关于冷却塔节能技术的探讨

李兰花

（阿自倍尔自控工程(上海)有限公司，上海 200233）

关于冷却塔节能技术的探讨

李兰花

（阿自倍尔自控工程(上海)有限公司，上海 200233）

探讨了冷却塔的节能技术，通过分析冷却塔的基本要素对冷却能力的影响，阐述了冷却塔的节能途径，探讨了冷却水泵变频控制的节能途径，并结合工程实例，阐明了冷却水泵的变频控制可带来明显的节能效果。

冷却塔；节能；冷却塔的基本要素；节能途径；冷却水泵；变频

0 引言

随着社会的不断进步与科学技术的不断发展，人们越来越关心赖以生存的地球，世界上大多数国家也充分认识到了环境对人类发展的重要性。最为重要也是最为紧迫的问题就是能源问题，要从根本上解决能源问题，除了寻找新的能源，节能是关键的也是目前最直接有效的重要措施。

冷却塔是相对比较简单的装置，对于空调用户而言，冷却塔的功耗在整个空调系统的能耗中占有一定的比例，而且由于其使用频率高，累计能耗是十分可观的。从节约能源的角度讲，应当对空调系统中冷却塔的耗能给予重视，系统节能应整体考虑。要认识到冷却塔是利用 “大气”这个自然能源的设备，所以使用冷却塔本身实际上就是节能，但是为了适应越来越高的节能要求，应该分析冷却塔的基本要素，从运行过程中节约水泵、风机等能耗的观点出发，找出冷却塔节能的各种实施方法。

1 冷却塔的基本要素

冷却塔是热交换器的一种，冷却塔是使冷冻机的冷凝器中温度上升后的冷却水与大气接触，同时使其一部分蒸发，并通过汽化热使冷却水的温度下降的装置。

为了使冷却水高效率地冷却，冷却塔采用了各种各样的措施。如设置送风机，强制性地向冷却塔内输送大气；将合成树脂做成蜂窝状结构的填充材料，使空气和水尽可能长时间地接触等。冷却塔的设计是通常根据外气(湿球)温度、冷却水入口温度、冷却水出口温度、循环水量，确定冷却塔的规模和送风装置的规格。

1）外气(湿球)温度

冷却塔中得到的冷却水温度随室外空气的湿球温度的变化而变化。外气温度越低，得到的冷却水的温度越低。但是我们必须注意的是冷却水温度太低的话，冷凝温度过低，制冷机组的冷凝压力会大幅降低，将导致制冷机组运行容易出现故障，甚至无法启动。所以对于制冷机冷凝器冷凝压力有一个低限值，冷凝温度也有一个低温限制。

2）入口温度

当循环水量一定，外气湿球温度一定时，随着冷却塔入口温度的增加，入口水温及空气湿球温度之差都将增加，促进了冷却，因此冷却能力会增加。

3）出口温度

对于制冷机组而言，冷却塔的出口温度是极为重要的参数，为了确保冷却塔出口温度，可进行旁通阀的比例控制。一般情况下，冷却塔采用以下设计：当外气湿球温度为27°C、入口温度为37°C时，冷却水的温度可以达到32°C。因此，外气温度一旦降低，就能得到更底温度的冷却水。虽然因冷冻机的机型和负荷情况的不同而有所变化，但当冷却水的温度25°C以上时，冷冻机一般仍然可以正常工作。所以，为了提高冷冻机的性能系数，在设定冷却水温度时，最好将其设置为25°C，而不是32°C。由于冷却水温度越低，冷冻机的运转效率较高，因此冷却水温度控制的设定值不是设计值而应尽量低，但是，因冷冻机种类的不同，冷却水温度的下限值也可能不同，因此要注意。

（4）循环水量

当冷却水入口水温，空气湿球温度一定时，循环水量增加，冷却塔的总容积传热系数也会增加。虽然冷却水温降有所减少，但总的效果还会使冷却能力增加。但是过量增加水量，会引起流入空气的抵抗增加而减少通过风量，所以反而会造成性能低下的结果。

2 冷却塔的节能途径

由上所述冷却塔的规模、送风装置的规格由外气湿球温度，入口水温，出口温度及循环水量所决定。因此，如果在运行过程中，上诉基本要素发生变化时，采用适当的措施，能做到使冷却塔的冷却能力与冷却负荷相匹配，从而实现节约能耗。

1）冷却塔风机的启停控制

根据冷却塔出口温度控制风机的启停，温度高于设定值时时停止风机运转，达到防止水温过低及节能的目的。为防止频繁开、关风机，启动温度设有 5°C以上的工作间隙。

2）风机的变频控制

根据冷却塔出口温度和外气湿球温度差或者只用或者只用出口温度，进行风机的变频控制，从而能实现节能的目的，同时也可减少风机的启停次数，延长风机的使用寿命。

3）风机台数控制

当系统有几台冷却塔或者每台冷却塔有几台风机时，根据冷冻机负荷流量或则冷却塔出口温度，进行风机的台数控制，从而节省冷却塔风机的能耗。

4）冷却水泵可变流量控制

由于水泵的流量与转速成正比，水泵的输入功率与转速成立方比，因此水泵变频调速是实现水泵节能运行的重要手段。但是空调冷却水系统与冷冻水系统比较，水力特性不同，水泵变频工作时，工作效率将发生变化。与冷冻水泵变频相比，冷却水泵变频问题研究较少，争议也比较多。所以下边侧重于讨论冷却水泵的变频控制[1]。

3 冷却水泵的变频控制

一直以来，冷冻水泵的变频节能问题备受关注，研究颇多，结论也趋于统一，一般认为冷冻水泵变频是一种值得推广的节能措施。相对而言，冷却水泵变频问题研究较少，争议也比较多。

为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动的要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。近年，推进冷冻机的高效率化，低负荷时可减少冷却水流量。因此冷却水搬送动力的减少对冷却塔能力的提高能起到一定效果。这时的控制需要对应外气湿球温度的冷却水流量和冷却塔入口温度，进行冷却水泵的变频控制，冷却水流量的可变范围为60%～100%。

由于涉及到冷冻机的运行、管道特性特点及冷却塔的工作状况，给冷却水泵变频控制增加了一些不确定因素。鉴于此，本文通过冷却水泵变频控制的能耗分析，评价其节能效果。

由流体学知识可知[2]，水泵的流量与转速成正比，水泵的输入功率与转速成立方比关系，如下：

式中，Q1、Q2为水泵额定工况和实际工况下流量(L/ min)；N1、N2为水泵额定工况和实际工况下的功率(kw)；n1、n2为水泵额定工况和实际工况下的转速(r/min)。

当改变流量时，消耗的功率按三次方的比例变化，所以减少流量时，所消耗的能耗按三次方的比例减少，因此减少流量具有非常明显的节能效果。举例说，水泵转速降低30%，电耗可减少65.7%。

但是，冷却水的管道特性不同于冷冻水系统，该系统为全闭式，管道特性曲线通过原点，水泵的扬程用于克服系统内的总阻力。而在冷却水系统中，冷却塔撒水点与冷却塔内水面之间存在有高度差，此高度差是定值，不会随水泵流量的减少而减小。

冷却水系统与冷冻水系统的管道特性方程如下：

式中：H1、H2为冷却水和冷冻水系统的阻力(m)；Q1、Q2为冷却水和冷冻水的流量(m3/h)；K1、K2为冷却水和冷冻水系统的管道特性系数；Δh为冷却塔撒水点与冷却塔内水面之间的高差(m)。

以某工程冷却水泵性能为例，设Q1=Q2=500m3/h，H=30m，η=90%，K1=0.000108，K2=0.00012，Δh=3m，N=45kw。

表 1为冷却水泵与冷冻水泵（水力特性）能耗比较。可看出，冷却水泵和冷冻水泵变频控制，在同样条件下，由于管道特性不同，冷却水泵的能耗和冷冻水泵的能耗有所不同，其随流量降低，差值增大。当流量达到 60%时，冷冻水泵能耗比冷却水泵能耗约减少17.76%，不过此时的基本能耗相对较少。

表1 冷却水泵与冷冻水泵(水力特性)能耗比较

由于冷却塔的管道特性不同于冷冻水泵的管道特性，冷却水泵的变频控制与冷冻水泵的变频控制比较，节能效果有所减少，但仍具有显著的节能效果。

4 结语

冷却塔的规模由几个基本要素决定，分析这几个基本要素会发现冷却塔的分析途径，其中冷却水泵的变频控制在技术上和经济上都是合理的，并从工程实例中看出，冷却水泵的变频控制节能效果显著。

[1] 郅玉声. 提高冷却塔冷却效率的工艺研究[J]. 化工给排水设计, 1995(1): 5-7

[2] 蔡增基, 龙天渝. 流体力学泵与风机[M]. 北京:建筑工业出版社,1999.

Discussion on Energy Saving Technology of Cooling Tower

LI Lan-hua
(Azbil Control Solutions (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

This paper discusses the cooling tower of energy saving technology. By the analysis of basic elements of cooling capacity of cooling tower, the cooling tower of energy-saving way is expounded. The energy saving of frequency conversion control of cooling water pump is discussed. Combined with engineering example, the cooling water pump frequency conversion control which can bring obvious energy saving effect is illuminated.

cooling tower; energy saving; basic elements of cooling tower; energy-saving way; cooling water pump; frequency conversion

TP212

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.011

李兰花，女，硕士，工程师。研究方向：控制理论与控制工程。