冷却塔供冷技术在分布式能源项目中的应用

冷却塔供冷技术是指冬季建筑物需供应空调冷水时，不开启冷水机组等制冷设备，而是采用为冷水机组配置的冷却水系统，通过冷却塔与室外低温空气进行换热，获取低温冷却水，为空调提供冷量的技术。冷却塔供冷技术作为一种日益成熟的节能技术，在大型公共建筑集中空调系统中得到了广泛的应用。

在燃气冷热电联产的分布式能源项目中，制冷设备包括余热型溴化锂机组、直燃型溴化锂机组、电制冷机等，这些设备夏季制冷时均需采用冷却塔散热，这为实现冷却塔供冷提供了条件。本文以丰台产业园项目为例，分析该技术在分布式能源项目中的推广应用。

1.冷却塔供冷技术及原理

冷却塔供冷可以采用闭式冷却塔，也可采用开式冷却塔，由于闭式冷却塔的造价为开式冷却塔的4-6倍，所以选用开式的较多。开式冷却塔供冷分为直接供冷和间接供冷2种，在实际应用中，由于直接式供冷系统管路设计有太多的限制，应用很少，而间接冷却水环路和冷水环路相互独立，可保证冷水管路的卫生条件，实际应用较多。开式冷却塔间接供冷系统采用开式冷却塔通过换热器进行一次换热，间接向建筑物内区风机盘管供冷，主要设备包括：冷却塔、低温冷却水循环泵、换热器、空调冷水循环泵、风机盘管。间接供冷系统原理如图1所示。

丰台产业园能源站项目采用了开式冷却塔间接供冷技术。

2.丰台产业园项目冷却塔供冷系统

2.1项目概况

丰台产业园位于北京市丰台区花乡四合庄中关村科技园东区三期1516-19号地内。其中的华电产业园地上建筑面积约17万㎡，地下建筑面积约8万㎡，具有集中的冷热电负荷需求。园区内建有天然气冷热电三联供分布式能源站，对该区供电、供冷、供暖及供生活热水。能源站的装机方案为：2台JMS620型3.3MW燃气内燃机组加2台2.9MW烟气热水型溴化锂机组加2台3.5MW直燃型溴化锂机组加2台1.8MW水冷螺杆式电制冷机组。

丰台产业园建筑群内分散设置的网络机房、数据机房冬季的最大冷负荷为1531KW，数据机房的负荷为常年负荷。原设计设置了专门的闭式冷却塔供冷系统为网络机房冬季供冷。后经论证，取消了该供冷系统，采用分布式能源站中已设置的开式冷却塔实现冬季对网络机房的供冷。

2.2冷却塔供冷系统设计原则

1)冷却塔供冷按冬季最大供冷负荷1531KW设计。

2)冷却塔供冷系统的设计使用时间为2个月(12月初至次年1月底)，冷却塔一次侧循环水的进出口设定温度为9℃-14℃。

3)冷却塔供冷与电制冷机供冷切换运行，冬季电制冷机作为备用冷源。

2．3冷却塔设备选择

能源站中，烟气热水溴化锂机组、直燃型溴化锂机组、电制冷机与冷却塔均采用一对一的模式，即1台制冷设备采用1套冷却塔(1套冷却塔指2台相同的冷却塔)。单台冷却塔的循环水流量分别为300，250，250t／h，5℃温差时的换热能力分别为1748，1456，1456KW。

综合考虑冬季供冷对网络机房运行的重要性、冷却塔散热量、网络机房负荷匹配等问题，采用电制冷机冷却塔实现供冷，因此，在设备采购时，考虑了电制冷机冷却塔的冬季运行，采用了防冻措施。4台冷却塔的总换热能力为5825kW，远大于冬季冷却塔供冷需要的换热量1531kW。

与常规仅需要夏季供冷的开式冷却塔相比较，为实现冷却塔的冬季运行，开式冷却塔至少需做以下几项改型设计：1)100％负荷时冷却塔的效率不低于105％；2)填料外侧进风处达到95％以上的淋水满足率；3)水盆加电伴热，出水管处加电伴热；4)裸露于环境中的水管需采取保温措施。

若冬季换热量与夏季相当，同厂家的同款冷却塔的造价会增加40％以上。在原设计中，冬季网络机房的冷负荷由能源站内的电制冷机承担，电制冷机配套使用的冷却塔需考虑防冻，而冷却塔供冷是通过电制冷机冷却塔实现的，因此，实现冬季冷却塔供冷基本上不需要增加额外的改造投资。

2．4集成化换热机组选型

冷却塔供冷系统除了冷却塔外，最为核心的辅助设备为换热器与泵组。考虑到园区内网络机房冷负荷随大楼的入住率提高逐步增大，设置2台相同型号的换热器、2台相同型号的一次侧水泵与2台相同型号的二次侧水泵。受场地限制，为减少占地面积，根据项目情况选用集成化换热机组，该设备集成了板式换热器与泵组及主要的阀门仪表，占地小，系统协同性好，但投资比分散设备高。

丰台产业园分布式能源站冷却塔供冷系统示意图见图2。

3.投资及经济性分析

3.1系统投资

增设冷却塔供冷系统后，与原先的系统相比，整个系统需增加的投资如表1所示。

关于投资费用说明如下：由于能源站原设计未考虑冷却塔供冷系统，增设冷却塔供冷系统后，需增设8个阀门———在电制冷机DN400的循环冷却水供回水管道上设置电动蝶阀2个；在集成化板式换热器DN250冷却循环水供回水管道上设置电动蝶阀2个；在电制冷机DN300的冷水供回水管道上设置电动蝶阀2个；在集成化板式换热机组DN200空调冷水供回水管道上设置手动蝶阀2个。其中，2个手动蝶阀由集成化板式换热机组空.

调供回水管厂家提供，设置在2层钢平台上，方便手动操作；其余6个阀门只能设置在管路的较高位置，为了便于操作，需采用电动阀门，增加了阀门的投资。由于能源站的场地紧张，集成化板式换热机组布置在电制冷机上方增设的2层钢平台上。电制冷机的电控柜位于集成化板式换热机组下方，为保证防水效果，2层钢平台采用钢筋水泥板，设有排水槽。常规的冷却塔供冷系统不需要此部分投资。

3.2节能及经济性分析

3.2.1节能分析

节能计算条件如下：供冷期为62d(12月1日到次年1月31日)；网络机房的负荷很稳定,供冷平均满负荷率按95％计算；考虑电制冷机的辅助设备等耗电，制冷COP按4.2考虑。冷却塔供冷与常规供冷的运行能耗对比如表2所示。冷却塔供冷的节能率接近90％。

3.2.2经济性分析

冷却塔供冷是一种“免费供冷”技术，主要的经济效益体现在节省用电量上。北京的能源价格为：电价0.8068元／(kW*h)(峰谷平均电价)；水价6.21元／t。冬季采用冷却塔供冷与电制冷机供冷2种方式的经济性对比如表3所示。

4.案例分析

丰台产业园网络机房原设计采用闭式冷却塔供冷方式，经分析论证可知，冬季网络机房冷负荷低于电制冷机冷却塔的换热量，且冷却塔有冬季运行的需要，已考虑了冬季防冻，已有的冷却塔设备不需要增加冬季运行的改造费用。所以改为利用电制冷机现有的开式冷却塔供冷。

经测算冷却塔供冷的静态投资回收年限为4.44a，常规的冷却塔供冷系统的回收年限为2～3a。主要原因是未在能源站规划设计阶段考虑冷却塔供冷系统，造成了投资的显著增加，例如增加了2层钢平台的费用(丰台产业园能源站在初步阶段未考虑冷却塔供冷技术，在施工图阶段，考虑将集成化板式换热机组设置在电制冷机上方的2层钢平台，钢平台投资1.1万元，占总投资的6％)，增加了投资回收期。

分布式能源系统增设冷却塔供冷系统后，投资中最主要部分是集成化板式换热设备投资，占42％，其次是系统增设阀门的投资，占29％。

产业园项目位于丰台，考虑北京的气候，冷却塔供冷时间可达2个月左右。经测算分析，投资可在4.44a左右回收。事实上还存在优化的空间。可见冷却塔供冷有较好的经济性。

5.结论

5.1当分布式能源项目有稳定的冬季冷负荷，且存在足够的冬季闲置冷却塔设备时，可考虑采用冷却塔供冷技术。

5.2冷却塔供冷需与能源站综合考虑，预留合适的设备布置位置。为节省占地，适合采用集成化板式换热机组。

5.3在分布式能源项目中采用冷却塔供冷，与常规的冷却塔供冷相比，投资将增加，其中，集成化板式换热机组投资约占总投资的40％，系统增设阀门投资约占总投资的30％。

5.4冷却塔供冷技术经济性好，适合在分布式能源项目中推广，但需要在项目规划前期考虑，以预留条件，降低投资。

作者为：华电分布式能源工程技术有限公司和彬彬张珍李和平宋洪涛