某冷卻塔機房設計方案優化分析

司子輝 （廣州華商職業學院，廣東 廣州 511300）

0 引 言

冷卻塔是冰蓄冷空調中最重要的設備，冷卻塔機房布置的是否合理，直接影響整個空調系統的性能。人們對生活質量的要求日益提高，進而對生活環境也更加關注，很多冷卻塔被放置在相對較密閉的空間里，進風口的大小直接影響冷卻塔的換熱效果。因此本文對冷卻塔機房的設計給出了3種不同的方案，分別對3種方案模擬實驗，對比結果，得到合理的結論，為工程設計提供參考。

1 冷卻塔機房概況

某建筑功能為寫字樓，中心筒是電梯通道，周圍與大氣相通。圖1～2所示，冷卻塔布置于塔樓的6～9層挑空層，冷卻塔布置在室內3m高的鋼架基礎上，冷卻塔進風口設置在機房4個角的集中進風井，4角進風井均從4層開始，4層底部為進風口。4角分別開有進風口:西北角和西南角進風口尺寸寬高為5m×16m，西南角和東南角進風口尺寸寬高為5m×10m。排風口布置在冷卻塔機房東、西、北3個側面并采用排風百葉窗。冷卻塔選用立式鼓風型共13臺，單臺名義處理水量1000m3/h。為了防止高濕度室外環境下冷卻塔排風出現霧氣，其中10臺冷卻塔配置防霧加熱盤管，另雙工況主機冷卻水系統有3臺冷卻塔不設，極端負荷時使用，不會出現白霧，位于東面和北面右側。冷卻塔單臺風量503000m3/h，冷卻塔的出口余壓180Pa。

圖1 冷卻塔機房C 版平面圖

圖2 冷卻塔機房C 版圖三維圖

2 模擬思路

冷卻塔模擬具體思路如下流程圖。

3 CFD 物理模型

用數值傳熱學和仿真原理[1～3]，本文模擬的重點在于冷卻塔的循環風量、排風管回流和機房外進出風是否存在混流。主要的思路是簡化分段建模，所以建模根據實際尺寸建模，主要分為3個模型：機房內進風模型；排風管模型；機房外部模型。其中室內氣流組織主要模擬冷卻塔的進風壓力分布和冷卻塔出風口的流速分布；排風管內部速度場、溫度場分布和室外進出風口速度場、溫度場分布。

機房內設備尺寸 表1

3.1 CFD 機房內模型-C 版圖

圖3～5可知，出風口大小同實際冷卻塔尺寸，同時將出風口向下延伸至冷卻塔風機出口處（3m高），避免氣流直接進入8層樓板設置出風口，影響模擬效果。

①四角進風口考慮進風消聲器的影響，經計算校核，進風口面積按照50%（計算值為43.2%）建模；

②機房內2根DN1200mm冷凍/卻水管、1根DN1000mm平衡管，尺寸按實際尺寸建模；

③機房內設備如冷卻塔、西側電梯、熱泵機組、熱泵水泵按照實際尺寸表2建模；

④忽略冷卻塔鋼支架、水管支架、排風靜壓箱支架和檢修平臺支架。

3.2 CFD 機房內模型-廠家方案

相對于C版圖方案，廠家方案的主要依據是風機到墻的距離有要求，方案中將東側中間內的塔移至北側，從而形成北側和東側各5臺塔，其次是抬高0.5m冷卻塔基礎以增大進風靜壓箱的體積。

3.3 CFD 機房內模型-C 版圖優化方案

相對于C版圖方案，C版圖優化方案主要是在東、西、北3個正面增加了進風口。考慮進風消聲器的開孔率，進風口高度為0.8m，長度與排風口長度一致，與6層樓板齊平，位置與排風口對齊。

3.4 CFD 排風管模型

圖4可知，3個排風管接1個靜壓箱，機房內靜壓箱數量共13臺，想知道內部氣流是否有回流情況，只需研究最大風量對應的最小風箱和最小風量對應的最大風箱的內部氣流分布情況即可。因此，選擇西側中間1個風箱和東南角1個風箱為研究對象。

3.5 CFD 機房外簡化模型

根據前一章對各個室內方案的模擬，各臺塔滿足設計循環風量要求的只有C版圖優化方案，因此本文在C版圖優化方案模擬結果的基礎上進行機房外氣流組織模擬，如圖6所示。

機房外的建模主要影響因素：

①已知設計工況下室外環境溫度為33.7℃，冷卻塔的出風溫度36.5℃，室外風速2.1m/s，主導風向為東南風，在東、西、北三側由出風墻向外延伸30m，以出風口為界上下分別延伸20m。

②東、西、北側排風口與幕墻百葉如圖13所示，之間3m寬，同時在8層樓板位置，將墻體與幕墻百葉之間3m采取密封措施。機房外排風口防雨格柵按照實際尺寸，豎直向右傾斜角45°。

4 數學模型

不同方案的模型如下：

圖3 機房內模型-三維圖

圖4 西側最小風量-最大靜壓箱

圖5 機房外模型-C 版優化三維圖

4.1 各模型模型邊界條件

用CAD三維建好物理模型后，導入gambit中，對不同模型網格化。網格采用六面體和四面體混合網格，根據不同計算要求，分塊劃分。具體參數見表2～4，網格好的模型導入Ansys&fluent中求解計算收斂。計算的模型選標準κ～ε 兩方程模型，各方程的離散化均采用二階迎風格式，同時用Simple算法求解，在求解過程中，連續性方程和動量方程的殘差分別設為10-3～10-6。

模型進出口位置 表2

邊界條件 表3

4.2 CFD 模型網格大小和數量

網格參數 表4

5 不同方案數值計算域結果分析

圖6 速度場-C版圖方案

圖7 冷卻塔進口壓力場-C 版圖方案

圖8 速度場-廠家方案

圖10 速度場-C 版圖優化方案

圖11 進口壓力場-C 版圖優化方案

圖12 西側排風管口速度場-最小風量下最大風箱(風量1 臺塔、靜壓箱11m 寬)

圖13 進風口溫度分布圖

5.1 結果對比分析

從排風管的模擬結果來看，氣流分布良好，并不存在倒灌回流現象。結果分析見表5。

不同方案壓力下的速度和風量 表5

由表5顯示，前2種方案都存在風量不足問題，第3種方案不存在風機風量不足的問題。最后得出結論，增設進風口為最優方案。選出最優方案后，下面驗證這種方案是否存在回流問題。

5.2 C 版圖優化方案外場模擬結果分析

由外場進風口溫度圖可知，東北角有輕微返混現象。主要原因是受東南風的影響，東側的熱風向東北角聚集，但對進風溫度幾乎沒有影響。

6 結 論

①從C版方案和廠家方案看，從內場的壓力分布圖和速度分布圖可知，適當調整風機入口壓力-40Pa，只有1臺冷卻塔不滿足風量要求。調整這臺壓力為-50Pa，可以達到設計要求。這兩種方案比較來看，并不是同一位置的冷卻塔，經分析，造成這種結果的原因可能是調整位置后，改變了內部氣流分布。C版圖優化方案：增設的進風口風速約5m/s。以西側為例，增設風口高0.8m，3個風口長度和達到26m（11+8+7），所以西側增設進風口風量達到104m3/s，占到1臺塔風量的75%。加上東側和北側，進風量總和超過2臺塔，從而大幅緩解了四角進風的壓力。

②從排風管的模擬結果來看，氣流分布良好，并不存在倒灌回流現象。外場的結果顯示：有輕微返混現象，但對進風溫度幾乎沒有影響。有外場四角速度分布圖可知，進風口和新增風口的進風風速在4.0～6.5之間，根據新風口和排風口設計規范[4]得到最大風速在允許的范圍。

③冷卻塔進出風部件風阻的保證：根據上述模擬結果，冷卻塔進風風阻至少保證-50Pa。根據冷卻塔廠家塔外余壓>200Pa的保證，因此冷卻塔出風的全部風阻應不大于150Pa。因此建議出風管部件的風阻必須嚴格控制，同時建議實際值不得超過130Pa（帶熱水除霧盤管），保留20Pa的余量。C版圖優化方案的進風余壓比C版圖方案及廠家方案低10Pa。

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2]陶文銓.數值傳熱學（第二版）[M].西安：西安交通大學出版社,2001.

[3]王福軍.計算流體力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4]全國民用建筑工程設計技術措施／暖通空調-動力[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.