季阿敏,谷 智,劉 瑋,成克用

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)土木制冷工程學(xué)院,哈爾濱150028)

冷卻塔供冷又稱“免費(fèi)供冷”[1]技術(shù),是指在冷季或過渡季節(jié)空調(diào)區(qū)域仍需要供冷,且當(dāng)室外空氣濕球溫度達(dá)到一定條件時(shí),關(guān)閉冷水機(jī)組,以流經(jīng)冷卻塔的循環(huán)冷卻水直接或間接向空調(diào)末端供冷的技術(shù).“免費(fèi)供冷”并非單純意義上的免費(fèi),而是相比較而言.因?yàn)殡m然冷水機(jī)組關(guān)閉了,但在冷卻塔產(chǎn)生低溫冷卻水供入空調(diào)系統(tǒng)末端的時(shí)候,冷卻塔和水泵等部件仍繼續(xù)工作消耗電能,只是與冷水機(jī)組所消耗的電能相比要小得多,所以可以相對(duì)地將冷卻塔供冷視為免費(fèi)供冷.由于冷卻塔供冷是利用自然冷源,對(duì)環(huán)境無污染,因此屬于環(huán)保型系統(tǒng).本文針對(duì)與哈爾濱地區(qū)的氣候特點(diǎn),對(duì)采用冷卻塔直接供冷的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

1 冷卻塔供冷實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 冷卻塔供冷設(shè)備流程簡(jiǎn)圖

見圖1.

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及儀器

1.2.1 主要測(cè)試參數(shù)

a.室外干球、濕球溫度;

b.冷卻塔進(jìn)水、出水溫度、流速;

c.冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管以及組合空調(diào)箱中電機(jī)電流;

d.室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度、濕度、風(fēng)速;

e.末端送風(fēng)口參數(shù).

1.2.2 主要測(cè)試儀器

a.干濕球溫度計(jì)HB-4型(精度0.1℃);

b.BWK-3型溫度控制器(精度0.1℃);

c.GT201型電流鉗(精度0.01 A);

d.ZRQF型熱球式風(fēng)速儀;

e.LZB型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)等.

圖1 冷卻塔供冷系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 空調(diào)負(fù)荷

本實(shí)驗(yàn)選擇某商場(chǎng)為研究對(duì)象,整個(gè)建筑平面尺寸為40 m×33.6 m,內(nèi)區(qū)面積為28m×21.6m,外區(qū)面積為6 m×123.2 m,共4層.商場(chǎng)內(nèi)區(qū)的負(fù)荷主要由人體散熱和照明負(fù)荷組成.一般冷季或過渡季空調(diào)負(fù)荷的總量遠(yuǎn)小于夏季總冷負(fù)荷,這就為冷卻塔供冷提供了便利,因?yàn)槔鋮s塔供冷水溫度要高于冷水機(jī)組提供的水溫.

計(jì)算人體負(fù)荷時(shí),其全熱按120W/人[2]計(jì)算,根據(jù)各樓層的人數(shù)不同,經(jīng)計(jì)算,內(nèi)區(qū)人體負(fù)荷每平方米約為19.4W.對(duì)于照明負(fù)荷的確定,根據(jù)ASHRAE/IES90.1-1989規(guī)定,商場(chǎng)每平米的照明負(fù)荷隨建筑面積的不同而略有變化,取值應(yīng)在15.07～17.22W/m2之間,但現(xiàn)在許多商場(chǎng)為了配合消費(fèi)者的消費(fèi)行為,提供舒適的購物照明環(huán)境而加大照明力度,普遍照明負(fù)荷都高于30W/m2.綜合其他一些影響因素,將房間的內(nèi)區(qū)2部分負(fù)荷相加擬定為50、70、100 W/m23個(gè)工況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及影響因素分析

3.1 室外濕球溫度對(duì)房間降溫時(shí)間的影響

進(jìn)行該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)選擇了當(dāng)室外濕球溫度分別為6、7、8、9、10℃時(shí),采用冷卻塔供冷.以空調(diào)負(fù)荷為70W/m2工況進(jìn)行測(cè)試時(shí),得出結(jié)果如圖2.可以看出,隨著室外濕球溫度的增大,室溫從30℃降到24℃的時(shí)間逐漸延長.當(dāng)室外濕球溫度為6℃時(shí),房間溫度達(dá)到24℃的降溫時(shí)間約為90m in,當(dāng)室外濕球溫度升到10℃時(shí),房間溫度達(dá)到24℃的降溫時(shí)間約為160min.

圖2 不同室外濕球溫度下房間的溫度與降溫時(shí)間關(guān)系

圖3 為散流器出風(fēng)口溫度與時(shí)間關(guān)系圖,從圖3可以看出,在不同的室外濕球溫度下,散流器出口達(dá)到相同的溫度所需的時(shí)間不同,隨著室外濕球溫度的升高,達(dá)到相同送風(fēng)溫度所需的時(shí)間亦逐漸延長,這一趨勢(shì)與房間溫度的變化是吻合的.只是散流器出風(fēng)口的溫度變化過程時(shí)間短暫,因此其溫度變化曲線比較平緩,不像房間溫度變化曲線有波動(dòng).

3.2 房間負(fù)荷的影響

圖4為當(dāng)測(cè)試房間單位負(fù)荷分別為50、70、100W/m2時(shí),室外濕球溫度分別為6、8、10℃時(shí)房間降溫時(shí)間的情況.可以看出,房間負(fù)荷越小,降溫時(shí)間越短,而濕球溫度分別為6℃和8℃的降溫時(shí)間比較接近.

3.3 冷卻塔運(yùn)行參數(shù)的影響

在不同室外濕球溫度下冷卻塔出水溫度的變化曲線參見圖5.

圖5 不同室外濕球溫度下冷卻塔出水溫度與時(shí)間關(guān)系

從圖5可以看出,當(dāng)室外濕球溫度分別為6、8、9、10℃時(shí),冷卻塔出水溫度隨著時(shí)間的推移逐漸接近一致.由圖4、5可以說明不必過于盲目苛求過低的濕球溫度,當(dāng)達(dá)到一定值時(shí),效果相差不是很明顯.從節(jié)能的角度考慮,適當(dāng)?shù)奶岣呤彝鉂袂驕囟鹊霓D(zhuǎn)換值,可以延長冷卻塔供冷的使用時(shí)間,降低能耗.而且對(duì)于舒適性空調(diào),應(yīng)將供冷溫度定在人們舒適性所能允許的最高溫度,例如,供冷度定在13℃比定在10℃節(jié)能率要高得多[3].

冷卻塔冷卻能力的2個(gè)重要參數(shù)[4],即水溫降(指冷卻塔的進(jìn)出口水溫差)和冷幅(冷卻塔出水溫度和進(jìn)口處的空氣濕球溫度的差值)隨時(shí)間變化情況參見圖6、7所示.

圖6 水溫降與時(shí)間的關(guān)系

從圖6、7中可以看出,水溫降和冷幅隨時(shí)間的延長而逐漸降低而后趨于穩(wěn)定,初期變化大顯然是由于在開始階段房間負(fù)荷隨著冷卻塔供冷而逐漸減少導(dǎo)致的結(jié)果.

圖7 冷幅與時(shí)間的關(guān)系

3.4 冷卻塔供冷時(shí)數(shù)及節(jié)能

圖8 總結(jié)了哈爾濱地區(qū)各月份的濕球溫度分布.

圖8 哈爾濱地區(qū)各月平均濕球溫度

從圖8中可以看出,若設(shè)室外濕球溫度達(dá)到10℃的轉(zhuǎn)換溫度時(shí),哈爾濱地區(qū)冷卻塔供冷系統(tǒng)理論上可以使用的時(shí)間接近9個(gè)月,對(duì)于類似哈爾濱這樣室外平均濕球溫度一年中有一半時(shí)間低于10℃的地區(qū),在不考慮濕度控制的前提下,采用冷卻塔供冷的時(shí)間理論上可以達(dá)到半年以上,當(dāng)然還有一些冬季防凍等問題需要考慮.

經(jīng)計(jì)算,與常規(guī)空調(diào)供冷相比,如果取室外濕球溫度10℃為冷卻塔轉(zhuǎn)換溫度時(shí),冷卻塔供冷節(jié)能率可以達(dá)到14.8%;取室外濕球溫度12℃為冷卻塔轉(zhuǎn)換溫度時(shí),則冷卻塔供冷節(jié)能率可以達(dá)到17.9%.轉(zhuǎn)換溫度每增加1℃,則冷卻塔供冷節(jié)能率就增加0.0623%,供冷小時(shí)數(shù)每增加1 h,冷卻塔供冷節(jié)能率就增加0.012 565%.

4 結(jié) 語

對(duì)于全年都有供冷需求的建筑物或建筑物內(nèi)區(qū),在冷季或過渡季節(jié)采用冷卻塔供冷技術(shù)可以達(dá)到節(jié)能目的.冷卻塔轉(zhuǎn)換溫度越高,節(jié)能效果越好.對(duì)冷卻塔直接供冷系統(tǒng)而言,當(dāng)室外濕球溫度達(dá)到10～12℃時(shí),便可以將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為冷卻塔供冷,對(duì)于冷卻塔間接供冷系統(tǒng),可以預(yù)留1～2℃溫差,即室外濕球溫度達(dá)到9～10℃時(shí)即可轉(zhuǎn)為冷卻塔供冷.

[1]李 競(jìng).過渡季節(jié)冷卻水的節(jié)能應(yīng)用研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué).2007.

[2]何耀東.中央空調(diào)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002.

[3]馬最良,孫宇揮.冷卻塔供冷技術(shù)在我國應(yīng)用的模擬與預(yù)測(cè)分析[J].暖通空調(diào),2000,30(2):5-8.

[4]季阿敏,劉 瑋,李 杰.冷卻塔供冷節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,25(2):214-217.