某冷却塔机房设计方案优化分析

司子辉 （广州华商职业学院，广东 广州 511300）

0 引 言

冷却塔是冰蓄冷空调中最重要的设备，冷却塔机房布置的是否合理，直接影响整个空调系统的性能。人们对生活质量的要求日益提高，进而对生活环境也更加关注，很多冷却塔被放置在相对较密闭的空间里，进风口的大小直接影响冷却塔的换热效果。因此本文对冷却塔机房的设计给出了3种不同的方案，分别对3种方案模拟实验，对比结果，得到合理的结论，为工程设计提供参考。

1 冷却塔机房概况

某建筑功能为写字楼，中心筒是电梯通道，周围与大气相通。图1～2所示，冷却塔布置于塔楼的6～9层挑空层，冷却塔布置在室内3m高的钢架基础上，冷却塔进风口设置在机房4个角的集中进风井，4角进风井均从4层开始，4层底部为进风口。4角分别开有进风口:西北角和西南角进风口尺寸宽高为5m×16m，西南角和东南角进风口尺寸宽高为5m×10m。排风口布置在冷却塔机房东、西、北3个侧面并采用排风百叶窗。冷却塔选用立式鼓风型共13台，单台名义处理水量1000m3/h。为了防止高湿度室外环境下冷却塔排风出现雾气，其中10台冷却塔配置防雾加热盘管，另双工况主机冷却水系统有3台冷却塔不设，极端负荷时使用，不会出现白雾，位于东面和北面右侧。冷却塔单台风量503000m3/h，冷却塔的出口余压180Pa。

图1 冷却塔机房C 版平面图

图2 冷却塔机房C 版图三维图

2 模拟思路

冷却塔模拟具体思路如下流程图。

3 CFD 物理模型

用数值传热学和仿真原理[1～3]，本文模拟的重点在于冷却塔的循环风量、排风管回流和机房外进出风是否存在混流。主要的思路是简化分段建模，所以建模根据实际尺寸建模，主要分为3个模型：机房内进风模型；排风管模型；机房外部模型。其中室内气流组织主要模拟冷却塔的进风压力分布和冷却塔出风口的流速分布；排风管内部速度场、温度场分布和室外进出风口速度场、温度场分布。

机房内设备尺寸 表1

3.1 CFD 机房内模型-C 版图

图3～5可知，出风口大小同实际冷却塔尺寸，同时将出风口向下延伸至冷却塔风机出口处（3m高），避免气流直接进入8层楼板设置出风口，影响模拟效果。

①四角进风口考虑进风消声器的影响，经计算校核，进风口面积按照50%（计算值为43.2%）建模；

②机房内2根DN1200mm冷冻/却水管、1根DN1000mm平衡管，尺寸按实际尺寸建模；

③机房内设备如冷却塔、西侧电梯、热泵机组、热泵水泵按照实际尺寸表2建模；

④忽略冷却塔钢支架、水管支架、排风静压箱支架和检修平台支架。

3.2 CFD 机房内模型-厂家方案

相对于C版图方案，厂家方案的主要依据是风机到墙的距离有要求，方案中将东侧中间内的塔移至北侧，从而形成北侧和东侧各5台塔，其次是抬高0.5m冷却塔基础以增大进风静压箱的体积。

3.3 CFD 机房内模型-C 版图优化方案

相对于C版图方案，C版图优化方案主要是在东、西、北3个正面增加了进风口。考虑进风消声器的开孔率，进风口高度为0.8m，长度与排风口长度一致，与6层楼板齐平，位置与排风口对齐。

3.4 CFD 排风管模型

图4可知，3个排风管接1个静压箱，机房内静压箱数量共13台，想知道内部气流是否有回流情况，只需研究最大风量对应的最小风箱和最小风量对应的最大风箱的内部气流分布情况即可。因此，选择西侧中间1个风箱和东南角1个风箱为研究对象。

3.5 CFD 机房外简化模型

根据前一章对各个室内方案的模拟，各台塔满足设计循环风量要求的只有C版图优化方案，因此本文在C版图优化方案模拟结果的基础上进行机房外气流组织模拟，如图6所示。

机房外的建模主要影响因素：

①已知设计工况下室外环境温度为33.7℃，冷却塔的出风温度36.5℃，室外风速2.1m/s，主导风向为东南风，在东、西、北三侧由出风墙向外延伸30m，以出风口为界上下分别延伸20m。

②东、西、北侧排风口与幕墙百叶如图13所示，之间3m宽，同时在8层楼板位置，将墙体与幕墙百叶之间3m采取密封措施。机房外排风口防雨格栅按照实际尺寸，竖直向右倾斜角45°。

4 数学模型

不同方案的模型如下：

图3 机房内模型-三维图

图4 西侧最小风量-最大静压箱

图5 机房外模型-C 版优化三维图

4.1 各模型模型边界条件

用CAD三维建好物理模型后，导入gambit中，对不同模型网格化。网格采用六面体和四面体混合网格，根据不同计算要求，分块划分。具体参数见表2～4，网格好的模型导入Ansys&fluent中求解计算收敛。计算的模型选标准κ～ε 两方程模型，各方程的离散化均采用二阶迎风格式，同时用Simple算法求解，在求解过程中，连续性方程和动量方程的残差分别设为10-3～10-6。

模型进出口位置 表2

边界条件 表3

4.2 CFD 模型网格大小和数量

网格参数 表4

5 不同方案数值计算域结果分析

图6 速度场-C版图方案

图7 冷却塔进口压力场-C 版图方案

图8 速度场-厂家方案

图10 速度场-C 版图优化方案

图11 进口压力场-C 版图优化方案

图12 西侧排风管口速度场-最小风量下最大风箱(风量1 台塔、静压箱11m 宽)

图13 进风口温度分布图

5.1 结果对比分析

从排风管的模拟结果来看，气流分布良好，并不存在倒灌回流现象。结果分析见表5。

不同方案压力下的速度和风量 表5

由表5显示，前2种方案都存在风量不足问题，第3种方案不存在风机风量不足的问题。最后得出结论，增设进风口为最优方案。选出最优方案后，下面验证这种方案是否存在回流问题。

5.2 C 版图优化方案外场模拟结果分析

由外场进风口温度图可知，东北角有轻微返混现象。主要原因是受东南风的影响，东侧的热风向东北角聚集，但对进风温度几乎没有影响。

6 结 论

①从C版方案和厂家方案看，从内场的压力分布图和速度分布图可知，适当调整风机入口压力-40Pa，只有1台冷却塔不满足风量要求。调整这台压力为-50Pa，可以达到设计要求。这两种方案比较来看，并不是同一位置的冷却塔，经分析，造成这种结果的原因可能是调整位置后，改变了内部气流分布。C版图优化方案：增设的进风口风速约5m/s。以西侧为例，增设风口高0.8m，3个风口长度和达到26m（11+8+7），所以西侧增设进风口风量达到104m3/s，占到1台塔风量的75%。加上东侧和北侧，进风量总和超过2台塔，从而大幅缓解了四角进风的压力。

②从排风管的模拟结果来看，气流分布良好，并不存在倒灌回流现象。外场的结果显示：有轻微返混现象，但对进风温度几乎没有影响。有外场四角速度分布图可知，进风口和新增风口的进风风速在4.0～6.5之间，根据新风口和排风口设计规范[4]得到最大风速在允许的范围。

③冷却塔进出风部件风阻的保证：根据上述模拟结果，冷却塔进风风阻至少保证-50Pa。根据冷却塔厂家塔外余压>200Pa的保证，因此冷却塔出风的全部风阻应不大于150Pa。因此建议出风管部件的风阻必须严格控制，同时建议实际值不得超过130Pa（带热水除雾盘管），保留20Pa的余量。C版图优化方案的进风余压比C版图方案及厂家方案低10Pa。

[1]杨世铭，陶文铨.传热学（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2]陶文铨.数值传热学（第二版）[M].西安：西安交通大学出版社,2001.

[3]王福军.计算流体力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4]全国民用建筑工程设计技术措施／暖通空调-动力[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.