼夏季内外区均由制冷机组提供空调冷水，冬季内区由冷却塔供冷，一般采用开式冷却塔间接供冷。夏季冷负荷6240kW，冬季内区冷负荷为935kW。冷冻机配置为2台制冷量2800kW的离心制冷机，1台制冷量1020kW的螺杆制冷机，螺杆制冷机的制冷量约为36%，当1台离心制冷机组冷量减少至30%，制冷效率下降，此时关闭离心制冷机组开启螺杆制冷机。2台流量675m3/h大开式逆流冷却塔（对应两台离心制冷机），一台流量250m3/h小开式逆流冷却塔（对应螺杆制冷机）；两台630m3/h冷却水泵（对应两台离心制冷机），1台流量240m3/h冷却水泵（对应螺杆制冷机）。

冷却塔供冷系统冷源侧原理图见图6，经计算风机盘管所需冷水的供回水温度tl1/tl2为14/18.2℃，温差4.2℃，详细计算公式较复杂，可参考文献[2]。对应流量250m3/h小冷却塔的冷却水泵流量230m3/h，根据公式Q=1.163Gc△tc，计算出△tc为3.5℃，小于风盘供回水温差4.2℃，冷却塔低温冷水供水温度tc1=tl1-△tx，△tx为板式换热器温差较小端一二次介质温差（℃），宜取1～2℃，tc1为12℃，tc2为15.5℃。根据小冷却塔流量比100%的特性曲线图7，可以查得对应低温冷却水温度tc1为12℃，供回水温差△tc为3.5℃时，室外空气湿球温度为5℃，满足《北京市公共建筑节能设计标准》DB11/687-2009节能规范湿球温度不低于5℃要求。

图6 冷却塔供冷系统冷源侧原理图

图7 冷却塔特性曲线图

低温冷却水温度不应低于5℃，控制在不冻结温度以上，低温冷却水温度较低（例如6℃）时冷却塔风机停止运行，升高至某温度（低于最高设计温度）时恢复运行。在冬季使用的小冷却塔供回水管道之间设旁通管和温控电动旁通阀，在冷却塔进出水管上设置电动阀，温控电动旁通阀的动作温度设定值为5℃，温控电动旁通阀和冷却塔进出水管电动阀以相反的开闭状态联锁动作，当冷却塔风机停止运行后出水温度仍然过低（低于5℃）时打开温控电动旁通阀，关闭冷却塔进出水管上电动阀，升高至某温度（低于风机恢复运行温度）时阀门相反动作，使水温维持在允许范围内。

6 设计总结

本文结合具体工程实例，设计了冷却塔冬季供冷系统，笔者认为设计时应注意以下几点：

1）要注意分析计算内外区冬夏空调负荷，内区有稳定余热。内区冬夏季负荷不同，冬季内区风盘按干工况运行，室内供冷负荷应按房间冬季显热负荷确定，不应采用夏季工况时的负荷值。

2）几个温度值的确定，首先，冬季内区室内设计温度应比外区高2℃，避免对外区造成热负荷，出现冷热抵消现象。其次，新风送风温度的确定，冬季新风送风温度一般不应高于外区采暖房间的设计温度，以负担内区一部分室内冷负荷。再次，冷却塔低温冷却水供回水温差△tc，△tc不应过大，以尽量提高能够满足要求的室外湿球温度tw，tw不低于5℃，以延长冷却塔供冷时间；不宜小于2℃，以防止循环流量Gc过大，消耗水泵能耗过多；应考虑设备配置中能够采用的低温冷却水循环泵对温差的限制。

3）冷却塔的防冻设计与控制，由于冷却塔在冬季利用时，室外空气温度较低，因此冷却塔防冻设计与控制十分重要。

[1]中国建筑科学研究院.建筑照明设计规范(GB50034-2004)[S].北京:中国建筑工业出版社,2004

[2]北京市建筑设计研究院.北京地区冷却塔供冷系统设计指南[M].北京:中国计划出版社,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

马明珠（1982～），男，硕士，工程师；北京市西城区南礼士路62号北京市建筑设计研究院有限公司（100045）；010-88042680；E-mail:mmz198358@163.com