冷却塔供冷系统设计研究

2013-04-08漆海兵

制冷技术 2013年2期

漆海兵

（浙江绿城东方建筑设计有限公司，杭州 310012）

0 引言

冷却塔供冷系统在国外已经十分成熟，应用较广。在国内虽然哈尔滨工业大学[1-2]、华南理工大学[3]、哈尔滨商业大学[4]等高等院校都做过积极的研究，且《公共建筑节能设计标准》[5]第5.4.13 条也明确指出“对于冷季（冬季或过渡季）存在一定量供冷需求的建筑，经技术经济分析合理时应利用冷却塔提供空调调节冷水”，但该项技术在国内工程中的应用还是屈指可数，究其原因还是缺少切实可行的技术指导。本文试图结合自己的工作经验对该系统的设计难点进行阐述。

1 冷却塔供冷系统介绍

1.1 冷却塔供冷系统的定义[6]

冷却塔供冷系统是指在常规空调水系统基础上适当增设部分管路及设备，当室外湿球温度低至某个值以下时，关闭制冷机组，以流经冷却塔的循环冷却水作为空调用的冷水，直接或间接向空调系统供冷。冷却塔供冷系统利用室外空气进行制冷，属于利用可再生能源范畴。

1.2 冷却塔供冷系统适用范围

根据作者经验，冷季民用建筑空调冷水供水温度≤14℃，则使用冷却塔供冷系统时室外湿球温度ts≤10℃。通过查阅全国五大气候分区典型城市的历年气象资料，统计出全年ts≤10℃的小时数及占全年的百分数，见图1。从图中我们可以发现除夏热冬暖地区（代表城市广州）外，室外湿球温度ts≤10℃的时间占全年的比例高达37%～65.3%。作者认为除夏热冬暖地区外，且空调负荷以室内散热为主的建筑或全年需要供冷的建筑，通过技术经济比较，比较适合采用该系统。

图1 五大气候分区典型城市ts≤10℃的时间分布图

1.3 冷却塔供冷系统常用形式

冷却塔供冷系统主要有直接供冷系统和间接供冷系统两种。根据与原有系统的结合方式的不同又有很多具体的形式。本文仅对常用的间接供冷系统进行简单介绍。

间接供冷系统[6]是指冷却水系统环路与冷水环路相互独立，能量传递主要依靠中间换热设备来完成。该系统的最大优点就是保证了冷水系统环路的完整性，从根本上解决了卫生问题，但由于存在中间换热损失，会缩短供冷系统的小时数。图2 为利用原有冷却泵间接供冷的一种常用设计原理图。

图2 冷却塔间接供冷原理图

该系统设计应注意以下几点。

1)为节约初投资，冷却塔常设置为开式湿式冷却塔，应考虑对冷却水质进行处理。

2)建议采用原有冷却和冷水泵，因板式换热器阻力可在定制的时候提出要求，这样可以做到板式换热器阻力与制冷机组基本相同或略小，所以一般不需要校核。

3)就直接供冷和间接供冷的选择来说，笔者个人还是倾向选择间接供冷，因间接供冷系统能与常规系统更好地匹配，系统更简单，运行更稳定，维护方便。

2 冷却塔供冷系统设计思路

作者曾经担任专业负责人设计过两个冷却塔供冷系统，目前两个系统均运行良好，节能效果明显。通过对设计过程的总结，现提供作者的设计思路供大家参考，见图3。

如何确定冷却塔供冷系统与制冷机组供冷系统切换点的湿球温度是本系统的一个设计难点，接下来将重点介绍。

图3 冷却塔供冷系统设计思路

3 冷却塔供冷系统设计的难点

该系统设计的难点或者说成败的关键在于如何确定系统切换点的室外湿球温度。按图3 的设计思路可以看出“系统切换的最佳湿球温度”的选取需要综合考虑冷季建筑物耗热量、末端设备允许的最高供水温度、冷却塔热工性能、供冷时间、系统的经济性以及尽量利用原有设备。

3.1 建筑物冷季的最大小时冷负荷分析

为了比较准确地得到建筑物冷季冷负荷的最大小时冷负荷值需要使用 Design Builder 软件进行建模分析。

一般认为在冷季采用冷却塔供冷时室外湿球温度应在10℃以下，由焓湿图计算，在最不利室外相对湿度10%时，对应的室外空气干球温度应在24.5℃以下，而室内设计参数一般考虑在25℃，因此可以不考虑维护结构和新风的空调冷负荷，可以认为民用建筑冷季的负荷仅由室内灯光、人员、设备散热组成。民用建筑常用房间室内散热负荷占总冷负荷的百分数见表1。

表1 室内散热负荷占总冷负荷的百分数

结合表1 的数据以及相关参考文献给出的数据进行分析，内区单个功能房间室内散热量最大小时冷负荷取夏季的40%～63%，外区单个功能房间室内散热量最大小时冷负荷取夏季的30%～55%。考虑到不同功能房间的不同时使用率，根据建筑性质的不同，可以取0.6～0.85，则冷季建筑物总冷负荷为夏季的30%～57%。其实大部分时间新风在冷季还会承担室内负荷，因此上面的数据还是相对保守的。由于室内散热量是相对稳定的，而且占整个冷负荷的比例也是比较大的，因此冷季通过冷却塔供冷，节能效果是会比较明显的。

3.2 空调末端换热量与供水温度的关系

常用的空调末端空调系统有“风机盘管+新风系统”和全空气系统。根据节能的要求，冷季内区应优先采用室外新风消除室内余热，一些工程内区面积或冷负荷过小，或内区采用全空气系统，是没有必要设置冬季供冷水系统的，盲目设置会造成投资增加和新的能源浪费。因此冷却塔供冷系统主要用在内区采用风机盘管加新风系统中，因此重点介绍风机盘管换热量与供水温度的关系。根据上述房间负荷分析可知，冷季房间冷负荷相对夏季负荷的比例因功能的不同而不同，我们可以根据冷季室内负荷需求占夏季负荷的百分率来反算出空调末端设备的最高允许供水温度。根据文献[6]提供的任一工况下的冷量可按下式计算:

式中：ts1，tw1，W分别表示额定工况下进口湿球温度、进水温度和水量；t′s1，t′w1，W′分别表示任一工况下进口湿球温度、进水温度和水量；系数n、m、p的数值为：n=0.284(二排管)，0.426(三排管)，m=0.02，p=0.0167。

在常用冷却塔间接供冷系统设计时，空调冷水侧流量和室内设计温度不变，式(1)中ts1=t′s1,W′=W，式(1)简化为：

从式(2)可以看出空调末端换热器的制冷量仅与进水温度有关。图4 为当室内设计温度为24℃，相对湿度为50%，对应的湿球温度为17℃时，风机盘管在不同进水温度下制冷量占设计工况下制冷量的百分数。图5 为当室内设计温度为25℃，相对湿度为60%，对应的湿球温度为19.4℃时，风机盘管在不同进水温度下制冷量占设计工况下制冷量的百分数。

图4 和图5 给出了民用建筑典型室内设计状态下，风机盘管在不同的冷冻水供水温度下冷量占夏季7℃供水温度下冷量的百分数。具体工程应通过计算确定不同房间的冷季空调负荷占夏季负荷的百分率，按最不利房间末端负荷的要求确定系统的最大供水温度。考虑到空调设计并不要求百分之百的保证率，允许一年有几天的不保证率，因此在初步设计和方案阶段最高供水温度酒店取11℃；商业取13℃；办公取14℃，是能满足工程需要的。

图4 实际制冷量占设计工况制冷量的百分比（室内设计温度为24℃、相对湿度为50%）

图5 实际制冷量占设计工况制冷量的百分比（室内设计温度为25℃、相对湿度为60%）

3.3 冷却塔在不同湿球温度和进出口温差下散热能力分析

根据上述建筑冷季空调冷负荷的分析，冷季空调的最大负荷约占夏季的30%～57%。下面主要分析冷却塔在不同的室外湿球温度和供回水温差下散热量的变化。

3.3.1 描述冷却塔性能的两个重要概念

1)水温降[7]（Δt）是指循环水在冷却塔进、出口处的温度差，国标要求为5℃。

2)冷幅[7]（ΔT）是指冷却塔出水口处循环水的温度与湿球温度之差。

理论上ΔT越小冷却塔的散热效果越好，但冷却塔散热面积要求越大，冷却塔制造成本越大，技术越复杂。通过技术经济比较，ΔT取值大于≥3℃比较合理。

3.3.2 不同设计流量比下水温降（Δt）、冷幅（ΔT）和湿球温度的关系

通过对文献[8]附录F 中冷却塔冷却特性模拟计算数据表（该表由清华大学建筑技术科学系提供，计算采用的冷却塔模型是NTU 方法的逆流换热器模型）的研究，发现冷却塔的出水温度随着冷却塔的流量比的减小而降低，随着水温降的减小而降低，随着湿球温度的降低而降低。一般项目冷却塔的数量在2 台或3 台，冷却水泵和冷却塔一一对应，考虑冷却塔供冷系统在设计时尽量利用原有冷却水泵，同时考虑冷却水泵一般定频运行，因此，流经冷却塔的流量比主要有100%、67%、50%、33%。考虑到冷却塔流量不建议小于额定流量的50%，现结合文献[9]附录C 的数据，利用插值法将100%，67%，50%流量比下冷却塔特性模拟计算结果列于表2。

通过对该表的数据分析可以得出如下结论：要达到同样的出水温度和散热量，可以选择不同的流量和水温降，但是要求的空气湿球温度和冷幅是不一样的。我们在对冷却塔散热量校核时需要根据出水温度的要求，尽量降低冷幅以提高冷却塔的效率，同时降低循环水泵的能耗，延长冷却塔供冷时间，但冷幅不宜低于3℃，避免出水温度不稳定。

表2 冷却塔特性模拟计算数据表

3.4 系统切换的最佳湿球温度的确定

目前相关文献（如文献[9]）对系统切换点的最佳湿球温度的确定虽然做了较多介绍，但作者认为均没有做全面的考虑，主要存在以下问题：

1)设计中只为应付节能而做这个系统，并没有做经济技术分析；

2)以冷却塔供冷时间为依据，但没有结合建筑物冷季负荷的特点对水泵流量进行匹配，导致水泵流量和水温降不能和冷却塔热工性能相匹配，实际供冷温度不满足要求，供冷时间缩短；

3)以末端设备要求的供水温度为依据，但对供水温度的选取并没有经过计算，无论什么功能建筑，只要项目所在地一样就选取相同的切换温度。

下面将以杭州某工程为例来说明如何选择最佳的切换温度。某工程室内设计温度为24℃，相对湿度为50%。夏季设计冷负荷4218 kW。冷水机组、冷却水泵、冷却塔均选用三台。冷却水系统采用定流量母管制系统。冷却泵参数：流量315 m3/h，扬程22 mh20。冷却塔采用开式冷却塔，冷却塔流量为350 m3/h。冷季建筑物总冷负荷为1305 kW，占夏季负荷的30.1%，房间负荷占夏季负荷的百分数分布情况：70%的房间冷季负荷占夏季负荷的(30～40)%，5%的房间占夏季负荷的(50～60)%，25%的房间冷季负荷占夏季负荷的(15～30)%。考虑到5%的房间在冷季房间温度可以适当提高，所以本项目房间冷季负荷在设计时按夏季负荷的40%考虑。具体步骤如下：

1)根据冷季建筑物总冷负荷为1305 kW，为冷却系统的水泵节能不建议循环水温差小于2℃，按5℃、4℃、3℃、2℃计算的流量分别为224 m3/h、280 m3/h、374 m3/h、561 m3/h。考虑到尽量利用原有水泵，考虑1.1 的富裕量，本水泵流量取315 m3/h 一台对应冷却塔水温降4℃或取315 m3/h 两台对应冷却塔水温降2℃。水泵和冷却塔之间流量匹配的组合见表3。根据表中的不同组合并结合表2 的数据和厂家不建议通过冷却塔的流量小于额定流量的50%，初步选定组合1、4 和5；

2)根据房间冷季负荷在设计时按夏季负荷的40%，按公式（4-2）计算得出最大供水温度为13.4℃。考虑板式换热器1℃温差，冷却塔出水温度要求为最高12.4℃。结合冷却塔热工性能数据表可以得到满足供水温度13.4℃时组合1 要求的湿球温度为5.6℃，冷幅为7.1℃；组合4 要求的湿球温度为7.8℃，冷幅为4.6℃；组合5 要求的湿球温度为9.02℃，冷幅为3.38℃；

3)根据杭州室外湿球温度的统计数据可知湿球温度低于9.02℃的小时数为3348 h，占全年运行的38.75%；

4)经济技术分析相对简单，本文因篇幅限制就不做阐述；

5)通过以上计算，本项目最佳的切换湿球温度为9℃，与系统最佳匹配的水泵为2 台，冷却塔为3 台同时运行。因冷季负荷比较稳定，因此水泵和冷却塔不做变频。