達實大廈高效冷站冷卻塔優化設計及數值模擬

謝輝優 湯本霖 蔣輝華 李承泳

深圳達實智能股份有限公司

隨著我國經濟的快速發展，大型公建不斷涌現，各個地區空調建筑廣泛采用電制冷主機，無可避免的需要用到冷卻塔。有些隱患問題也隨之而來，例如冷卻塔排出的濕熱空氣在低溫或高濕的環境中，水蒸氣會發生冷凝而形成白霧，對周圍環境造成不良影響。同時冷卻塔群之間由于間隔較近造成回流現象增加了運行能耗，進而造成運行成本的增加。

1 工程概況

本項目是達實智能大廈的改擴建工程，位于深圳市南山區，項目包括一座原有大樓及一棟新建塔樓，原有大樓作為新建塔樓的裙樓。新建塔樓地上共40層，地下4層，建筑面積超過8萬m2，地上塔樓建筑高度200 m，設計及實施為：雙標準（綠色建筑設計標準、綠色建筑運營標準）、三認證（美國LEED-CS認證鉑金級、中國綠色建筑認證三星級、深圳綠色建筑認證鉑金級）的綠色建筑。總冷量3200 RT，本專業配套冷凍機的冷卻水系統設計，其冷卻設計總水量為2880 m3/h，選用方形橫流式冷卻塔16臺，單臺水量180 m3/h。

2 冷卻塔的選型

冷卻塔的選型計算受諸多因素的影響[1]，稍有疏忽就會造成能耗的增加，甚至影響整個空調系統的正常運行。

1）主導風向對冷卻塔效率的影響

在夏季，我國大多數地區主導風向都是偏南風。如果冷卻塔進風方向與本地主導風向基本吻合的話是最理想的布置形式。有時受場地限制，冷卻塔進風方向與本地主導風向甚至是基本垂直的。達實智能大廈項目冷卻塔的布置滿足進風方向與深圳本地主導風向基本一致的條件。冷卻塔組合長度越長，空氣自然風速越小，風向與冷卻塔進風口夾角越小，對后排冷卻塔的進風越不利。對于主要靠對流降溫的機械通風冷卻塔來講，降溫效果也就越差。在這種情形下，應盡量減小冷卻塔的組合長度，且中間留有0.6～0.8倍冷卻塔寬度的間隙，以改善氣流冷卻條件。

2）冷卻塔進出水溫差與制冷主機制冷效率影響

達實智能大廈項目冷卻塔設計參數：進口水溫37℃，出口水溫32℃，室外濕球溫度28℃。根據逆卡諾循環原理可知，制冷效率隨著制冷機冷卻水的進口溫度降低而增大。為保證較高的制冷效率，應盡量使冷卻水的進口溫度降低。冷卻水進口溫度過低時需要大幅提升冷卻塔的冷卻能力，這樣不但會增大初始投資，也可能造成整個系統的能耗增加。

3 冷卻塔白煙的產生和消除機理

冷卻塔產生的白煙即為冷卻塔排氣與室外空氣混合產生的白霧[2]，其產生機理如圖1所示。假設排出冷卻塔空氣狀態點為I，外界空氣狀態點為O，混合點為M，隨著濕熱空氣從冷卻塔中排出與環境空氣混合，在焓濕圖上M點從I延IO線移動至O。在焓濕圖上，若M點經過飽和區，即混合過程線與飽和空氣線相交，則水蒸氣冷凝成水珠，產生白霧現象。

圖1 冷卻塔白煙產生機理的焓濕圖

圖2 冷卻塔不白霧產生的焓濕圖

消除白煙機理如圖2所示。若混合過程線與飽和空氣線不相交，則水蒸氣不會發生冷凝。要達到這個效果需要提高I點的溫度。

達實智能大廈項目根據深圳市氣象條件選用防白煙型方形橫流冷卻塔。根據氣象資料可知，深圳市夏季室外空氣相對濕度一般在80%以上，室外平均溫度在28℃以上，選用防白煙型方形橫流冷卻塔可以有效防止白煙的出現。

4 冷卻塔噪聲測定

隨著城市的發展進步以及人們環境理念的提升，人們對聲環境質量的要求日益提高，冷卻塔噪聲污染越來越受到公眾關注。在環境影響評價工作中，冷卻塔的選型、設置位置、降噪措施等都會對周圍聲環境產生重要影響[3]，因此，民用建筑中冷卻塔噪聲評價應重點考慮以上因素，最大程度地降低噪聲污染。

4.1 噪聲來源

冷卻塔噪聲源主要有：風機進排氣噪聲，淋水噪聲，風機減速器和電動機噪聲，冷卻塔水泵，配管和閥門噪聲。其中以前兩者為主要噪聲成分，排氣口噪聲比進氣口噪聲約高10 dB(A)。由相關分析知，冷卻塔出風口的噪聲影響最大，為防治重點。

4.2 達實智能大廈冷卻塔噪聲測定

圖3為噪聲測量點位置，表1為測定的噪聲值。

圖3 冷卻塔噪音值測量點位置

根據相關資料[4]顯示，在無任何遮擋措施下，冷卻塔噪聲會對周圍環境產生一定的影響。持續的高分貝噪聲有可能破壞人的聽覺器官及神經系統，長期處于強噪聲環境下，人會出現記憶力減退、失眠等癥狀，因此，需要采取相應的降噪措施。達實智能大廈在冷卻塔選型時就特別注重噪音對周邊環境的影響，選用超低噪音冷卻塔，并要求單臺風機噪音：≤54.5±2 dB(A)（測量點：距CT腳高1.5 m，進風側10 m遠）。根據住宅樓所在區域聲環境質量標準[5]，冷卻塔噪聲衰減至住宅樓處應滿足相應的標準值，標準值見表2。

表1 噪音值表（dB(A)）

表2 環境噪聲限值（dB(A)）

根據以上測定值可以得出，達實智能大廈冷卻塔噪聲滿足1類功能區類別。

5 冷卻塔氣流組織數值模擬

達實智能大廈冷卻塔總的布置原則是利用建筑物的形體特點，區分冷卻塔的進風和排風，避免進排風氣流的短路。為了驗證冷卻塔布置的結果，設計中利用CFD進行氣流速度場的模擬。

5.1 網格劃分

根據總平面圖紙中給出的輪廓做相應的簡化處理。計算區域的選取以不影響冷卻塔邊界氣流流動為準，根據相關工程經驗并做模擬試算后，確定設置外場計算尺寸為116 m×62 m×40 m（長×寬×高）。網格劃分如圖4～5所示：

圖4 計算區域網格劃分

圖5 冷卻塔及周圍網格劃分

5.2 模擬結果

模擬結果如6所示。從模擬結果可以看出，進風和排風可以避免短路，從而保證冷卻塔的使用效果。

圖6 冷卻塔CFD氣流組織模擬

6 總結

本文根據達實智能大廈案例闡述了高效冷站冷卻塔選型，防白煙，噪音防治及氣流組織在設計時需要注意的因素及解決的問題。在冷卻塔選型及防白煙時需要結合當地氣象條件，如全年主導風向和室外空氣溫濕度，才能較大限度降低能耗。冷卻塔的氣流組織對其冷卻能力有較大影響，如設計不善造成回流現象嚴重將時冷水機組冷卻水進水溫度升高，使機組能效降低，在設計時一定要根據實際情況合理布置，防止冷卻塔出風回流。