建筑物与冷却塔散热相互影响的仿真研究

2017-10-09傅烈虎

制冷 2017年3期

关键词：女儿墙建筑设备冷却塔

傅烈虎，路源

( 艾默生网络能源有限公司，西安 710075 )

建筑物与冷却塔散热相互影响的仿真研究

傅烈虎，路源

( 艾默生网络能源有限公司，西安 710075 )

通过应用6SigmaDCX仿真软件对建筑设备进行物理建模，分析了建筑物对冷却塔散热的影响，得到了冷却塔所在空间的气流场和不同高度的水平温度场，同时发现冷却塔的散热对建筑物的围护结构的传热也有重要影响。

建筑物；冷却塔；仿真研究

Abstract：Set up a physical modeling of building equipment by using simulation software of 6SigmaDCX,analyzed influence of building to cooling tower cooling, and got air flow field and the different levels of the horizontal temperature field.It is found that cooling tower cooling had an important impact on envelope heat transfer of building.Keywords：Building;Cooling tower;Simulation study

工业生产或制冷工艺过程中产生的废热，一般要用冷却水来导走。冷却塔的作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气。建筑物的中央空调系统也需要冷却水将建筑物内的热负荷导出到室外大自然环境中，其冷却塔一般安装在建筑物室外的裙楼平台上面或者大楼的屋顶。但在大楼建设的设计初期，由于建筑专业和暖通专业的设计师沟通不充分，导致大楼建成后的室外平台是否满足冷却塔的散热要求具有不确定性。通过对室外冷却塔的散热进行建模仿真是一个非常有效的热环境评估手段。本文将采用6SigmaDCX仿真软件对室外的建筑空间进行建模仿真，分析其气流场和水平温度场。

1 冷却塔的散热原理

载热流体在闭式冷却塔换热盘管内及介质冷却设备间循环流动，盘管上方的喷淋水沿排管均匀地喷洒在盘管的表面，在管壁外表面形成均匀的水膜，室外冷空气由塔体下方的进风口进入塔内，与喷淋水呈相反方向流经盘管外的水膜层；通过接触传热和一部分喷淋水蒸发散热而吸收盘管内水中的热量而传给空气，吸收热量后的饱和热湿空气由冷却塔顶部的排风机排至大气中，其余的喷淋水流入塔体下部的集水盘，由循环水泵再输送至喷淋系统。[1]

1-风机 2-收水器 3-喷淋水管 4-换热盘管5-集水器 6-循环泵 7-塔体图1 冷却塔的散热原理

2 冷却塔的安装要求

冷却塔的位置应选择在通风良好、气流通畅、湿热空气回流影响小的建筑物最小频率风向的上风侧；不应布置在热源、废气和烟气排放口附近,如厨房排风等高温气体排放处；不宜布置在高大建筑物中间的狭长地带上。当冷却塔设在地下或用围墙、顶板等遮挡时，宜采用能将高温气流送至远离冷却塔进风处的塔型,并应配合生产厂进行冷却塔气流组织的计算，避免热空气的回流，确保足够的进风面积。同时，冷却塔设置的高度宜靠近冷冻机组，以减少管道的水头损失，达到节能目的。在冷却塔的布置上，宜保证冷却塔之间的距离，有良好的气流组织条件，避免影响冷却塔的散热效果。冷却塔宜单排布置，当需多排布置时，塔排的间距应保证塔排的同时进风量。单侧进风塔的进风面宜面向夏季主导风向，双侧进风塔的进风面宜平行夏季主导风向。冷却塔进风侧离建筑物的距离宜大于塔进风口高度的2倍。冷却塔的四周除满足通风要求和管道安装位置外，还应留有检修通道，通道净距不宜小于1m。[2]

3 建筑物对冷却塔散热影响

实际工程的冷却塔安装环境非常复杂，在设计初期往往无法准确的核算其气流组织效果是否合理。本文以某实际项目中的冷却塔安装为例，通过建立建筑物及室外冷却塔的三维模型，应用CFD仿真软件对该项目中的冷却塔的室外散热情形进行了模拟研究。

3.1 基本物理模型

实际的建筑物高40米，裙楼高10米，裙楼的室外平台面积为10米×10米。建筑物的西北角为室外平台，室外平台上安装有1台冷却塔，其外形尺寸(长×宽×高)为5米×5米×4米。冷却塔为横流闭式强制通风类型，在室外平台居中布置，裙楼的女儿墙高3.5米，正好将冷却塔围在中央。

冷却塔的基本性能参数：进、出水温为30℃/35℃，湿球温度为24℃，冷却水流量为390L/s，空气流量为180m3/s。

图2 基本三维建筑设备模型

图3 基本平面建筑设备模型

3.2 仿真软件介绍

6SigmaDCX是一款专门进行建筑物内温度场和气流场进行仿真计算分析的软件，最新的10.0版本已经支持对建筑物外空间进行温度场和气流场的仿真计算。通过对建筑物外空间的仿真，可以帮助设计师们进行冷却塔设备的合理布局，恰当的设置安装高度和安装距离，并指导改善散热通风的方法和路径。

在建筑物内仿真方面，6SigmaDCX主要应用于数据中心基础设施的热环境评估，通过对数据中心基础设施的物理建模和仿真分析，找出数据中心目前存在的局部热点或能效低下的原因，并给出合理的设备布局和气流组织方式。

3.3 仿真结果分析

通过6SigmaDCX对建筑设备进行建模并仿真计算分析，得到了该建筑设备模型下的气流场和温度场结果。

3.3.1 气流场分析

由于女儿墙的存在，冷却塔相当于被女儿墙和周围建筑包裹着。冷却塔的进风气流必须先绕过女儿墙才能进到冷却塔内，并通过排风机排走。通过室外的气流场的气流流向发现：大部分气流进到女儿墙内后形成气旋，基本气流是在冷却塔靠近建筑物的角落里徘徊，形成了一个气旋死角，既没有被冷却塔吸进去也没有排出来。另外冷却塔排出来的热空气(最高温度达33.6℃)和建筑物墙体发生热交换，会使得建筑物南半部分温度有所升高。

图4 三维建筑设备模型的气流场

图5 平面建筑设备模型的气流场

3.3.2 温度场分析

气流场分析的优点是可以看到设备进出风气流温度的变化情况，但它没有显示某个平面的温度变化情况。温度场的分析可以弥补这个缺憾。图6～图9分别显示了高度方向5米、8米、13米和16米处的水平温度场情况。其中5米和8米高处的水平温度场位于冷却塔安装平面以下，建筑物南半部分温度在高度方向上离冷却塔越近的位置温度越高；13米高处的水平温度场正好位于冷却塔安装高度(10～14米)内，其对应的建筑物南部分温度最高，因为此处离冷却塔排风最近，墙体热交换最剧烈；16米高处的水平温度场位于冷却塔安装平面以上，离冷却塔排风位置较远，其对应的建筑物南部分温度已开始下降。

可见，室外冷却塔的散热对在其安装高度内的建筑墙体围护结构的传热影响较大，该区域的围护结构的传热量对室内空调的选型很重要，必须加大室内热负荷概算指标，不应再按100～150W/m2的热负荷指标来选择室内空调的冷量。这点在民用建筑的空调选型中特别重要，因为民用建筑的室内热负荷大部分来自建筑围护结构的传热。这种情况除了加大室内热负荷概算指标外，还可以加强建筑物围护结构的保温，来减弱围护结构的传热影响。如果是在数据中心领域，建筑围护结构的传热影响可以忽略不计，因为数据中心的主要热负荷来自高发热量的IT设备。

图6 5米高处的水平温度场

图7 8米高处的水平温度场

4 结论

冷却塔的散热与周围的建筑环境有关。在满足冷却塔厂家的产品安装要求的前提下，还要注意冷却塔的周围建筑环境对冷却塔通风散热的影响，也要注意冷却塔散热对建筑物围护结构传热的影响。在民用建筑中，要么在室内空调冷量选型时加大热负荷概算指标，要么在室外加强围护结构的保温，以减弱冷却塔散热造成的室内空气品质的下降。在数据中心中，可以忽略冷却塔散热造成的围护结构的传热影响。