闭式冷却塔在严寒地区冬季制冷中的应用

金玮涛

（哈尔滨工业大学建筑设计研究院有限公司，哈尔滨 150090）

0 引言

现代商场、医院、办公楼等公共建筑的规模越来越大，内区房间面积占比随之增大。在冬季，这些区域没有了外围护结构所产生的热负荷，但工艺设备、照明与人体等室内热源散热量所形成的冷负荷依然很大。这就造成了冬季内区房间，冷负荷大于热负荷的现象出现。为使在这些区域工作生活的人具有良好的热舒适性，即使在冬季，也需要对其进行制冷。

针对这一现象，李丹以北京某办公楼为例，采用新风供冷的方式来消除冬季内区冷负荷，并对使用效果进行了分析［1］；董涛以南京某剧场建筑为例，针对其内区主要功能房间全年具有供冷需要的情况，采用新风供冷的方式，发现该系统具有显著的节能效果［2］；姜红以烟台某办公大楼为例，详细介绍了冷却塔供冷系统设计，并重点分析了内区房间室温的选择、最高冷水温度的计算等，以充分利用冷却塔的制冷功效［3］；邵海以某医院门诊楼为例，对比多种内区常年供冷空调冷源方案，最终选择冷水机组作为内区供冷方案［4］。

结合国内现有研究成果及工程实例可以发现，冬季内区空调冷源的常见方案有3种，分别是冷水机组供冷，新风供冷及冷却塔供冷。结合哈尔滨市医科大学附属第四医院门诊外科楼项目实例，对比分析以上三种冬季内区常见冷源方案。最终选择闭式冷却塔作为工程的冬季内区房间空调冷源。并在文中对此系统的设备选型及系统构成进行介绍。

1 设计原则

1.1 空调冷源方案确定

通过综合对比分析上述3种方案。

方案1：采用冷水机组供冷。该系统为最常见的空调系统形式之一，经无数工程案例验证后运行可靠，且后期管理运行维护难度低。而缺点是若应用工程要求冷水机组仅在白天运行，夜间停止运行。则在冬季夜间机组停机后，冷却水水温降低，当水温低于机组要求的最低开机温度后，第二天白天无法直接开启冷水机组，需要一定的升温措施，当温度高于开机温度后，才可运行机组，这势必会造成能耗的增加。此外，严寒地区冬季室外温度低，还需要采取防冻措施。

方案2：采用新风供冷。根据内区房间计算冷负荷以及室内要求的温湿度，确定送风状态点，将室外新风引入新风机组，并通过热湿处理，集中让新风达到送风状态点的要求。相较于方案1，在保证冷负荷被有效消除的前提下，有节约能源的优点。缺点是此方案受室外温湿度影响较大，当温度差与湿度差过大时，室内热舒适性会有所降低。且存在结露的风险。

方案3：采用闭式冷却塔进行供冷。由于严寒地区冬季室外温度低，具有直接利用冷却塔进行免费供冷的条件。避免了方案1中冷水机组的开机预热能耗以及机组运行能耗。同时热舒适性相较方案2有所增加。

传统的开式冷却塔，冷却水直接与外界空气在填料上进行接触换热，水量损耗大，且空气中的污染物均可进入循环水系统中，使水质不断恶化，对管道及换热设备造成破坏。而在闭式冷却塔中，冷却水在盘管中进行循环，不与空气直接接触，换热是通过盘管管壁，以间接的方式传递给管外的喷淋水或空气流。因此，闭式冷却塔具有设备损耗小、占地面积少、运行费用低、节约水资源以及节能减排等优势。此外，闭式冷却塔在冬季可以将外循环的水泄掉，采用风冷模式运行，这一功能是开式冷却塔不具备的。因此在3种方案中，选择闭式冷却塔作为冷源。

1.2 闭式冷却塔的两种运行模式

模式1：喷淋泵开启，将水盘中的水喷淋到盘管上，通过喷淋水的蒸发换热，将盘管内冷却水的热量带走。同时冷却塔底端的风机开启，将蒸发后的湿蒸汽从塔顶吹出，进而将热量排出冷却塔，湿蒸汽经脱水器处理，水从蒸汽中隔出，流回水盘。

图1 闭式冷却塔示意图

模式2：喷淋泵关闭，将水盘中的水泄出，开启风机，干空气从塔底流向塔顶，与盘管进行接触换热，进行风冷式热交换，将热量带出冷却塔。

两种运行模式分别适用于不同的气象条件，空气湿球温度越高，冷却效率越低，这对仅靠塔外空气进行风冷式冷却的模式2影响更大，因此在夏季及过渡季，优先选择模式1。对于室外湿球温度偏低的冬季，模式2的运行效率更高，同时可以保障冷却塔的运行不受低温影响，且更加节约水资源［5，6］。

1.3 闭式冷却塔的优化设计

为了能让闭式冷却塔在使用过程中充分发挥节能减排的优势，可以对一些参数进行优化。理论上讲，当内循环过程中的工质在进行热交换，热量被全部带走时，空气恰好达到饱和状态，这个工况下的节能效果最好。为实现这一目的，可采取手段提高冷却塔的传热传质性。

（1） 工质流速：管内工质流速与管内的压降成正比关系，与盘管换热面积成反比关系。因此，两条关系曲线存在一个交点，当工质流速达到这个交点流速时，盘管可以凭借较小的换热面积得到较优的换热效果。

（2） 喷淋密度：工质流速是通过影响内循环，来对换热效果进行干预，而喷淋密度则是通过影响盘管外、冷却塔内的外循环阶段，来对换热效果产生影响。当喷淋密度增大时，外掠管压降增大，盘管面积减小。因此，两条关系曲线同样存在一个交点，当喷淋密度处于交点位置时，同样可以实现以小换热面积换得好的换热效果的目的。

（3） 塔内风速：塔内风速同样是影响外循环阶段的主要因素，当风速增大时，管内压降减小，外掠管压降增大，盘管面积减小。因此同样能找到一个中间点，在此风速条件下，换热效果与换热面积之间达到一个最优平衡点［7］。

除上述几点外，盘管密度，盘管截面形状等，都是影响闭式冷却塔性能的关键因素，可以从这些方面入手进行调试研究，使闭式冷却塔节能减排的优势发挥至最大。

2 工程应用

2.1 工程概况

工程为哈尔滨市医科大学附属第四医院门诊外科楼项目，地上部分建筑总面积102976m2，建筑总高度95.5m，建筑总层数为24层。1～6层为门诊区，建筑面积为49032m2，其中，内区房间建筑面积为18180m2，占1～6层总面积的37.1%（2层建筑平面图所示，阴影区域为内区房间如图2所示）；7层为设备夹层；8～24层为病房区。

图2 二层建筑平面图

经负荷计算，工程空调系统夏季总冷负荷为11957kW。冬季总冷负荷为879kW。

2.2 设计难点

如文中所述，冬季1～6层的内区房间由于人员、设备及灯光等影响因素，房间得热量远大于失热量，为了维持医生及患者的热舒适性，需要进行适当制冷，这点也在负荷计算结果中得到印证。因此，项目的设计难点在于冬季内区房间的制冷需求难以解决。

2.3 设计方案

结合医院公共建筑的使用性质，对上述3种方案进行综合分析，方案1虽然系统运行稳定可靠，但能耗过高。此外，工程冬季内区空调冷负荷为879kW，仅占夏季总冷负荷的7.4%。若内区全年均采用冷水机组作为冷源，在节能性及经济性的前提下很难选出合理的机组配置方案。方案2虽然节能，但多个诊室共用一套新风系统，无法满足不同功能科室之间的室内温湿度差异化控制，且由于严寒地区冬季的送风温度过低所导致的结霜问题很难解决。经与建设方进行沟通后，决定采用方案3。闭式冷却塔技术在冬季对该工程的内区房间进行制冷。同时，在夏季及过渡季，全楼空调冷源来自地下一层制冷机房，冷却塔选用方型横流式冷却塔，设在6层屋面。

项目冬季空调系统设计工况，用户侧冷冻水供回水温度为5/13℃，闭式冷却塔供回水温度为0/5℃。由于冷却塔出水温度低于冷冻水供水温度，因此可以选择不使用冷水机组，仅通过板式换热器进行简单换热，即可实现制冷的目的［5］。根据上述思路，进行选型计算后，该冬季空调冷源主要设备配置情况如表1所示。

表1 主要设备材料

夏季及过渡季，进出制冷泵房的冷冻水管上的阀门关闭，每根冷冻水立管靠近地下一层冷冻水干管处的阀门打开；冬季，控制逻辑与夏季及过渡季相反。系统示意图如图3、图4所示。

图3 系统示意图

图4 系统示意图

3 效果评价

系统从工程竣工后使用至今，经使用方反馈，冬季，可以满足内区房间的制冷需求，且系统运行可靠，效果良好。

4 结语

综上所述，可以得出以下结论：

（1） 医院内区主要功能房间具有室内冷负荷稳定，常年需要供冷，且不同科室间室内温湿度要求不同等特点，适合选择闭式冷却塔作为冬季内区冷源。

（2） 根据工程实例后期运行反馈结果可知，此方案可有效解决严寒地区冬季内区房间供冷问题，为其它类似工程设计提供了相应参考。