冷卻塔供冷系統設計研究

漆海兵

（浙江綠城東方建筑設計有限公司，杭州 310012）

0 引言

冷卻塔供冷系統在國外已經十分成熟，應用較廣。在國內雖然哈爾濱工業大學[1-2]、華南理工大學[3]、哈爾濱商業大學[4]等高等院校都做過積極的研究，且《公共建筑節能設計標準》[5]第5.4.13 條也明確指出“對于冷季（冬季或過渡季）存在一定量供冷需求的建筑，經技術經濟分析合理時應利用冷卻塔提供空調調節冷水”，但該項技術在國內工程中的應用還是屈指可數，究其原因還是缺少切實可行的技術指導。本文試圖結合自己的工作經驗對該系統的設計難點進行闡述。

1 冷卻塔供冷系統介紹

1.1 冷卻塔供冷系統的定義[6]

冷卻塔供冷系統是指在常規空調水系統基礎上適當增設部分管路及設備，當室外濕球溫度低至某個值以下時，關閉制冷機組，以流經冷卻塔的循環冷卻水作為空調用的冷水，直接或間接向空調系統供冷。冷卻塔供冷系統利用室外空氣進行制冷，屬于利用可再生能源范疇。

1.2 冷卻塔供冷系統適用范圍

根據作者經驗，冷季民用建筑空調冷水供水溫度≤14℃，則使用冷卻塔供冷系統時室外濕球溫度ts≤10℃。通過查閱全國五大氣候分區典型城市的歷年氣象資料，統計出全年ts≤10℃的小時數及占全年的百分數，見圖1。從圖中我們可以發現除夏熱冬暖地區（代表城市廣州）外，室外濕球溫度ts≤10℃的時間占全年的比例高達37%～65.3%。作者認為除夏熱冬暖地區外，且空調負荷以室內散熱為主的建筑或全年需要供冷的建筑，通過技術經濟比較，比較適合采用該系統。

圖1 五大氣候分區典型城市ts≤10℃的時間分布圖

1.3 冷卻塔供冷系統常用形式

冷卻塔供冷系統主要有直接供冷系統和間接供冷系統兩種。根據與原有系統的結合方式的不同又有很多具體的形式。本文僅對常用的間接供冷系統進行簡單介紹。

間接供冷系統[6]是指冷卻水系統環路與冷水環路相互獨立，能量傳遞主要依靠中間換熱設備來完成。該系統的最大優點就是保證了冷水系統環路的完整性，從根本上解決了衛生問題，但由于存在中間換熱損失，會縮短供冷系統的小時數。圖2 為利用原有冷卻泵間接供冷的一種常用設計原理圖。

圖2 冷卻塔間接供冷原理圖

該系統設計應注意以下幾點。

1)為節約初投資，冷卻塔常設置為開式濕式冷卻塔，應考慮對冷卻水質進行處理。

2)建議采用原有冷卻和冷水泵，因板式換熱器阻力可在定制的時候提出要求，這樣可以做到板式換熱器阻力與制冷機組基本相同或略小，所以一般不需要校核。

3)就直接供冷和間接供冷的選擇來說，筆者個人還是傾向選擇間接供冷，因間接供冷系統能與常規系統更好地匹配，系統更簡單，運行更穩定，維護方便。

2 冷卻塔供冷系統設計思路

作者曾經擔任專業負責人設計過兩個冷卻塔供冷系統，目前兩個系統均運行良好，節能效果明顯。通過對設計過程的總結，現提供作者的設計思路供大家參考，見圖3。

如何確定冷卻塔供冷系統與制冷機組供冷系統切換點的濕球溫度是本系統的一個設計難點，接下來將重點介紹。

圖3 冷卻塔供冷系統設計思路

3 冷卻塔供冷系統設計的難點

該系統設計的難點或者說成敗的關鍵在于如何確定系統切換點的室外濕球溫度。按圖3 的設計思路可以看出“系統切換的最佳濕球溫度”的選取需要綜合考慮冷季建筑物耗熱量、末端設備允許的最高供水溫度、冷卻塔熱工性能、供冷時間、系統的經濟性以及盡量利用原有設備。

3.1 建筑物冷季的最大小時冷負荷分析

為了比較準確地得到建筑物冷季冷負荷的最大小時冷負荷值需要使用 Design Builder 軟件進行建模分析。

一般認為在冷季采用冷卻塔供冷時室外濕球溫度應在10℃以下，由焓濕圖計算，在最不利室外相對濕度10%時，對應的室外空氣干球溫度應在24.5℃以下，而室內設計參數一般考慮在25℃，因此可以不考慮維護結構和新風的空調冷負荷，可以認為民用建筑冷季的負荷僅由室內燈光、人員、設備散熱組成。民用建筑常用房間室內散熱負荷占總冷負荷的百分數見表1。

表1 室內散熱負荷占總冷負荷的百分數

結合表1 的數據以及相關參考文獻給出的數據進行分析，內區單個功能房間室內散熱量最大小時冷負荷取夏季的40%～63%，外區單個功能房間室內散熱量最大小時冷負荷取夏季的30%～55%。考慮到不同功能房間的不同時使用率，根據建筑性質的不同，可以取0.6～0.85，則冷季建筑物總冷負荷為夏季的30%～57%。其實大部分時間新風在冷季還會承擔室內負荷，因此上面的數據還是相對保守的。由于室內散熱量是相對穩定的，而且占整個冷負荷的比例也是比較大的，因此冷季通過冷卻塔供冷，節能效果是會比較明顯的。

3.2 空調末端換熱量與供水溫度的關系

常用的空調末端空調系統有“風機盤管+新風系統”和全空氣系統。根據節能的要求，冷季內區應優先采用室外新風消除室內余熱，一些工程內區面積或冷負荷過小，或內區采用全空氣系統，是沒有必要設置冬季供冷水系統的，盲目設置會造成投資增加和新的能源浪費。因此冷卻塔供冷系統主要用在內區采用風機盤管加新風系統中，因此重點介紹風機盤管換熱量與供水溫度的關系。根據上述房間負荷分析可知，冷季房間冷負荷相對夏季負荷的比例因功能的不同而不同，我們可以根據冷季室內負荷需求占夏季負荷的百分率來反算出空調末端設備的最高允許供水溫度。根據文獻[6]提供的任一工況下的冷量可按下式計算:

式中：ts1，tw1，W分別表示額定工況下進口濕球溫度、進水溫度和水量；t′s1，t′w1，W′分別表示任一工況下進口濕球溫度、進水溫度和水量；系數n、m、p的數值為：n=0.284(二排管)，0.426(三排管)，m=0.02，p=0.0167。

在常用冷卻塔間接供冷系統設計時，空調冷水側流量和室內設計溫度不變，式(1)中ts1=t′s1,W′=W，式(1)簡化為：

從式(2)可以看出空調末端換熱器的制冷量僅與進水溫度有關。圖4 為當室內設計溫度為24℃，相對濕度為50%，對應的濕球溫度為17℃時，風機盤管在不同進水溫度下制冷量占設計工況下制冷量的百分數。圖5 為當室內設計溫度為25℃，相對濕度為60%，對應的濕球溫度為19.4℃時，風機盤管在不同進水溫度下制冷量占設計工況下制冷量的百分數。

圖4 和圖5 給出了民用建筑典型室內設計狀態下，風機盤管在不同的冷凍水供水溫度下冷量占夏季7℃供水溫度下冷量的百分數。具體工程應通過計算確定不同房間的冷季空調負荷占夏季負荷的百分率，按最不利房間末端負荷的要求確定系統的最大供水溫度。考慮到空調設計并不要求百分之百的保證率，允許一年有幾天的不保證率，因此在初步設計和方案階段最高供水溫度酒店取11℃；商業取13℃；辦公取14℃，是能滿足工程需要的。

圖4 實際制冷量占設計工況制冷量的百分比（室內設計溫度為24℃、相對濕度為50%）

圖5 實際制冷量占設計工況制冷量的百分比（室內設計溫度為25℃、相對濕度為60%）

3.3 冷卻塔在不同濕球溫度和進出口溫差下散熱能力分析

根據上述建筑冷季空調冷負荷的分析，冷季空調的最大負荷約占夏季的30%～57%。下面主要分析冷卻塔在不同的室外濕球溫度和供回水溫差下散熱量的變化。

3.3.1 描述冷卻塔性能的兩個重要概念

1)水溫降[7]（Δt）是指循環水在冷卻塔進、出口處的溫度差，國標要求為5℃。

2)冷幅[7]（ΔT）是指冷卻塔出水口處循環水的溫度與濕球溫度之差。

理論上ΔT越小冷卻塔的散熱效果越好，但冷卻塔散熱面積要求越大，冷卻塔制造成本越大，技術越復雜。通過技術經濟比較，ΔT取值大于≥3℃比較合理。

3.3.2 不同設計流量比下水溫降（Δt）、冷幅（ΔT）和濕球溫度的關系

通過對文獻[8]附錄F 中冷卻塔冷卻特性模擬計算數據表（該表由清華大學建筑技術科學系提供，計算采用的冷卻塔模型是NTU 方法的逆流換熱器模型）的研究，發現冷卻塔的出水溫度隨著冷卻塔的流量比的減小而降低，隨著水溫降的減小而降低，隨著濕球溫度的降低而降低。一般項目冷卻塔的數量在2 臺或3 臺，冷卻水泵和冷卻塔一一對應，考慮冷卻塔供冷系統在設計時盡量利用原有冷卻水泵，同時考慮冷卻水泵一般定頻運行，因此，流經冷卻塔的流量比主要有100%、67%、50%、33%。考慮到冷卻塔流量不建議小于額定流量的50%，現結合文獻[9]附錄C 的數據，利用插值法將100%，67%，50%流量比下冷卻塔特性模擬計算結果列于表2。

通過對該表的數據分析可以得出如下結論：要達到同樣的出水溫度和散熱量，可以選擇不同的流量和水溫降，但是要求的空氣濕球溫度和冷幅是不一樣的。我們在對冷卻塔散熱量校核時需要根據出水溫度的要求，盡量降低冷幅以提高冷卻塔的效率，同時降低循環水泵的能耗，延長冷卻塔供冷時間，但冷幅不宜低于3℃，避免出水溫度不穩定。

表2 冷卻塔特性模擬計算數據表

3.4 系統切換的最佳濕球溫度的確定

目前相關文獻（如文獻[9]）對系統切換點的最佳濕球溫度的確定雖然做了較多介紹，但作者認為均沒有做全面的考慮，主要存在以下問題：

1)設計中只為應付節能而做這個系統，并沒有做經濟技術分析；

2)以冷卻塔供冷時間為依據，但沒有結合建筑物冷季負荷的特點對水泵流量進行匹配，導致水泵流量和水溫降不能和冷卻塔熱工性能相匹配，實際供冷溫度不滿足要求，供冷時間縮短；

3)以末端設備要求的供水溫度為依據，但對供水溫度的選取并沒有經過計算，無論什么功能建筑，只要項目所在地一樣就選取相同的切換溫度。

下面將以杭州某工程為例來說明如何選擇最佳的切換溫度。某工程室內設計溫度為24℃，相對濕度為50%。夏季設計冷負荷4218 kW。冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔均選用三臺。冷卻水系統采用定流量母管制系統。冷卻泵參數：流量315 m3/h，揚程22 mh20。冷卻塔采用開式冷卻塔，冷卻塔流量為350 m3/h。冷季建筑物總冷負荷為1305 kW，占夏季負荷的30.1%，房間負荷占夏季負荷的百分數分布情況：70%的房間冷季負荷占夏季負荷的(30～40)%，5%的房間占夏季負荷的(50～60)%，25%的房間冷季負荷占夏季負荷的(15～30)%。考慮到5%的房間在冷季房間溫度可以適當提高，所以本項目房間冷季負荷在設計時按夏季負荷的40%考慮。具體步驟如下：

1)根據冷季建筑物總冷負荷為1305 kW，為冷卻系統的水泵節能不建議循環水溫差小于2℃，按5℃、4℃、3℃、2℃計算的流量分別為224 m3/h、280 m3/h、374 m3/h、561 m3/h。考慮到盡量利用原有水泵，考慮1.1 的富裕量，本水泵流量取315 m3/h 一臺對應冷卻塔水溫降4℃或取315 m3/h 兩臺對應冷卻塔水溫降2℃。水泵和冷卻塔之間流量匹配的組合見表3。根據表中的不同組合并結合表2 的數據和廠家不建議通過冷卻塔的流量小于額定流量的50%，初步選定組合1、4 和5；

2)根據房間冷季負荷在設計時按夏季負荷的40%，按公式（4-2）計算得出最大供水溫度為13.4℃。考慮板式換熱器1℃溫差，冷卻塔出水溫度要求為最高12.4℃。結合冷卻塔熱工性能數據表可以得到滿足供水溫度13.4℃時組合1 要求的濕球溫度為5.6℃，冷幅為7.1℃；組合4 要求的濕球溫度為7.8℃，冷幅為4.6℃；組合5 要求的濕球溫度為9.02℃，冷幅為3.38℃；

3)根據杭州室外濕球溫度的統計數據可知濕球溫度低于9.02℃的小時數為3348 h，占全年運行的38.75%；

4)經濟技術分析相對簡單，本文因篇幅限制就不做闡述；

5)通過以上計算，本項目最佳的切換濕球溫度為9℃，與系統最佳匹配的水泵為2 臺，冷卻塔為3 臺同時運行。因冷季負荷比較穩定，因此水泵和冷卻塔不做變頻。

表3 水泵與冷卻塔組合表

4 結論

1)除夏熱冬暖地區外，建筑物有全年供冷需求，且內區房間為“風機盤管+新風系統”,宜采用冷卻塔供冷系統。

2)冷卻塔供冷系統設計必須對建筑物和房間在冷季的負荷進行分析計算。

3)冷卻塔供冷系統設計必須考慮末端設備和冷卻塔散熱量的修正。

4)“系統切換的最佳濕球溫度”的選取需要綜合考慮冷季建筑物耗熱量、末端設備允許的最高供水溫度、冷卻塔熱工性能、供冷時間以及盡量利用原有設備。

[1]馬最良,孫宇輝.冷卻塔供冷技術的原理及分析[J].暖通空調,1998,28(6):28-30.

[2]馬最良,孫宇輝.冷卻塔供冷系統運行能耗影響因數的研究與分析[J].暖通空調,2000,30(6):20-22.

[3]朱冬生,涂愛民.閉式冷卻塔直接供冷及其經濟性分析[J].暖通空調,2008,38(4):100-103.

[4]季阿敏,劉瑋,李杰.冷卻塔供冷節能技術應用研究[J].哈爾濱商業大學學報:自然科學版,2009,25(2):214 -217.

[5]GB 50189-2005.公共建筑節能設計標準[S].2005.

[6]王在峰.冷卻塔供冷系統在既有建筑空調節能改造中的應用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2008.

[7]董指鋼.中央空調系統免費制冷技術的經濟分析[D].上海:同濟大學,2007.

[8]北京市建筑設計研究院.北京地區冷卻塔供冷系統設計指南[M].北京:中國計劃出版社,2011.

[9]苗培,張杰,石鶴.冷卻塔供冷系統設計方法總結與探討[J].暖通空調,2008,38(5):74-78.