漆海兵

（浙江綠城東方建筑設計有限公司，杭州 310012）

0 引言

冷卻塔供冷系統(tǒng)在國外已經(jīng)十分成熟，應用較廣。在國內(nèi)雖然哈爾濱工業(yè)大學[1-2]、華南理工大學[3]、哈爾濱商業(yè)大學[4]等高等院校都做過積極的研究，且《公共建筑節(jié)能設計標準》[5]第5.4.13 條也明確指出“對于冷季（冬季或過渡季）存在一定量供冷需求的建筑，經(jīng)技術經(jīng)濟分析合理時應利用冷卻塔提供空調(diào)調(diào)節(jié)冷水”，但該項技術在國內(nèi)工程中的應用還是屈指可數(shù)，究其原因還是缺少切實可行的技術指導。本文試圖結合自己的工作經(jīng)驗對該系統(tǒng)的設計難點進行闡述。

1 冷卻塔供冷系統(tǒng)介紹

1.1 冷卻塔供冷系統(tǒng)的定義[6]

冷卻塔供冷系統(tǒng)是指在常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)基礎上適當增設部分管路及設備，當室外濕球溫度低至某個值以下時，關閉制冷機組，以流經(jīng)冷卻塔的循環(huán)冷卻水作為空調(diào)用的冷水，直接或間接向空調(diào)系統(tǒng)供冷。冷卻塔供冷系統(tǒng)利用室外空氣進行制冷，屬于利用可再生能源范疇。

1.2 冷卻塔供冷系統(tǒng)適用范圍

根據(jù)作者經(jīng)驗，冷季民用建筑空調(diào)冷水供水溫度≤14℃，則使用冷卻塔供冷系統(tǒng)時室外濕球溫度ts≤10℃。通過查閱全國五大氣候分區(qū)典型城市的歷年氣象資料，統(tǒng)計出全年ts≤10℃的小時數(shù)及占全年的百分數(shù)，見圖1。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)除夏熱冬暖地區(qū)（代表城市廣州）外，室外濕球溫度ts≤10℃的時間占全年的比例高達37%～65.3%。作者認為除夏熱冬暖地區(qū)外，且空調(diào)負荷以室內(nèi)散熱為主的建筑或全年需要供冷的建筑，通過技術經(jīng)濟比較，比較適合采用該系統(tǒng)。

圖1 五大氣候分區(qū)典型城市ts≤10℃的時間分布圖

1.3 冷卻塔供冷系統(tǒng)常用形式

冷卻塔供冷系統(tǒng)主要有直接供冷系統(tǒng)和間接供冷系統(tǒng)兩種。根據(jù)與原有系統(tǒng)的結合方式的不同又有很多具體的形式。本文僅對常用的間接供冷系統(tǒng)進行簡單介紹。

間接供冷系統(tǒng)[6]是指冷卻水系統(tǒng)環(huán)路與冷水環(huán)路相互獨立，能量傳遞主要依靠中間換熱設備來完成。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點就是保證了冷水系統(tǒng)環(huán)路的完整性，從根本上解決了衛(wèi)生問題，但由于存在中間換熱損失，會縮短供冷系統(tǒng)的小時數(shù)。圖2 為利用原有冷卻泵間接供冷的一種常用設計原理圖。

圖2 冷卻塔間接供冷原理圖

該系統(tǒng)設計應注意以下幾點。

1)為節(jié)約初投資，冷卻塔常設置為開式濕式冷卻塔，應考慮對冷卻水質(zhì)進行處理。

2)建議采用原有冷卻和冷水泵，因板式換熱器阻力可在定制的時候提出要求，這樣可以做到板式換熱器阻力與制冷機組基本相同或略小，所以一般不需要校核。

3)就直接供冷和間接供冷的選擇來說，筆者個人還是傾向選擇間接供冷，因間接供冷系統(tǒng)能與常規(guī)系統(tǒng)更好地匹配，系統(tǒng)更簡單，運行更穩(wěn)定，維護方便。

2 冷卻塔供冷系統(tǒng)設計思路

作者曾經(jīng)擔任專業(yè)負責人設計過兩個冷卻塔供冷系統(tǒng)，目前兩個系統(tǒng)均運行良好，節(jié)能效果明顯。通過對設計過程的總結，現(xiàn)提供作者的設計思路供大家參考，見圖3。

如何確定冷卻塔供冷系統(tǒng)與制冷機組供冷系統(tǒng)切換點的濕球溫度是本系統(tǒng)的一個設計難點，接下來將重點介紹。

圖3 冷卻塔供冷系統(tǒng)設計思路

3 冷卻塔供冷系統(tǒng)設計的難點

該系統(tǒng)設計的難點或者說成敗的關鍵在于如何確定系統(tǒng)切換點的室外濕球溫度。按圖3 的設計思路可以看出“系統(tǒng)切換的最佳濕球溫度”的選取需要綜合考慮冷季建筑物耗熱量、末端設備允許的最高供水溫度、冷卻塔熱工性能、供冷時間、系統(tǒng)的經(jīng)濟性以及盡量利用原有設備。

3.1 建筑物冷季的最大小時冷負荷分析

為了比較準確地得到建筑物冷季冷負荷的最大小時冷負荷值需要使用 Design Builder 軟件進行建模分析。

一般認為在冷季采用冷卻塔供冷時室外濕球溫度應在10℃以下，由焓濕圖計算，在最不利室外相對濕度10%時，對應的室外空氣干球溫度應在24.5℃以下，而室內(nèi)設計參數(shù)一般考慮在25℃，因此可以不考慮維護結構和新風的空調(diào)冷負荷，可以認為民用建筑冷季的負荷僅由室內(nèi)燈光、人員、設備散熱組成。民用建筑常用房間室內(nèi)散熱負荷占總冷負荷的百分數(shù)見表1。

表1 室內(nèi)散熱負荷占總冷負荷的百分數(shù)

結合表1 的數(shù)據(jù)以及相關參考文獻給出的數(shù)據(jù)進行分析，內(nèi)區(qū)單個功能房間室內(nèi)散熱量最大小時冷負荷取夏季的40%～63%，外區(qū)單個功能房間室內(nèi)散熱量最大小時冷負荷取夏季的30%～55%?？紤]到不同功能房間的不同時使用率，根據(jù)建筑性質(zhì)的不同，可以取0.6～0.85，則冷季建筑物總冷負荷為夏季的30%～57%。其實大部分時間新風在冷季還會承擔室內(nèi)負荷，因此上面的數(shù)據(jù)還是相對保守的。由于室內(nèi)散熱量是相對穩(wěn)定的，而且占整個冷負荷的比例也是比較大的，因此冷季通過冷卻塔供冷，節(jié)能效果是會比較明顯的。

3.2 空調(diào)末端換熱量與供水溫度的關系

常用的空調(diào)末端空調(diào)系統(tǒng)有“風機盤管+新風系統(tǒng)”和全空氣系統(tǒng)。根據(jù)節(jié)能的要求，冷季內(nèi)區(qū)應優(yōu)先采用室外新風消除室內(nèi)余熱，一些工程內(nèi)區(qū)面積或冷負荷過小，或內(nèi)區(qū)采用全空氣系統(tǒng)，是沒有必要設置冬季供冷水系統(tǒng)的，盲目設置會造成投資增加和新的能源浪費。因此冷卻塔供冷系統(tǒng)主要用在內(nèi)區(qū)采用風機盤管加新風系統(tǒng)中，因此重點介紹風機盤管換熱量與供水溫度的關系。根據(jù)上述房間負荷分析可知，冷季房間冷負荷相對夏季負荷的比例因功能的不同而不同，我們可以根據(jù)冷季室內(nèi)負荷需求占夏季負荷的百分率來反算出空調(diào)末端設備的最高允許供水溫度。根據(jù)文獻[6]提供的任一工況下的冷量可按下式計算:

式中：ts1，tw1，W分別表示額定工況下進口濕球溫度、進水溫度和水量；t′s1，t′w1，W′分別表示任一工況下進口濕球溫度、進水溫度和水量；系數(shù)n、m、p的數(shù)值為：n=0.284(二排管)，0.426(三排管)，m=0.02，p=0.0167。

在常用冷卻塔間接供冷系統(tǒng)設計時，空調(diào)冷水側流量和室內(nèi)設計溫度不變，式(1)中ts1=t′s1,W′=W，式(1)簡化為：

從式(2)可以看出空調(diào)末端換熱器的制冷量僅與進水溫度有關。圖4 為當室內(nèi)設計溫度為24℃，相對濕度為50%，對應的濕球溫度為17℃時，風機盤管在不同進水溫度下制冷量占設計工況下制冷量的百分數(shù)。圖5 為當室內(nèi)設計溫度為25℃，相對濕度為60%，對應的濕球溫度為19.4℃時，風機盤管在不同進水溫度下制冷量占設計工況下制冷量的百分數(shù)。

圖4 和圖5 給出了民用建筑典型室內(nèi)設計狀態(tài)下，風機盤管在不同的冷凍水供水溫度下冷量占夏季7℃供水溫度下冷量的百分數(shù)。具體工程應通過計算確定不同房間的冷季空調(diào)負荷占夏季負荷的百分率，按最不利房間末端負荷的要求確定系統(tǒng)的最大供水溫度。考慮到空調(diào)設計并不要求百分之百的保證率，允許一年有幾天的不保證率，因此在初步設計和方案階段最高供水溫度酒店取11℃；商業(yè)取13℃；辦公取14℃，是能滿足工程需要的。

圖4 實際制冷量占設計工況制冷量的百分比（室內(nèi)設計溫度為24℃、相對濕度為50%）

圖5 實際制冷量占設計工況制冷量的百分比（室內(nèi)設計溫度為25℃、相對濕度為60%）

3.3 冷卻塔在不同濕球溫度和進出口溫差下散熱能力分析

根據(jù)上述建筑冷季空調(diào)冷負荷的分析，冷季空調(diào)的最大負荷約占夏季的30%～57%。下面主要分析冷卻塔在不同的室外濕球溫度和供回水溫差下散熱量的變化。

3.3.1 描述冷卻塔性能的兩個重要概念

1)水溫降[7]（Δt）是指循環(huán)水在冷卻塔進、出口處的溫度差，國標要求為5℃。

2)冷幅[7]（ΔT）是指冷卻塔出水口處循環(huán)水的溫度與濕球溫度之差。

理論上ΔT越小冷卻塔的散熱效果越好，但冷卻塔散熱面積要求越大，冷卻塔制造成本越大，技術越復雜。通過技術經(jīng)濟比較，ΔT取值大于≥3℃比較合理。

3.3.2 不同設計流量比下水溫降（Δt）、冷幅（ΔT）和濕球溫度的關系

通過對文獻[8]附錄F 中冷卻塔冷卻特性模擬計算數(shù)據(jù)表（該表由清華大學建筑技術科學系提供，計算采用的冷卻塔模型是NTU 方法的逆流換熱器模型）的研究，發(fā)現(xiàn)冷卻塔的出水溫度隨著冷卻塔的流量比的減小而降低，隨著水溫降的減小而降低，隨著濕球溫度的降低而降低。一般項目冷卻塔的數(shù)量在2 臺或3 臺，冷卻水泵和冷卻塔一一對應，考慮冷卻塔供冷系統(tǒng)在設計時盡量利用原有冷卻水泵，同時考慮冷卻水泵一般定頻運行，因此，流經(jīng)冷卻塔的流量比主要有100%、67%、50%、33%?？紤]到冷卻塔流量不建議小于額定流量的50%，現(xiàn)結合文獻[9]附錄C 的數(shù)據(jù)，利用插值法將100%，67%，50%流量比下冷卻塔特性模擬計算結果列于表2。

通過對該表的數(shù)據(jù)分析可以得出如下結論：要達到同樣的出水溫度和散熱量，可以選擇不同的流量和水溫降，但是要求的空氣濕球溫度和冷幅是不一樣的。我們在對冷卻塔散熱量校核時需要根據(jù)出水溫度的要求，盡量降低冷幅以提高冷卻塔的效率，同時降低循環(huán)水泵的能耗，延長冷卻塔供冷時間，但冷幅不宜低于3℃，避免出水溫度不穩(wěn)定。

表2 冷卻塔特性模擬計算數(shù)據(jù)表

3.4 系統(tǒng)切換的最佳濕球溫度的確定

目前相關文獻（如文獻[9]）對系統(tǒng)切換點的最佳濕球溫度的確定雖然做了較多介紹，但作者認為均沒有做全面的考慮，主要存在以下問題：

1)設計中只為應付節(jié)能而做這個系統(tǒng)，并沒有做經(jīng)濟技術分析；

2)以冷卻塔供冷時間為依據(jù)，但沒有結合建筑物冷季負荷的特點對水泵流量進行匹配，導致水泵流量和水溫降不能和冷卻塔熱工性能相匹配，實際供冷溫度不滿足要求，供冷時間縮短；

3)以末端設備要求的供水溫度為依據(jù)，但對供水溫度的選取并沒有經(jīng)過計算，無論什么功能建筑，只要項目所在地一樣就選取相同的切換溫度。

下面將以杭州某工程為例來說明如何選擇最佳的切換溫度。某工程室內(nèi)設計溫度為24℃，相對濕度為50%。夏季設計冷負荷4218 kW。冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔均選用三臺。冷卻水系統(tǒng)采用定流量母管制系統(tǒng)。冷卻泵參數(shù)：流量315 m3/h，揚程22 mh20。冷卻塔采用開式冷卻塔，冷卻塔流量為350 m3/h。冷季建筑物總冷負荷為1305 kW，占夏季負荷的30.1%，房間負荷占夏季負荷的百分數(shù)分布情況：70%的房間冷季負荷占夏季負荷的(30～40)%，5%的房間占夏季負荷的(50～60)%，25%的房間冷季負荷占夏季負荷的(15～30)%?？紤]到5%的房間在冷季房間溫度可以適當提高，所以本項目房間冷季負荷在設計時按夏季負荷的40%考慮。具體步驟如下：

1)根據(jù)冷季建筑物總冷負荷為1305 kW，為冷卻系統(tǒng)的水泵節(jié)能不建議循環(huán)水溫差小于2℃，按5℃、4℃、3℃、2℃計算的流量分別為224 m3/h、280 m3/h、374 m3/h、561 m3/h?？紤]到盡量利用原有水泵，考慮1.1 的富裕量，本水泵流量取315 m3/h 一臺對應冷卻塔水溫降4℃或取315 m3/h 兩臺對應冷卻塔水溫降2℃。水泵和冷卻塔之間流量匹配的組合見表3。根據(jù)表中的不同組合并結合表2 的數(shù)據(jù)和廠家不建議通過冷卻塔的流量小于額定流量的50%，初步選定組合1、4 和5；

2)根據(jù)房間冷季負荷在設計時按夏季負荷的40%，按公式（4-2）計算得出最大供水溫度為13.4℃?？紤]板式換熱器1℃溫差，冷卻塔出水溫度要求為最高12.4℃。結合冷卻塔熱工性能數(shù)據(jù)表可以得到滿足供水溫度13.4℃時組合1 要求的濕球溫度為5.6℃，冷幅為7.1℃；組合4 要求的濕球溫度為7.8℃，冷幅為4.6℃；組合5 要求的濕球溫度為9.02℃，冷幅為3.38℃；

3)根據(jù)杭州室外濕球溫度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知濕球溫度低于9.02℃的小時數(shù)為3348 h，占全年運行的38.75%；

4)經(jīng)濟技術分析相對簡單，本文因篇幅限制就不做闡述；

5)通過以上計算，本項目最佳的切換濕球溫度為9℃，與系統(tǒng)最佳匹配的水泵為2 臺，冷卻塔為3 臺同時運行。因冷季負荷比較穩(wěn)定，因此水泵和冷卻塔不做變頻。

表3 水泵與冷卻塔組合表

4 結論

1)除夏熱冬暖地區(qū)外，建筑物有全年供冷需求，且內(nèi)區(qū)房間為“風機盤管+新風系統(tǒng)”,宜采用冷卻塔供冷系統(tǒng)。

2)冷卻塔供冷系統(tǒng)設計必須對建筑物和房間在冷季的負荷進行分析計算。

3)冷卻塔供冷系統(tǒng)設計必須考慮末端設備和冷卻塔散熱量的修正。

4)“系統(tǒng)切換的最佳濕球溫度”的選取需要綜合考慮冷季建筑物耗熱量、末端設備允許的最高供水溫度、冷卻塔熱工性能、供冷時間以及盡量利用原有設備。

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[2]馬最良,孫宇輝.冷卻塔供冷系統(tǒng)運行能耗影響因數(shù)的研究與分析[J].暖通空調(diào),2000,30(6):20-22.

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