基于实际运行能效的冷却塔性能评价方法研究

范宏武，聂 悦，程 煊，莫鹏程（上海市建筑科学研究院有限公司，上海 201108）

民用建筑空调系统多采用开式冷却塔，从传热学角度，在不采取其他措施的3寸 情况下，空气的湿球温度是开式冷却塔冷却水能被冷却到的极限温度，因此国家标准《机械通风冷却塔 第 1 部分：中小型开式冷却塔》（GB/T7190.1-2018）采用的冷却塔性能评价方法如热交换效率评价方法和冷却能力评价方法都仅采用出水温度进行评价。

开式冷却塔的冷却能力不仅与其结构尺寸、填料特性有关，还受进口空气湿球给定冷却塔，其结构尺寸和填料特性已定，随着环境温度或空调负荷需求变化，冷却塔散热量随之变化，改变水流量或风量都可调整冷却塔散热量，但改变水流量会引起水泵电耗变化，改变风量会改变风机轴功率。气水比大时，空气流量大，空气冷量可能不能有效利用，风机能耗增加，冷却塔性能表现变差；气水比小时，水流量相对大，水泵能耗增加，冷却水得不到有效冷却，冷却效率低。因此，在已知的室外气象参数下，不同的冷却任务存在最佳的气水比与最少的能耗。

气象条件不变情况下，冷却水进水温度越高，饱和空气边界层与空气之间焓差越大，热质交换越有利，热交换量就越大，但冷却水出水温度会升高，而出水温度的升高会引起制冷机组效率降低。空气湿球温度升高，饱和空气边界层空气之间的焓差变小，蒸发换热推动力变低，冷却塔冷却能力降低，出口温度升高。

冷却塔产品样本通常给出的是夏季额定工况下的性能参数，实际使用中，由于室外气象参数与空调负荷需求的变化，冷却塔实际运行工况大多偏离额定工况，冷却塔实际散热量和能效比等都会发生变化。因此，应采用冷却能效比的概念进行冷却塔的性能评价。

1 冷却塔的工作原理

开式冷却塔的传热由蒸发传热和温差传热共同驱动，其冷却水和空气的状态变化过程可用图 1 表示。从图中可以看出，当冷却水温度高于空气干球温度时，蒸发传热和温差传热同时从水传向空气，冷却水温度下降；当冷却水温度下降至空气的干球温度时，传热温差消失，仅蒸发传热发生，蒸发传热将造成冷却水温度继续下降，传热温差将再次出现，但其传热方向从空气传向冷却水，而蒸发传热方向为冷却水传向空气，由于此时的蒸发传热量大于温差传热量，因此冷却水的温度仍将继续下降。但随着冷却水温的进一步降低，由冷却水传向空气的蒸发传热量越来越小，而由空气传向冷却水的温差传热量却越来越大，最终两者在冷却水温度下降至某一温度时达到平衡。

图1 开式冷却塔中冷却水和空气的热交换状态变化示意图

式（1）左边为冷却塔所具有的冷却能力，也称冷却特性，与选择填料的热工特性及空气和冷却水流量相关。右边表示冷却塔的冷却任务，也称冷却数，由冷却塔进出水水温及运行气象条件决定，研究过程中主要通过现场测试确定。

2 冷却塔综合性能评价方法的建立

对于给定冷却塔，其内部构件尺寸已定，冷却能力主要取决于工程所在地的气象条件与空气流量和冷却水流量，因此，本文建立了基于热交换效率、冷却能力和冷却能效比系数的冷却塔实际运行性能综合评价方法。

2.1 热交换效率评价方法

热交换效率定义为冷却塔进出水温差与冷却塔进水温度与空气湿球温度温差的比值，可用式（3）计算

热交换效率实质上是比较冷却水出水温度与空气湿球温度的接近程度，效率越高，说明出水温度越接近空气湿球温度，冷却塔冷却效果越好。

由于没有考虑气水比等因素对冷却塔出水温度的影响，因此该方法只能回答冷却塔的冷却效果，无法回答冷却塔的冷却能力。

2.2 冷却能力评价方法

冷却能力评价是根据冷却塔实测数据确定冷却塔冷却数，以此冷却数求解额定工况下冷却塔的出水温度，然后采用冷却塔进出水温差计算值与进出水温差额定值的比值进行评价，计算公式如式（1）。

该方法采用实测工况下的冷却数计算额定工况下的冷却塔出口水温，是一种将实测工况下测的出口水温修正到额定工况下的做法，没有涉及气水比及能耗等因素。

2.3 冷却能效比系数评价方法

冷却能效比系数评价方法主要是对比冷却塔实际工况下与额定工况下的性能系数，是冷却塔实际冷却能力与额定冷却能力比值的表现，具体可用下式计算。

3 冷却塔综合性能评价方法应用实例分析

为验证评价方法的有效性，本文对某一冷却塔的实际运行性能进行了测试评价。评价对象为上海金日冷却设备有限公司的开式冷却塔，其铭牌参数为：冷量 175 RT、风机功率 5 HP、极数10 P、电压 380 V、温度 37-32-28 ℃、水量2 083 L/min。

测试内容包括冷却塔进塔空气干球温度与湿球温度、出塔空气干球温度与湿球温度、冷却水进塔水温和出塔水温、水泵功率、风机功率、冷却塔风量流量、冷却塔水量流量等。测试采用连续采集方式，采集间隔为1 min。

现场共进行了 3 个运行工况测试，工况 1 测试条件为冷却水量 95 m3/h、风量 32 555 m3/h，水泵功率 0.58 kW，风机功率 3.48 kW；工况 2 测试条件为冷却水量 112 m3/h、风量 32 555 m3/h，水泵功率 1.43 kW，风机功率 3.48 kW；工况 3 测试条件为冷却水量 125 m3/h、风量 32 555 m3/h，水泵功率 3.48 kW，风机功率 3.48 kW。图 2 为冷却塔不同工况下的温度实测结果，图 3 为冷却塔不同工况下的性能实测结果。

图2 冷却塔不同工况下的温度参数实测结果

图3 冷却塔实际运行性能测试结果

从图中可以看出，该冷却塔在工况 1 条件下的热交换效率在 60% ～ 85% 之间、冷却能力在 116.30% ～ 133.48%之间、能效比系数在 18.98% ～ 31.64% 之间；工况 2 条件下的热交换效率在 83.33% ～ 90.0% 之间、冷却能力在 112.18% ～ 120.53% 之间、能效比系数在 15.42%～ 27.76% 之间；工况 3 条件下的交换效率在 80.0% ～90.01% 之间、冷却能力在 110.12% ～ 123.12% 之间、能效比系数在 14.57% ～ 29.14% 之间。

若认为达到相关效率的 95% 即满足设计要求的话，则热交换效率评价结果为该冷却塔未满足要求，冷却能力评价结果为该冷却塔满足要求，能效比系数评价结果为该冷却塔未满足要求。即根据本文建立的冷却塔综合性能评价方法，该冷却塔性能并不满足节能要求，且利用效率明显偏低，必须采取措施调整其运行模式，进一步提升冷却温差，降低运行能耗，提高系统能源利用效率。

4 结 语

由于工程实际应用冷却塔运行性能的好坏直接影响空调系统的冷凝温度，间接影响空调制冷机组的实际运行效率，而目前的两种常用性能评价方法热交换效率评价方法和冷却能力评价方法关注的是冷却塔出水温度是否满足要求，未考量冷却塔实际运行过程中的功耗，因此无法回答冷却塔的实际运行能效情况。

本文主要从工程应用角度出发，引入系统能效思维，基于冷却塔工作原理，开发了冷却塔冷却能效比系数评价方法，建立了基于热交换效率、冷却能力和冷却能效比系数的冷却塔实际运行性能综合评价方法，不仅可评价冷却塔的出水温度，考察其冷却能力，还可考虑其功耗，判断冷却塔运行的节能情况。相关测试实例结果显示，该方法可对冷却塔的实际运行性能做出相对客观的节能评价。