陳超等

摘要：以橫流濕式冷卻塔為分析對象，基于冷卻塔熱濕交換原理，結合其熱濕傳遞四變量模型以及所構建的冷卻塔熱濕交換性能評價指標，以冷卻塔額定工況的熱濕交換能力為比較基準，重點分析了季節(jié)和室外氣象參數（溫度、濕度等）變化，對冷卻塔熱濕交換性能的影響規(guī)律；在此基礎上，進一步分析了南京、武漢、重慶三地區(qū)全年運行的適宜條件.研究結果表明：基于冷卻塔變水量條件，三地區(qū)夏季負荷高峰期（7，8月份）冷卻塔運行適宜的水氣比為μ=0.5～1，夏季負荷平谷期（6，9月份）適宜的水氣比為μ=0.3～1；過渡季節(jié)，重慶地區(qū)不適宜運行，南京和武漢地區(qū)適宜運行的月份為3月和11月，水氣比為μ=0.4～0.6；冬季（1，2和12月份），三地區(qū)適宜的水氣比為μ=0.5～0.76.

關鍵詞：冷卻塔；全年運行；熱濕交換性能；評價指標；適宜條件

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A

冷卻塔作為空調系統(tǒng)的重要冷卻設備之一，近年在帶有內區(qū)且內部發(fā)熱負荷大的辦公建筑、數據中心、商店建筑這類全年供冷期長的建筑物中，被越來越多地應用于非夏季工況的建筑物免費供冷系統(tǒng)中[1-3].然而，冷卻塔的熱濕交換能力直接受室外氣象參數變化的影響.季節(jié)的變化及室外空氣濕球溫度、干球溫度的變化，將使運行在非額定工況條件下的冷卻塔熱濕交換能力偏離冷卻塔生產廠家技術樣本提供的產品技術參數（廠家一般僅給出夏季額定工況條件下的性能參數）.關于這一點，目前沒有引起大家足夠的注意，即使在非夏季工況運行的情況下，人們也仍然習慣性沿用產品技術樣本給出的技術參數進行相關評價，致使冷卻塔的綜合運行效率偏低或達不到預期的冷卻效果.

國內外學者對冷卻塔熱濕交換性能方面開展了大量的研究工作，Fisenko等[4-5]研究了水滴尺寸、氣水比、氣象參數和進口水溫等因素對冷卻塔傳熱效率的影響規(guī)律，并通過分別建立噴淋區(qū)和填料區(qū)的邊界層數學模型，研究了水滴的蒸發(fā)過程和水膜的冷卻過程.Hajidavalloo等[6]建立了橫流式冷卻塔的數學模型，重點分析了濕球溫度對冷卻塔熱濕傳遞性能的影響.ASHRAE[7]給出了冷卻塔的性能曲線，并分別分析了逆流塔、橫流塔的冷卻特性.曾憲平等[8]基于焓差模型并以逆流濕式冷卻塔為對象，分析了循環(huán)水流量對冷卻塔效率的影響.楊露露等[9]根據某實際工程的橫流冷卻塔的實測數據以及所建立的數學模型，分析了影響冷卻塔出口水溫的影響因素及其變化規(guī)律.

為了把握非額定工況運行條件下（特別是過渡季節(jié)、冬季），影響冷卻塔高效運行的因素及其適宜的運行條件，本文以橫流濕式冷卻塔為研究對象，結合冷卻塔的基本熱濕傳遞數學模型，系統(tǒng)分析季節(jié)和室外氣象參數、冷卻水進口溫度、水量、風量等參數變化，對冷卻塔熱濕交換性能（冷量、能效系數、出水溫度、冷卻效率以及潛熱比）的影響規(guī)律；并以冷卻塔額定工況熱濕交換能力為比較基準，給出冷卻塔全年運行（非額定工況）的適宜條件，以期為冷卻塔全年高效節(jié)能運行與系統(tǒng)優(yōu)化設計提供參考依據.

1冷卻塔熱濕交換過程分析

以空調工程中常用的橫流濕式冷卻塔（圖1）為分析對象.圖2為反映了其熱濕交換過程的空氣水狀態(tài)變化hd圖.即溫度為tW1的高溫水通過上水管進入冷卻塔后通過噴嘴噴向填料，水滴垂直通過填料層時，與進入冷卻塔的較低濕球溫度tS1的初狀態(tài)空氣1（t1，tS1，h1）熱濕交換后冷卻到tW2落入塔底水池；與此同時，初狀態(tài)的進口空氣1（t1，tS1，h1）水平穿過填料與垂直下落的水滴正交，熱濕交換后變成高溫高濕的終狀態(tài)空氣2（t2，tS2，h2）由風筒排出.由圖2可知，冷卻塔出口水溫tW2越接近進塔空氣濕球溫度tS1，說明冷卻塔的熱濕交換越充分、冷卻效果越好.

為分析橫流冷卻塔水空氣熱濕交換過程，建立關于圖1橫流冷卻塔填料體的物理模型如圖3所示.

2.2冷卻塔的相對冷量

冷卻塔生產廠家通常給出的是夏季額定工況條件下的額定冷量Q0，而實際工程中，由于季節(jié)和室外氣象參數的變化，冷卻塔的實際運行工況大多是偏離其額定設計工況的，致使其實際冷量Q也不同于額定冷量Q0（經常有人忽略了這點）.

為便于比較評價，本文認為在實際工程中可用冷卻塔的相對冷量β（實際冷量與額定冷量的比值Q/Q0）評價冷卻塔實際冷卻能力接近額定工況的程度.

2.3冷卻塔的相對能效系數

同理，也可用冷卻塔的相對能效系數ω（實際綜合能效系數與額定綜合能效系數的比值EER/EER0）比較并評估非額定工況條件下冷卻塔綜合能效系數接近額定工況的程度.

2.4冷卻塔的潛熱比

如圖2所示，在冷卻塔的熱濕交換過程中，進入冷卻塔的初狀態(tài)進口空氣1（t1，tS1，h1）通過與冷卻塔水側初始溫度為tW1的冷卻水進行熱濕交換并從中獲得汽化潛熱和顯熱后，以終狀態(tài)的出口空氣2（t2，tS2，h2）離開冷卻塔的空氣水熱濕交換過程中，進出口空氣的顯熱量與潛熱量均已發(fā)生了變化.因此，可用冷卻塔的潛熱比ηq（冷卻塔空氣側獲得的潛熱量與其獲得的全熱量之比）評價冷卻塔熱濕交換過程中潛熱量所占的比例.ηq越大說明冷卻水溫的降低主要依靠水份蒸發(fā)，反之說明水溫的降低主要依靠與進口空氣的接觸散熱.

3全年運行熱濕交換性能影響因素分析

3.1計算條件

為便于分析，以南京地區(qū)氣象參數為分析條件，圖4為南京地區(qū)標準氣象年室外空氣狀態(tài)[12]在hd圖上的分布狀態(tài).作為計算冷卻塔的主要技術參數如表1所示.

3.2計算結果分析

3.2.1夏季7，8月變水量對冷卻塔熱濕交換性能

的影響（Case1）

由圖5（a）可知：1）隨著水氣比μ從0.25增大到1.5（μ=W/G0，W=0.33W0～2.0W0），冷卻塔的相對冷量β也不斷增大、其增加率先大后緩，最大時β=1.5（超過了額定工況的50%），增大水量提高了冷卻塔的熱濕交換能力；2）隨著室外濕球溫度的增大，相對冷量β呈減小趨緩，這是因為進口濕球溫度的增加、熱濕傳遞的動力差減小了，直接影響了冷卻塔的熱濕交換能力；3）水氣比μ=0.3時冷卻塔的相對能效系數ω達到最大值為2.2，隨后迅速減小，且這種變化趨勢不受室外濕球溫度變化的影響.分析結果表明，過量增大冷卻水量，雖增強了冷卻塔的熱濕交換能力，但同時也增大了水泵能耗、致使系統(tǒng)能效系數降低.

由圖5（b）可知：1）當水氣比μ從0.25增大到1.5，冷卻塔的冷卻效率ε呈不斷下降趨勢，且這種變化趨勢不受室外濕球溫度變化的影響（tS1=23～28 ℃）.這是因為，根據式（9），單邊增加冷卻水量而風量不變，導致冷卻水出口水溫tW2逐漸上升，式（9）的分子不斷減小，而室外濕球溫度變化對式（9）分母的影響不大所致.

圖5（c）反映了Case1條件下，變化冷卻塔水流量對冷卻塔潛熱比ηq的影響規(guī)律，隨著水氣比μ增大，潛熱比ηq逐漸減小并趨穩(wěn).計算結果表明，夏季室外濕球溫度高、含濕量大，冷卻塔熱濕交換過程中，潛熱交換所占比例非常大.

在夏季7，8月，綜合圖5分析結果，當冷卻塔水氣比為μ=0.5～1（μ=W/G0，W=0.67W0～1.33W0）時，Case1計算條件下的相對冷量β=0.6～1.4，相對能效系數ω=0.4～2，進出口水溫差Δt=3～7.5 ℃，潛熱比ηq=0.85～0.95，tW2- tS1=4.3～6.6 ℃，此時冷卻塔熱濕交換性能處于相對較高的水平.

3.2.2夏季7、8月變風量對冷卻塔熱濕交換性能

的影響（Case2）

當冷卻水量為額定工況，改變冷卻塔風量G（μ=W0/G=0.25～1.5，G=0.5G0～3G0），夏季空調負荷高峰期（7，8月），隨著室外濕球溫度變化，冷卻塔冷卻效率ε，出口水溫tW2，潛熱比ηq等的變化規(guī)律基本同Case1（圖5）；但相對冷量β、相對能效系數ω的變化規(guī)律則正好相反，這是因為隨著水氣比（μ=W/G0）的增大，由于冷卻水量為額定工況，風量的減小導致冷卻水出口水溫升高，進而相對冷量減?。涣硗?，與Case1（圖5（a））比較，當μ>0.76以后，改變風量對提高冷卻塔相對能效系數的影響甚微，說明改變冷卻水量更利于提高冷卻塔的能源利用效率.

為此，本文以下重點分析變水量運行對冷卻塔熱濕性能的影響.

3.2.3夏季6，9月變水量對冷卻塔熱濕交換性能

的影響（Case3）

夏季空調負荷平谷期（6，9月），隨著室外濕球溫度的變化，改變冷卻水量W（μ=W/G0= 0.25～1.5，W=0.33W0～2.0W0），對冷卻塔熱濕交換性能的影響規(guī)律雖與Case1（圖5）基本趨同，但隨著室外濕球溫度的逐漸下降，冷卻塔的相對冷量β、相對能效系數ω、出口水溫tW2均優(yōu)于Case1，但潛熱比ηq減小了，約為0.80～0.85.

在夏季6，9月，當水氣比μ=0.3～1（μ=W/G0，W=0.4W0～1.33W0）時，Case3計算條件下的相對冷量β=0.6～1.4，相對能效系數ω=0.5～2.4，進出口水溫差Δt=4～10 ℃、潛熱比ηq=0.8～0.9，tW2- tS1=2～8.8 ℃，此時冷卻塔熱濕交換性能處于相對較高的水平.

3.2.4過渡季節(jié)變水量對冷卻塔熱濕交換性能的

影響（Case4）

過渡季節(jié)（3，4，5，10，11月），隨著室外濕球溫度的變化，改變冷卻水量W（μ=W/G0=0.25～1.5， W=0.33W0～2.0W0），對冷卻塔熱濕交換性能影響的分析結果表明，過渡季節(jié)，增大冷卻水量、提高水氣比μ，對提高冷卻塔冷卻能力的作用非常有限，相反降低了綜合能效系數；另外，隨著室外濕球溫度的降低，潛熱比ηq也隨之減小，冷卻塔空氣與水的熱濕交換主要通過溫差換熱；再之，當室外濕球溫度tS1≤9 ℃時，冷卻塔的出口水溫tW2可低于14 ℃.

過渡季節(jié)（3，4，5，10，11月），當冷卻塔水氣比為μ=0.5～0.76（μ=W/G0，W=0.67W0～W0）時，Case4計算條件下的相對冷量β=0.4～0.75，相對能效系數ω=0.4～1.3，進出口水溫差Δt=2.3～4.5 ℃，潛熱比ηq=0.65～0.87，tW2- tS1=3～7.5 ℃，此時冷卻塔熱濕交換性能相對比較好.

3.2.5冬季變水量對冷卻塔熱濕交換性能的影響

（Case5）

冬季（12月—2月）隨著室外濕球溫度變化，改變冷卻水量W（μ=W/G0=0.25～1.5，W=0.33W0～ 2.0W0），對冷卻塔熱濕交換性能影響的分析結果表明，南京地區(qū)的冬季低溫高濕，冷卻塔空氣與水的熱濕交換主要依靠溫差換熱，冷卻塔的潛熱比ηq約為0.55～0.75，且相對冷量明顯低于夏季，不過此時冷卻水出口水溫已接近制冷機的水平.

冬季12—2月，當水氣比為μ=0.5～0.76 （μ= W/G0，W=0.67W0～W0）時，Case5計算條件下的相對冷量β=0.3～0.7，相對能效系數ω=0.4～1.2， 進出口水溫差Δt=2～4.5 ℃，潛熱比ηq=0.55～0.75， tW2- tS1=3.7～8.8 ℃，此時冷卻塔熱濕交換性能相對比較好.

3.2.6室外氣象參數變化對冷卻塔熱濕交換能力

的影響

圖6反映了室外氣象參數變化對冷卻塔熱濕交換能力的影響關系.由圖6可見，夏季工況（7，8月），雖室外干、濕球溫度、以及冷卻水的進口水溫都比較高，但最大理論焓差（Δh1）也大，并且潛熱換熱量是該季節(jié)冷卻塔熱濕交換的主體；隨著夏季向過渡季節(jié)、冬季的轉換，室外干、濕球溫度也隨著降低，冷卻水的進口水溫也相應在降低，此時，冷卻塔的最大理論焓差（Δh2）較夏季明顯減少，并且顯熱換熱量成為冷卻塔熱濕交換的主體，該季節(jié)冷卻塔可提供的冷量明顯低于夏季.夏季變水量工況，當水氣比較小時（μ=0.25～0.50），甚至有潛熱比ηq>1的情況出現（圖5（c））；而過渡季節(jié)和冬季，溫差傳熱逐步成為冷卻塔熱濕交換的主體， 潛熱比ηq隨之下降.

4三地區(qū)冷卻塔全年運行適宜條件分析

為了應用第3節(jié)的研究結果，科學地制定冷卻塔全年運行策略，本研究擬以南京、武漢、重慶地區(qū)為分析地區(qū)，進行相關問題討論.

異，特別是冬季的差異性較大，其中南京地區(qū)室外月平均濕球溫度最低，武漢地區(qū)其次，重慶地區(qū)最高，冬季約高出其他兩地區(qū)4～6 ℃.

通常，室外濕球溫度tS1≤9 ℃時冷卻塔即有可能提供小于14 ℃的出口水溫.基于第3節(jié)的分析結果，在確保出口水溫≤14 ℃的前提下，本文以冷卻塔相對冷量β≥0.5，相對能效系數ω≥0.5作為判斷冷卻塔過渡季節(jié)非額定工況運行適宜條件的判斷依據.根據表1以及第1節(jié)關于冷卻水出口水溫的計算方法，比較分析得到南京、武漢、重慶三地區(qū)冷卻塔過渡季節(jié)和冬季高效運行的適宜條件（表3）：南京、武漢地區(qū)適宜運行的月份同為3月、11月、1月、2月、12月，此時對應的水氣比分別是：3月和11月為μ=0.4～0.6，1月、2月、12月為μ=0.5～0.76；而重慶地區(qū)過渡季節(jié)因室外空氣濕球溫度偏高，不適宜冷卻塔運行，冬季適宜的水氣比同前兩城市.

5結論

本文以橫流濕式冷卻塔為分析對象，根據冷卻塔熱濕交換原理并結合其熱濕傳遞四變量模型，以冷卻塔額定工況性能參數為比較基準，對冷卻塔全年熱濕交換性能的影響規(guī)律及其全年運行的適宜條件進行了分析，得到以下結論：

1）以冷卻塔額定工況性能參數為比較基準，提出了關于冷卻塔全年運行熱濕交換性能評價的指標：冷卻塔的冷卻效率ε，相對冷量β，相對能效系數ω和潛熱比ηq.

2）計算結果表明，與變水量工況比較，當水氣比μ>0.76，變風量對提高冷卻塔相對能效系數ω的影響甚微.即變水量方式更利于冷卻塔冷卻效率的提高.

3）基于冷卻塔變水量運行條件，南京、武漢、重慶三地區(qū)冷卻塔全年運行的適宜條件：三地區(qū)夏季負荷高峰期（7，8月份）冷卻塔運行適宜的水氣比為μ=0.5～1，夏季負荷平谷期（6，9月份）適宜的水氣比為μ=0.3～1；過渡季節(jié)，重慶地區(qū)不適于運行，南京和武漢地區(qū)適宜運行的月份為3月和11月，水氣比為μ=0.4～0.6；冬季（1，2，12月份），三地區(qū)適宜的水氣比為μ=0.5～0.76.

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