高层建筑冷却塔选型校核及气流组织模拟

王俊杰

上海国瑞环保科技股份有限公司

引言

冷却塔作为中央空调系统中的一个重要的大型设备，直接影响空调系统制冷效果和效率[1]。而冷却塔布置的位置是冷却塔运行性能的重要因素之一[2]。考虑到建筑物外立面的美观及受到场地的限制，冷却塔通常被布置在裙房、主楼屋顶等[3]。当冷却塔布置在屋面时，因屋面空间大小和形状的不同，冷却塔散热时的气流可能会受到周围墙体，擦窗机轨道、梁、柱等影响。环境风的大小与方向也是影响冷却塔散热效果的影响因素之一。由于冷却塔所处环境的复杂性，完全依靠工程经验进行分析并不完全。相比于现场、模型实验测量，运用CFD技术进行数值模拟分析，具有费用低、分析数据全面、所需时间短等优点[4]。

考虑到本项目节能改造工作已经完成，项目在投入运行后发现冷却塔散热效率不高，设备供应方和甲方工程部均怀疑冷却塔的选型和布置位置存在问题。本文依托CFD模拟软件进行深入研究，对计算、选型、布置等问题逐一进行讨论。

1 概况

1.1 工程简介

本项目为双塔办公楼，总建筑面积15．09万㎡，地上28层，地下2层，总建筑高度99．75m。2004年建成。设备投入使用12年，2016年底进行节能改造，2017年的中期完工，新购冷却塔投入使用。

1.2 气象条件

该建筑坐落于上海江苏路地铁站附近，夏季屋面以东南偏南风为主，风力平缓。

1.3 改造方案

改造前，本项目冷冻机房原有4台1000RT的离心机和1台500RT的离心机，设计制冷量4500RT。实际使用中，夏季极端天气最多开启2台1000RT的离心机和1台500RT的离心机，实际制冷量为2500RT。改造前两座塔楼东楼屋面布置10台冷却塔，西楼屋面布置8台冷却塔，共计18台逆流式冷却塔。现将东西两楼屋面的冷却塔进行拆除，并根据实际运行制冷量重新进行选型计算，并将最终选购的冷却塔放置在东楼屋面的原冷却塔基础之上。

1.4 问题描述

在日常运行中，夏季极端天气室外干球温度35℃，室外湿球温度27．5℃，开启2台1000RT的离心机和1台500RT的离心机，冷却塔风机全部工频运行，冷却塔进水温度39℃，出水温度36℃，冷冻机的冷凝器温度高达40℃，冷凝器压力较高。而正常运行时，冷凝器温度宜控制在38℃以下。产生此现象的的原因分析如下：（1）冷却塔水量不足；（2）冷却塔风机电流偏小；（3）冷却塔局部排风口被梁和擦窗机轨道遮挡，散热效率下降；（4）冷却塔距离核心筒较近，可能存在热湿空气回流现象。

1.5 解决方法

对于问题描述中所涉及可能产生的原因采用以下解决方法：

(1)对冷却塔选型进行校核计算。

(2)由冷却塔供应商维修人员重新调整风扇皮带松紧度，提高风机电流。

(3)建立CFD数学模型，对整个空间的温度场和气流场进行数值模拟。

2 选型计算与数值模拟

2.1 冷却塔选型计算

计算公式：

其中，W1为冷冻机总制冷量，kW；W2为压缩机总耗电量，kW；Q为水流量，m3/h；Δt为温度差，取5℃。本项目中，2台1000RT离心式冷水机组，单台功率716kW；1台500RT离心式冷水机组，功率379kW。

代入计算公式：

（1000+1000+500）×3．517+（716+716+379）=1．163×Q×5

计算得出：Q=1824 m3/h。根据《实用供热空调设计手册》规定：选用冷却塔时，冷却水量应考虑1．1～1．2安全系数[5]。本项目考虑1．4安全系数，Q＇=1．4 ×Q=2554 m3/h。根据某厂家样本，最终选择双模块8台逆流式冷却塔，单模块循环流量为1280 m3/h，功率11×4 kW。从计算过程可以判定，选型结果合理。

原有冷却水泵6台，与5台冷水机组一一对应，1台备用。4台大水泵流量为720 m3/h，1台小水泵流量为400 m3/h，1台备用泵为所有水泵备用，流量为720 m3/h。节能改造中，每台冷却塔进水口均安装电动阀，冷却塔风机、冷却水泵加装变频器。

2.2 CFD模型及计算

2.2.1冷却塔布置及相邻障碍物

冷却塔毗邻障碍物时，受夏季主导风向的影响较大。若主导风向下风侧有障碍物时，逆流式冷却塔排出的热湿空气随主导风向飘移，若在飘移过程中被障碍物阻挡，可能存在热湿空气回流至冷却塔进风侧。考虑到上述因素，在冷却塔布置时尽可能安排在障碍物的下风侧，当无法避免时，应控制冷却塔与障碍物距离。当障碍物的高度超出冷却塔顶部的距离为h（m）时，一般要求a≮h，当h＞15m时，a不再增加[6]。冷却塔及相邻障碍物合理布置简图如图1所示：

图1 相邻障碍物及冷却塔合理布置简图

图2 冷却塔安装及相邻障碍物示意图

本项目中a=3m，h=2．5m，夏季运行时，冷却塔位于下风侧，并不存在图1中的问题。由于夏季极端天气较为闷热，仅凭主观判断是否存在热湿空气回流现象并不十分可靠。为了阐述气流组织的运动状态，通过模型搭建及计算分析进一步加以佐证。本项目中，冷却塔及相邻障碍物安装如图2所示：

2.2.2选用公式

暖通空调领域的流体流动问题遵循质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程[7]。空间高度大于5m、体积大于10 000m3的建筑被称为大空间建筑[8]。以往的研究表明，RNG k-ε模型能够准确地预测高大空间工厂内的气流场和温度场[9]。本文采用CFD软件Airpak 3．0．16自带的RNG k-ε方程进行模拟计算。

2.2.3边界条件

为简化模型，同时模拟夏季极端天气运行工况，采用以下假设：

(1)忽略太阳辐射、地面反射、壁面之间的换热[10]。

(2)所有墙体、梁、柱、楼板绝热平坦。

(3)省去模型中不影响计算结果的冷却塔基础、管道、支架、少许立柱。

(4)夏季室外干球温度取实际气象干球温度35℃，相对湿度取69%RH[11]。

(5)屋面风速为东南偏南风，风速取2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s，风力夹角东南与正南方向取30°计算。

(6)根据冷却塔厂家提供的材料：单个风机排风量为2 200 m3/min，排风口直径3m，计算得排风口风速为5．19m/s。

(7)冷却塔稳态持续放热，散热效率不受周围环境因素的变化而改变，根据2．1中计算公式，考虑到冷水机组已使用12年，制冷效率按每年1%衰减，实际效率为88%，计算得双模块8台冷却塔总散热量为：

W=（1000+1000+500）×3．517×88%+

（716+716+379）=9548．4 kW

“冷却塔选型计算”得出单模块4台放热量10 604 kW。

单模块4台冷却塔散热量为：W1+W2=W/2=4774．2 kW

(8)空气密度按理想气体处理，同时考虑重力对气流的影响。

2.2.4屋面模型

屋面模型中主要由双模块8台冷却塔、楼板、梁、立柱、擦窗机轨道、核心筒外墙和女儿墙组成。整个模型尺寸为36．8m×54．6m×9．7m（长×宽×高），约19490m3。夏季室外风速以东南偏南风为主，双模块冷却塔放置在核心筒外墙与外立柱之间，并排布置。具体模型见图3：

图3 屋面整体计算模型

2.2.5网格划分及边界条件

考虑到大空间内气流组织的复杂性，本文采用混合网络对计算区域进行离散，对冷却塔的进风口、排风口进行网络加密。松弛因子设定：压力松弛因子取0．3，动量松弛因子取0．7，温度和黏度松弛因子取1．0，质量力松弛因子取0．1，湍流动能和湍流耗散率松弛因子取0．5，迭代计算1000次，模型收敛情况较好。

3 模拟结果与分析

3.1 进风口与排风口温度场分析

图4和图5是当室外东南偏南风风速为4m/s时冷却塔进风口与排风口的温度分布图。从模拟结果来看，环境风速的变化，对冷却塔进风口与排风口温度梯度的变化影响不大。梁、擦窗机轨道等位于高处的建筑遮挡物并未对冷却塔散热造成影响。冷却塔进风口温度为室外干球温度，排风口温度最高，没有出现热湿空气回流现象。

图4 冷却塔进风口与排风口温度场分布图（x=7．67m平面）

图5 冷却塔进风口与排风口温度场分布图（z=21．92m平面）

3.2 进风口与排风口速度场分析

图6、图7为室外东南偏南风的风速为4m/s时，冷却塔进风口与排风口的速度分布图。从模拟结果来看，环境风速的变化，对冷却塔进风口与排风口速度矢量的变化影响不大。梁、擦窗机轨道等位于高处的建筑遮挡物并未改变冷却塔排风口气流走向。冷却塔进风口吸取周围环境的低温空气，排风口向上排出热湿气流，没有出现气流短路现象。模拟结果与现场观测基本一致。

图6 冷却塔进风口与排风口速度场分布图（x=7．67m平面）

图7 冷却塔进风口与排风口速度场分布图（z=21．92m平面）

4 结论

(1)冷却塔计算选型合理，满足设计要求。

(2)夏季环境风速的变化，对冷却塔散热时的气流组织影响较小。

(3)冷却塔四周的墙体，擦窗机轨道、梁、柱、以及冷却塔与核心筒的间距对冷却塔散热影响较小。

(4)CFD模拟和现场观测均表明冷却塔布置合理，气流通道顺畅，未出现热湿空气回流现象。

(5)进一步判断冷却塔散热效果不佳可能与塔内填料、水泵流量、风机功率、环境湿球温度、冰机冷凝器污垢热阻等因素有关。

5 展望

由于篇幅原因，本文从选型计算和气流组织模拟两方面分析了某项目冷却塔在夏季极端天气的散热情况，并未讨论可能会影响冷却塔散热效率的其他方面因素。实际运行过程中，环境湿球温度、塔内填料、水泵流量等都是造成冷却塔散热效率低下的关键因素。今后将持续关注本项目冷却塔的运行数据，对文中没有讨论的其他重要影响因素进行跟踪分析。

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俄建造世界首个“漂浮核电站”

日前，由俄罗斯研制的“罗蒙诺索夫院士”号浮动核电站离开圣彼得堡造船厂船坞，进入海上安装调试。在装载核燃料后，“罗蒙诺索夫院士”号将于2019年夏天前往北极港口佩韦克，并交付使用。该核电站配备两套改进的KLT-40S反应堆，可提供高达70MW的电力或300MW的热量。该核电站安装在船舶平台上，既可为偏远岛屿供应安全、有效的能源，也可为远洋作业的海上石油、天然气开采平台提供电力、热力和淡水资源。

（RIA Novosti）