散热降噪耦合对区域供冷系统冷却塔选型的影响

2021-12-29深圳市前海能源科技发展有限公司马建波王朝晖旷金国

暖通空调 2021年12期

深圳市前海能源科技发展有限公司马建波王朝晖旷金国胡勣

0 引言

近年来，区域集中供冷系统在国内快速发展[1-2]。区别于单栋建筑自建制冷机房的独立供冷系统，区域供冷系统将多栋建筑的制冷冷源集中建设，形成集中制冷站，并通过冷水管道将冷水输送到各建筑物。区域供冷系统的优势是规模化与设备共享，以深圳前海2号集中制冷站(以下简称前海2号制冷站)为例，其供冷建筑面积为213万m2，采用1套制冷系统，分两期建设，如果按照1栋建筑物建筑面积10万m2计算，213万m2建筑面积需要建设21个独立的制冷机房，需要21个屋顶布置冷却塔，在高容积率建筑群，不到100 m间隔就可能存在1个布置有冷却塔的屋顶，而采用区域供冷系统，只需要在1个屋顶集中布置冷却塔即可，节省了大量城市建筑屋顶空间，为建筑方案设计提供了更多自由度。冷却塔集中布置的优点还包括：可以在规划层面将制冷站选址在空气流动畅通的地方，有利于冷却塔散热，减少热岛效应；可以集中处理冷却塔噪声，整体解决对环境不利的因素。区域供冷是一种政府、园区、用户多方受益的方案。

近年来，冷却塔噪声对周围环境的影响已越来越引起人们的重视，控制和治理冷却塔噪声污染、妥善处理冷却塔噪声对周围环境的影响越来越受到关注。区域供冷系统的冷却塔集中布置，降噪一般采用单塔降噪与冷却塔区域集中降噪2种技术路线。单塔降噪指在每台冷却塔的进风口与排风口安装消声器，集中降噪指在冷却塔布置区域的周边与顶部安装消声器。

增加降噪设备后，冷却塔的散热性能会受到影响，形成冷却塔散热与降噪的耦合。文献[3-16]分别对冷却塔的热工性能、降噪等进行了研究，但是对于冷却塔散热与降噪耦合的分析比较少见。本文以前海2号制冷站单塔降噪方案为例，对应对冷却塔散热降噪耦合问题的设备选型与实际运行情况进行分析研究。

1 冷却塔的降噪设计

1.1 冷却塔的噪声来源与源头降噪

冷却塔噪声由以下几部分组成：风机噪声、淋水噪声、机械噪声和电动机噪声[11]。通常来说风机噪声和淋水噪声是冷却塔噪声的主要组成部分，是降噪的主要对象。

机械通风的冷却塔一般采用轴流风机，其噪声主要为空气动力噪声，排气口噪声主要为低频噪声。风机噪声的声功率与风机叶片叶梢的圆周速度的6次幂成正比。一般来说，风机进风量与风机转速成正比，对于特定的风机，风机噪声的声功率可以近似认为与进风量呈6次幂关系。对于同样的风机叶片，降低设计进风量，可以降低风机工频转速，从而降低风机源头噪声，降低消声器的降噪要求，也就可以缩小消声器尺寸。

风机设计进风量是冷却塔散热的一个重要参数。风机设计进风量与风机源头噪声、降噪等之间的关系是冷却塔降噪与散热存在耦合的重要表现。

在相同运行条件下，横流式冷却塔比逆流式冷却塔噪声更低，横流式冷却塔的淋水填料直接与冷水盘接触，水沿填料均匀流到冷水盘，避免了逆流式冷却塔水直接冲淋到冷水盘上带来的较大噪声。

前海2号制冷站采用了低转速、大叶片的超低噪声风机，源头噪声比同等处理水量冷却塔Ⅰ级A声级噪声控制标准降低8 dB以上。采用横流冷却塔，基本避免了淋水噪声的影响。前海2号制冷站风机采用皮带传动以降低机械噪声，采用低噪声电动机以降低电动机噪声。

1.2 传播降噪设计及其对空气阻力的影响

GB 3096—2008《声环境质量标准》、GB 12348—2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》要求冷却塔用户对冷却塔产生的噪声污染进行治理。前海2号制冷站的区域声环境控制指标为2类标准，要求A声级噪声白天不超过60 dB，夜间不超过50 dB，冷却塔运行期间，厂界和敏感点均需满足要求。

传播噪声采用消声器进行降噪，在进风口、出风口设置消声器。

管式阻性消声器消声量一般可用下式计算：

式中ΔL为消声量，dB；Ø(α0)为消声系数，其中α0为材料正入射吸声系数；P为消声器流通截面周长，m；S为消声器流通有效截面积，m2；l为消声器有效长度，m。

Ø(α0)可表示为

以前海2号制冷站为例，西向第7个测点处受众多进风口、排风口影响，噪声较大，根据冷却塔裸塔各频带声压级及达到A声级噪声50dB标准对应的声压级，得到各频带的需要消声量，见表1，以此进行消声片参数选型。

表1 前海2号制冷站冷却塔西向第7个测点处声压级与消声量

消声器安装在冷却塔上，需要综合考虑消声性能和空气动力性能。消声器的空气动力性能通常用压力损失Δp表示，其值为通道沿程压力损失和结构件的局部压力损失之和：

式中 ξ为阻力系数，与消声器的形状、结构有关，包括局部阻力与沿程阻力；ρ为气流密度，kg/m3；v为通道中气流平均速度，m/s。

通道中气流速度可以表示为

式中 G为进风量，kg/s；n为消声片数量，片；h为消声导流片的间距，m；D为消声片宽度，m。

由式(1)可知，增加消声器的长度l可以提高消声量，但由式(3)可知，消声器长度l增加将增大冷却塔压力损失，影响空气动力性能，且消声器长度选择还要考虑现场安装尺寸。因此，消声器选型应兼顾消声效果、现场条件和空气动力性能。

结合式(3)与式(4)可知，消声器的空气压降与消声片间距、消声片长度等有关。式(1)、(3)、(4)从另一个角度体现了冷却塔散热与降噪的耦合关系。

前海2号制冷站冷却塔进风口安装的1#型消声器及冷却塔排风口安装的2#型消声器的空气动力性能见表2。

表2 通风消声器空气动力性能

2 冷却塔的热工设计

制冷系统的冷却塔选型一般是由设备采购方提出冷却水流量、冷却水进塔温度、冷却水出塔温度、设计湿球温度等参数要求，设备供应商相应确定冷却塔填料体积、进风量、风机功率等参数。考虑降噪后，设备采购方还会提出噪声要求，设备供应方相应设计消声器的参数，同时修正原有填料体积、进风量、风机功率等。

对于区域供冷系统，设计工况下冷却水出塔温度与湿球温度的逼近度一般设为4 ℃。

2.1 散热量(冷却水量)与风量、填料体积的关系

冷却塔工程常用的Merkel方程式为[3]

式中 K为总传热传质系数，kg/(m2·s)；a为填料比表面积，m2/m3；V为填料体积，m3；L为冷却水质量流量，kg/s；cpw为水的比定压热容，kJ/(kg·℃)；tcw为冷却水出塔温度，℃；thw为冷却水进塔温度，℃；t为冷却水温度，℃；hw为湿球温度下饱和湿空气比焓，kJ/kg；ha为空气的比焓，kJ/kg。

在利用式(5)设计或校核冷却塔时，通常还要给出冷却塔逼近度，本文设定为4 ℃。

冷却塔特性为水气质量流量比的函数，通常可以表示为[3]

式中 G为空气质量流量，kg/s；q与m分别为经验公式系数和指数。

式(6)也可以用图1表示，从图1可以看出，随着水气质量流量比L/G的增大，冷却塔的冷却能力下降。也就是说，在固定冷却水质量流量的条件下，冷却能力随着空气质量流量的减小而降低，再次体现了冷却塔降噪与散热的耦合关系。

注：V0为原始填料体积；V′为变化后的填料体积；ΔV为填料体积变化量。图1 冷却塔冷却特性曲线

图1还显示了冷却塔填料体积增大后冷却能力的变化。假设冷却塔传热传质系数K与填料比表面积a不变，图中2条曲线分别为2种不同填料体积的冷却塔的特性曲线，在填料体积增大后，冷却塔的冷却特性从A点变化到B点。对于一定的制冷系统，散热量一定，如果冷却水的质量流量不变,也即保持冷却特性不变，冷却塔工作点可以从A点平移到C点，说明填料体积增大后，在降低空气质量流量的情况下，能保证同样的散热量。

降低空气流量，风机噪声减小，消声器的长度也减小，根据式(3)，空气流速减小还带来消声器空气阻力的减小，从而风机功率也降低。

增加填料会增加冷却塔造价，但同时会降低消声器造价，以及减少风机运行功耗，所以需要对冷却塔+降噪设备选型进行优化，平衡两者的性能与造价。这是冷却塔散热与降噪耦合效应对冷却塔选型提出的问题。

2.2 风量与风路系统阻力曲线的关系

在确定冷却塔需要的空气流量后，需要根据空气流量进行风机选型，选型时主要考虑压力与功率等参数。图2显示了冷却塔风机特性曲线与冷却塔风路系统阻力曲线与风量的关系。

图2 冷却塔风机特性曲线与冷却塔风路系统阻力曲线与风量的关系

图2中的系统曲线1为冷却塔裸塔的风路空气阻力曲线，根据式(3)与式(4)可知降噪装置增加的空气阻力，于是得到增加降噪装置后的冷却塔系统曲线2。

根据风机特性曲线与系统阻力曲线的交点确定风机的设计工作点(图2中工作点1)。增加降噪设施后，冷却塔通风阻力增大，风路阻力特性曲线上扬。在保证风量一定的情况下，系统风压增大，需要重新对风机选型，使风机特性曲线2与系统曲线2相交于工作点3。工作点3即为增加降噪装置后，既能保证冷却塔散热性能，又能达到降噪要求的工作点，此时风量为G3,风机压力为p3。风量G3等于工作点1时的风量G1，风机压力p3与p1的差值Δp即为设备选型时要求的余压。

在供冷系统实际建设过程中，存在冷却塔与降噪设备同时采购与分别采购的选择。如果同时采购，则可以选择同一家集成商，有利于平衡2种设备的选型参数、性能与造价。两者分别采购时，需要确定裸塔性能参数，即图2中工作点2的参数。根据工作点2的风机压力与风量选择风机型号。鉴于冷却塔采购只提出冷却水流量的要求，风量由厂家来确定，需要将风量转换为裸塔的水流量。从图2可以看出，增加降噪设备后的冷却塔需要风量为G1，裸塔运行时的实际风量增大为G2。根据式(6)可知，在冷却风量增大情况下，裸塔冷却能力增强。在保持水气质量流量比L/G不变的情况下，冷却塔特性不变，但是总散热量增大。设计时，可以按下式确定裸塔的冷却水量：

式中 L2、L3分别为工况2与工况3的冷却水量，kg/s。

由式(7)，可以根据裸塔的进风需求量G2准确确定裸塔冷却水量L2并作为选型依据。现有设计过程经常选择裸塔的冷却水量为增加降噪设备后的冷却塔流量的1.2倍，根据式(7)进行冷却塔选型比常规冷却塔降噪设计选型可以提供更精确的选型参数。

设计过程中，往往还需对风机余压Δp作要求，即在风量G3时，需要在裸塔工作点1的压力基础上增加余压，这个余压一般为降噪设备的压损。从图2可以看出，只要选型风机在裸塔时能在工作点2工作，则不需要额外增加余压就能满足风机在工作点3工作。这就为冷却塔降噪设备选型与厂家已通过CTI(冷却技术研究所)认证等各种认证的裸塔型号建立了联系，也就是说冷却塔降噪设备的参数可以用认证过的裸塔参数进行精确选型。

冷却塔经常采用CTI认证、考核[17]，基于CTI认证通常是对没有降噪设备的裸塔进行认证，那么CTI考核也只能针对裸塔。工作点2为考虑降噪后的冷却塔热工性能考核点。

实践表明，冷却塔与降噪设备集成选型采购，有利于优化热工与降噪性能，也有利于厂家选择最经济的组合。但是考虑到项目运行初期冷却塔负荷不大，周边噪声要求也不高，可以对冷却塔与降噪设备分别采购，先采购安装冷却塔，后期再采购安装降噪设备，在对冷却塔与降噪设备分别提出采购技术参数要求时，需要进行详细分析计算。

3 案例分析

前海2号制冷站总供冷建筑面积约213万m2，总装机容量约11万kW，总蓄冰量约51万kW·h，尖峰供冷能力约16万kW，主要采用常规电制冷、冰蓄冷技术和冷却塔冷却技术。目前该制冷站一期已投入运行，配置5台8 440 kW/台双工况主机，1台4 220 kW基载单工况主机，其中每台双工况主机均配置3台冷却塔，机载主机配置2台冷却塔。

该制冷站冷却塔散热量大，散热性能保障要求高，同时声环境要求高，冷却塔噪声敏感目标有2栋办公楼和2栋公寓楼，一期冷却塔安装位置距两侧办公楼最近的距离分别为18、25 m，距2栋公寓最近的距离分别为56、60 m。该项目与一般项目比，具有以下特殊性：冷却塔集中布置、选型大、数量多；冷却塔紧挨项目厂界，厂界条件苛刻，对达标点而言，噪声通过距离衰减的空间有限；夜间蓄冰满负荷运行，执行A声级噪声标准为50 dB。

由于2号制冷站周边建筑对噪声要求苛刻，且与2号制冷站同时投入使用，这就要求2号制冷站在运行初期就要满足周边噪声的要求，因此采取了冷却塔与降噪设备同时采购与安装的方式。冷却塔采购既要满足噪声要求，又要满足冷水机组最不利工况的散热需求。该区域声环境指标为2类区域标准，要求A声级噪声白天不超过60 dB，夜间不超过50 dB，冷却塔运行期间，厂界和敏感点均需满足要求。

2号制冷站双工况主机设计工况循环冷却水量为1 735 m3/h，其中空调工况制冷量为8 440 kW，冷却水供/回水温度为32 ℃/37 ℃，对应湿球温度为28 ℃；制冰工况制冷量为6 556 kW，冷却水供/回水温度为30 ℃/34 ℃，对应湿球温度为27 ℃。

在冷却塔招标采购要求中，双工况主机的裸塔冷却水处理量要求为1 936 m3/h，是制冷机设计冷却水处理量1 735 m3/h的1.1倍，同时还要求机外余压30 Pa。需要说明的是，该项目冷却塔设在通风条件较好的地方，不存在周边建筑物遮挡冷却塔运行通风的问题。这里提出的水处理放大倍数和机外余压都是出于对降噪的考虑。水处理量为1.1倍，意味着图1中从冷却塔0的设计工作点A移动到冷却塔1的设计工作点C，按照制冷机冷却能力对应的水处理量1 735 m3/h，则实际工作点移动到冷却塔1的工作点B，冷却能力满足制冷机散热需求，此时可以减少进风量，降低风机功率。

该项目实际选用了横流式超低噪声冷却塔，对于双工况主机对应的冷却塔，空调工况和蓄冰工况处理水量分别为2 404、2 206 m3/h，分别为招标冷却水流量要求的1.25倍和1.15倍，相对于制冷机设计冷却水流量，则分别为1.38倍和1.27倍。

选用冷却塔的风机对应的裸塔风量为426 000 m3/h，在该风量下，降噪设备进风消声器和排风消声器的压损分别为7、15 Pa，合计22 Pa。在降低进风量10%后，机外余压为61 Pa，大于30 Pa的招标要求。同时，降低风量10%后，降噪设备进风和排风消声器的空气速度减小10%，按照式(3)计算，消声器的总压降为17.8 Pa，小于设计要求的30 Pa余压，说明61 Pa的机外余压远大于实际需求。

由于所选冷却塔冷却水流量比制冷机散热所需冷却水量分别放大1.38倍和1.27倍，所以进风量也同时放大1.38倍和1.27倍，造成源头声功率放大，导致消声片也过度设计。在实际运行过程中，可以降低风机频率到选型频率的80%左右，从而不仅能降低进风量，还能满足制冷机散热需求，以及降低风机功率，在这种运行工况下，由于源头声功率的减小，原有敏感点的噪声会低于设计要求的50 dB，低于2类声环境标准要求。

同时由以上选型参数可以看出，水处理量超过1.1倍时，根据图1，可以进一步降低进风量，但是风机余压的过大选型，又导致过大的进风量，远超过散热需求的进风量，存在超额放大的现象。冷却塔填料、风机、降噪设备均存在超额放大的情况，有较大优化空间。从另一个角度讲，目前高效机房都有放大冷却塔选型的趋势，需要结合系统能效、设备投资进行优化。

根据制冷机水量需求，冷却塔供应商可以选配填料、降噪设备和风机，不同组合会有不同的余压、风量、裸塔噪声等参数。根据每个厂商具体情况，在满足散热与降噪要求下，优化各自的配置与设备成本，提供最适合的塔型和降噪设备。