陈昉
深圳万物商企物业服务有限公司 100107
摘要：
中央空调水系统中，很多增加了免费制冷的板式换热器设备，作为过渡季时制冷使用。通常认为在过渡季时室外空气温度较低，可以使用冷却塔、板换进行免费制冷，获取冷冻水；从而减少冷水机组的开启，达到节能的目的。但就笔者在很多项目调研时看到，很多免费制冷设备并没有使用，或使用时间非常短；没有达到设计目的。设备增加了初投资，但利用率过低，非常不经济。基于此点，本文首先介绍了板式换热器形式的免费制冷系统的工作原理，，并在此基础上分析了对于不同的系统的不同应用特点对于该系统的取舍，希望在设计或规划初期，能够起到帮助分析的作用。
关键词：中央空调水系统；免费制冷；板式换热器系统
前言
随着节能的需求不断提高，中央空调系统中的节能方法越来越多地应用。对于过渡季的制冷需求，可以采用加大新风量，采用冷却塔供冷（有时也成为过渡季免费制冷）等措施来节约能耗。但对于冷却塔供冷，在特定的使用情况下可以达到良好的使用效果，对于不同的建筑、不同的使用要求以及不同的地理位置，需要进行详细的分析。在很多情况下，特别对于写字楼、商场等并不适用这种方式。
1.冷却塔供冷的原理
冷却塔供冷通常指的是间接式供冷方式，即在常规空调水系统中增设板式换热器，利用板式换热器冷却水和冷冻水进行热交换，在过渡季室外空气温度比较低的情况下采用冷却塔散热，给冷冻水降温，达到供冷的目的，见下图。板式换热器作用类似于第三台冷水机组，不过只能在特定室外空气条件下使用。
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图1 冷却塔供冷原理图
从上述的情况，可以看出换热过程，存在以下温度情况：
冷冻水温度（1）>冷却水温度（2）>室外湿球温度（3），通常情况下，由于板式换热器设备参数及冷却塔设备的不同，其中1,2间的温差不同，基本在1~3℃之间，其中2,3间的温差基本在3~6℃之间。举例说明，按照1,2之间的温差为2℃，2,3之间的温差为5℃，如冷冻水供水温度为10℃时，则需要室外湿球温度在5℃以下，可以估算当时室外干球温度约在12℃左右。
几点说明：冷却塔在冬季制冷时由于蒸发活动降低，冷却塔制冷量有很大的衰减；冷却塔和板式换热器的设备参数应以具体的冷负荷及温度参数具体选型决定。
2.冷却塔供冷的需求和供应时间
冷却塔供冷是作为常规制冷系统的补充和节能手段。通常在水温能够满足制冷需求的情况下，开始逐步代替常规制冷进行制冷。
根据上文初步估算，如果需要提供10℃的冷冻水的话（本文不涉及具体设备容量问题），以北京为例，室外温度基本上要在12℃以下。对于舒适性空调系统来说，通常水温达到12~13℃以上，末端设备的制冷效果就会大打折扣，基本上不能够满足舒适性的需求。而此时的室外温度（按照上述情况类推）在15℃左右，可以作为冷源，可以使用新风直接供冷将是更好的选择。而在此温度之上，冷却塔供冷无法达到供冷水需求。
3.冷却塔供冷的使用场合
3.1冷却塔供冷使用在工业用途及数据中心
作为工业中工艺冷却水的应用，冷却塔无疑是冬季最好的选择，冬季冷却塔供冷可以取代部分冷水机组的作用，减少开机，可以大幅降低系统的能耗。
但对于过渡季供冷，则需要充分考虑冷量需求及冷水温度的要求，而且，对于常年不间断供冷的恒温工艺制冷需求，冷却塔供冷和电制冷之间的切换非常重要，由于两种制冷所需的冷却水温度不同，切换需要有良好的设备和控制系统准备。
3.2冷却塔供冷使用有四管制的高档酒店空调系统
为了提供更好更舒适的空调环境，很多高档酒店的水系统为四管制；客房采用风机盘管加新风系统；一年四季同时供应冷热水。对于酒店内区的餐饮等也起到了制冷的作用。
酒店的冬季和过渡季对冷水的需求量并不大，以北京某五星级酒店（该酒店已运行20余年）为例，通常使用时间为每年11月~3月（气温在10℃以下），由于冬季没有除湿需求，使用时对于冷水温度的要求也并不高，通常在12℃左右。
对于该酒店，部分区域特别是内区和部分客房，新风量不足以提供制冷需求，冬季采用冷却塔供冷是一个不错的选择。
3.3冷却塔供冷使用在办公楼的舒适性空调系统
在办公楼的空调系统中，对于冬季制冷、过渡季供冷是有一定需求的，由于南北向日照的不同，西晒问题，同一层办公楼内温度差异会非常大，需要部分区域供冷。
办公楼使用的空调系统也对冷却塔供冷有一些限制。通常在办公楼使用中，夏季采用冷水机组供冷，单层比较小的系统，由于冬季供冷需求比较小，通常只对过渡季冷却塔供冷有一定需求。
此类建筑建议不配置冷却塔供冷设备。
3.3.1采用风机盘管+新风空调系统的办公楼
采用风机盘管+新风空调系统的办公楼，是一种非常常见的系统。大多数水系统使用的是两管制设备，在过渡季无法满足同时满足冷热需求，无法采用冷却塔供冷。
采用四管制系统风机盘管系统非常少，当然使用四管制的系统可以同时满足冷热需求，可以使用冷却塔供冷在过渡季时降低能耗。
但是通过上述分析，如果仅在过渡季有制冷需求的情况，由于供水温度的限制，建议不配置冷却塔供冷设备，如果有冬季供冷的需求可以配置。不过由于冬季制冷的需求非常小，在冬季供冷时，系统循环泵能耗、冷却塔能耗增加，需要在经济性上进行进一步考虑。
3.3.2采用VAV系统的办公楼
VAV系统的特点是能够很好地利用新风，在过渡季时，利用新风是一个较为简洁，而且更为节能的方式。而且对于现在的大部分建筑，新风量配置较大，在管路、控制等方面都有较高的配置，可以达到良好的送风效果。
对于通常的VAV系统，在过渡季通常也存在上述的水温达不到要求的问题，而在室外温度较低时，可以充分利用新风，因此对于VAV空调系统建议不配置冷却塔供冷系统。
3.4冷却塔供冷使用在购物中心的舒适性空调系统
购物中心通常体量较大，而且单层面积大，上面楼层的中间区域在冬夏都会比较热。但但由于现在购物中心通常在高楼层设置餐厅较多，餐厅的排烟风量很大，造成此区域通常为负压，空气流动较快，实际当中没有特别热，而且笔者实际勘查的一个项目，在冬季和过渡季时，高楼层供暖量很少（采用空气处理机组供暖，基本不供暖），此区域温度尚可。
对于购物中心，运行当中对于冬季、过渡季制冷有需求，但大部分已经能够满足要求。冬季制冷需求量不大，过渡季制冷也会遇到上述的水温达不到要求的问题。
因此此类建筑建议不配置冷却塔供冷设备。
4．冷却塔供冷的实际应用
笔者对于冷却塔供冷有一些实际的案例经验，也到访过多个项目，并实地考察过一些项目的使用情况。在近些年的项目中，普遍会采用冷却塔供冷的设计，项目实地有冷却塔供冷设备及管路，但实际应用效果不佳。
案例一：北京某五星级酒店
该酒店空调系统为四管制系统，为达到舒适度，一年四季提供冷热水供应，之前冬季和过渡季制冷采用离心式冷水机组供冷，于2003年增加板换冷却塔供冷设备，之后冬季、过渡季一直采用板换冷却塔供冷。冬季供冷使用情况时较好，供冷水温一般在10-12℃左右，但在过渡季水温较高，一般可以使用到3月初。
但该项目分析的几个问题：
1)经济性：冬季时冷负荷较低，如采用离心式冷水机组制冷时，机组负荷在50%以下，高峰时机组用电量在150kW左右，冷却塔基本可以不开；在使用板换制冷时，冷却塔风机开启量较大，通常有30kW左右，由于酒店是24小时开启，经济性较好。
2)水温控制：采用离心机组水温易于控制；
3)结冰问题：这个问题造成了很大的困扰，采用离心制冷时，冷塔温度较高，不易结冰；采用冷却塔供冷时，结冰量较大，因此采用了很多手段，需要定期检查和除冰，工作量较大；
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图2 冷却塔供冷设备现场图片
案例二：某化学工厂
该工厂由于工艺原因需要冬季和过渡季制冷，之前采用螺杆式冷水机组，后改造增加板换冷却塔供冷。每年冷水机组减少了4-5个月的运行，供冷使用情况时较好，经济性较好。
案例三：多个考察案例
笔者考察过多个写字楼及购物中心项目，大部分的板换制冷装置从未使用过，其中北京某高档写字楼拆除了该设备。只有一个购物中心项目每年只使用2周左右。
结束语：
总而言之，板式换热器免费制冷是一种很好的制冷节能方式，在建筑舒适性要求和工艺要求情况下，是一种不错的选择。但在应用当中，需要对实际应用场合、使用时间、负荷量进行详细分析，本文中的很多情况并不适用这种方式。板换制冷方式需要增加换热器、控制阀、管路、冷却塔管路防冻保护等也是一笔比较大的投资，而且还需要占用机房面积，需要认真对待。
参考文献：
[1] 马最良、孙宇辉.冷却塔供冷技术在我国应用的模拟与预测分析 [J].暖通空调，2000，30（2）.
[2] 苗培、张杰、石鹤.冷却塔供冷系统设计方法总结与探讨 [J].暖通空调，2008，30（5）