散熱降噪耦合對區域供冷系統冷卻塔選型的影響

深圳市前海能源科技發展有限公司 馬建波 王朝暉 曠金國 胡 勣

0 引言

近年來，區域集中供冷系統在國內快速發展[1-2]。區別于單棟建筑自建制冷機房的獨立供冷系統，區域供冷系統將多棟建筑的制冷冷源集中建設，形成集中制冷站，并通過冷水管道將冷水輸送到各建筑物。區域供冷系統的優勢是規模化與設備共享，以深圳前海2號集中制冷站(以下簡稱前海2號制冷站)為例，其供冷建筑面積為213萬m2，采用1套制冷系統，分兩期建設，如果按照1棟建筑物建筑面積10萬m2計算，213萬m2建筑面積需要建設21個獨立的制冷機房，需要21個屋頂布置冷卻塔，在高容積率建筑群，不到100 m間隔就可能存在1個布置有冷卻塔的屋頂，而采用區域供冷系統，只需要在1個屋頂集中布置冷卻塔即可，節省了大量城市建筑屋頂空間，為建筑方案設計提供了更多自由度。冷卻塔集中布置的優點還包括：可以在規劃層面將制冷站選址在空氣流動暢通的地方，有利于冷卻塔散熱，減少熱島效應；可以集中處理冷卻塔噪聲，整體解決對環境不利的因素。區域供冷是一種政府、園區、用戶多方受益的方案。

近年來，冷卻塔噪聲對周圍環境的影響已越來越引起人們的重視，控制和治理冷卻塔噪聲污染、妥善處理冷卻塔噪聲對周圍環境的影響越來越受到關注。區域供冷系統的冷卻塔集中布置，降噪一般采用單塔降噪與冷卻塔區域集中降噪2種技術路線。單塔降噪指在每臺冷卻塔的進風口與排風口安裝消聲器，集中降噪指在冷卻塔布置區域的周邊與頂部安裝消聲器。

增加降噪設備后，冷卻塔的散熱性能會受到影響，形成冷卻塔散熱與降噪的耦合。文獻[3-16]分別對冷卻塔的熱工性能、降噪等進行了研究，但是對于冷卻塔散熱與降噪耦合的分析比較少見。本文以前海2號制冷站單塔降噪方案為例，對應對冷卻塔散熱降噪耦合問題的設備選型與實際運行情況進行分析研究。

1 冷卻塔的降噪設計

1.1 冷卻塔的噪聲來源與源頭降噪

冷卻塔噪聲由以下幾部分組成：風機噪聲、淋水噪聲、機械噪聲和電動機噪聲[11]。通常來說風機噪聲和淋水噪聲是冷卻塔噪聲的主要組成部分，是降噪的主要對象。

機械通風的冷卻塔一般采用軸流風機，其噪聲主要為空氣動力噪聲，排氣口噪聲主要為低頻噪聲。風機噪聲的聲功率與風機葉片葉梢的圓周速度的6次冪成正比。一般來說，風機進風量與風機轉速成正比，對于特定的風機，風機噪聲的聲功率可以近似認為與進風量呈6次冪關系。對于同樣的風機葉片，降低設計進風量，可以降低風機工頻轉速，從而降低風機源頭噪聲，降低消聲器的降噪要求，也就可以縮小消聲器尺寸。

風機設計進風量是冷卻塔散熱的一個重要參數。風機設計進風量與風機源頭噪聲、降噪等之間的關系是冷卻塔降噪與散熱存在耦合的重要表現。

在相同運行條件下，橫流式冷卻塔比逆流式冷卻塔噪聲更低，橫流式冷卻塔的淋水填料直接與冷水盤接觸，水沿填料均勻流到冷水盤，避免了逆流式冷卻塔水直接沖淋到冷水盤上帶來的較大噪聲。

前海2號制冷站采用了低轉速、大葉片的超低噪聲風機，源頭噪聲比同等處理水量冷卻塔Ⅰ級A聲級噪聲控制標準降低8 dB以上。采用橫流冷卻塔，基本避免了淋水噪聲的影響。前海2號制冷站風機采用皮帶傳動以降低機械噪聲，采用低噪聲電動機以降低電動機噪聲。

1.2 傳播降噪設計及其對空氣阻力的影響

GB 3096—2008《聲環境質量標準》、GB 12348—2008《工業企業廠界環境噪聲排放標準》要求冷卻塔用戶對冷卻塔產生的噪聲污染進行治理。前海2號制冷站的區域聲環境控制指標為2類標準，要求A聲級噪聲白天不超過60 dB，夜間不超過50 dB，冷卻塔運行期間，廠界和敏感點均需滿足要求。

傳播噪聲采用消聲器進行降噪，在進風口、出風口設置消聲器。

管式阻性消聲器消聲量一般可用下式計算：

式中ΔL為消聲量，dB；?(α0)為消聲系數，其中α0為材料正入射吸聲系數；P為消聲器流通截面周長，m；S為消聲器流通有效截面積，m2；l為消聲器有效長度，m。

?(α0)可表示為

以前海2號制冷站為例，西向第7個測點處受眾多進風口、排風口影響，噪聲較大，根據冷卻塔裸塔各頻帶聲壓級及達到A聲級噪聲50dB標準對應的聲壓級，得到各頻帶的需要消聲量，見表1，以此進行消聲片參數選型。

表1 前海2號制冷站冷卻塔西向第7個測點處聲壓級與消聲量

消聲器安裝在冷卻塔上，需要綜合考慮消聲性能和空氣動力性能。消聲器的空氣動力性能通常用壓力損失Δp表示，其值為通道沿程壓力損失和結構件的局部壓力損失之和：

式中 ξ為阻力系數，與消聲器的形狀、結構有關，包括局部阻力與沿程阻力；ρ為氣流密度，kg/m3；v為通道中氣流平均速度，m/s。

通道中氣流速度可以表示為

式中 G為進風量，kg/s；n為消聲片數量，片；h為消聲導流片的間距，m；D為消聲片寬度，m。

由式(1)可知，增加消聲器的長度l可以提高消聲量，但由式(3)可知，消聲器長度l增加將增大冷卻塔壓力損失，影響空氣動力性能，且消聲器長度選擇還要考慮現場安裝尺寸。因此，消聲器選型應兼顧消聲效果、現場條件和空氣動力性能。

結合式(3)與式(4)可知，消聲器的空氣壓降與消聲片間距、消聲片長度等有關。式(1)、(3)、(4)從另一個角度體現了冷卻塔散熱與降噪的耦合關系。

前海2號制冷站冷卻塔進風口安裝的1#型消聲器及冷卻塔排風口安裝的2#型消聲器的空氣動力性能見表2。

表2 通風消聲器空氣動力性能

2 冷卻塔的熱工設計

制冷系統的冷卻塔選型一般是由設備采購方提出冷卻水流量、冷卻水進塔溫度、冷卻水出塔溫度、設計濕球溫度等參數要求，設備供應商相應確定冷卻塔填料體積、進風量、風機功率等參數。考慮降噪后，設備采購方還會提出噪聲要求，設備供應方相應設計消聲器的參數，同時修正原有填料體積、進風量、風機功率等。

對于區域供冷系統，設計工況下冷卻水出塔溫度與濕球溫度的逼近度一般設為4 ℃。

2.1 散熱量(冷卻水量)與風量、填料體積的關系

冷卻塔工程常用的Merkel方程式為[3]

式中 K為總傳熱傳質系數，kg/(m2·s)；a為填料比表面積，m2/m3；V為填料體積，m3；L為冷卻水質量流量，kg/s；cpw為水的比定壓熱容，kJ/(kg·℃)；tcw為冷卻水出塔溫度，℃；thw為冷卻水進塔溫度，℃；t為冷卻水溫度，℃；hw為濕球溫度下飽和濕空氣比焓，kJ/kg；ha為空氣的比焓，kJ/kg。

在利用式(5)設計或校核冷卻塔時，通常還要給出冷卻塔逼近度，本文設定為4 ℃。

冷卻塔特性為水氣質量流量比的函數，通常可以表示為[3]

式中 G為空氣質量流量，kg/s；q與m分別為經驗公式系數和指數。

式(6)也可以用圖1表示，從圖1可以看出，隨著水氣質量流量比L/G的增大，冷卻塔的冷卻能力下降。也就是說，在固定冷卻水質量流量的條件下，冷卻能力隨著空氣質量流量的減小而降低，再次體現了冷卻塔降噪與散熱的耦合關系。

注：V0為原始填料體積；V′為變化后的填料體積；ΔV為填料體積變化量。圖1 冷卻塔冷卻特性曲線

圖1還顯示了冷卻塔填料體積增大后冷卻能力的變化。假設冷卻塔傳熱傳質系數K與填料比表面積a不變，圖中2條曲線分別為2種不同填料體積的冷卻塔的特性曲線，在填料體積增大后，冷卻塔的冷卻特性從A點變化到B點。對于一定的制冷系統，散熱量一定，如果冷卻水的質量流量不變,也即保持冷卻特性不變，冷卻塔工作點可以從A點平移到C點，說明填料體積增大后，在降低空氣質量流量的情況下，能保證同樣的散熱量。

降低空氣流量，風機噪聲減小，消聲器的長度也減小，根據式(3)，空氣流速減小還帶來消聲器空氣阻力的減小，從而風機功率也降低。

增加填料會增加冷卻塔造價，但同時會降低消聲器造價，以及減少風機運行功耗，所以需要對冷卻塔+降噪設備選型進行優化，平衡兩者的性能與造價。這是冷卻塔散熱與降噪耦合效應對冷卻塔選型提出的問題。

2.2 風量與風路系統阻力曲線的關系

在確定冷卻塔需要的空氣流量后，需要根據空氣流量進行風機選型，選型時主要考慮壓力與功率等參數。圖2顯示了冷卻塔風機特性曲線與冷卻塔風路系統阻力曲線與風量的關系。

圖2 冷卻塔風機特性曲線與冷卻塔風路系統阻力曲線與風量的關系

圖2中的系統曲線1為冷卻塔裸塔的風路空氣阻力曲線，根據式(3)與式(4)可知降噪裝置增加的空氣阻力，于是得到增加降噪裝置后的冷卻塔系統曲線2。

根據風機特性曲線與系統阻力曲線的交點確定風機的設計工作點(圖2中工作點1)。增加降噪設施后，冷卻塔通風阻力增大，風路阻力特性曲線上揚。在保證風量一定的情況下，系統風壓增大，需要重新對風機選型，使風機特性曲線2與系統曲線2相交于工作點3。工作點3即為增加降噪裝置后，既能保證冷卻塔散熱性能，又能達到降噪要求的工作點，此時風量為G3,風機壓力為p3。風量G3等于工作點1時的風量G1，風機壓力p3與p1的差值Δp即為設備選型時要求的余壓。

在供冷系統實際建設過程中，存在冷卻塔與降噪設備同時采購與分別采購的選擇。如果同時采購，則可以選擇同一家集成商，有利于平衡2種設備的選型參數、性能與造價。兩者分別采購時，需要確定裸塔性能參數，即圖2中工作點2的參數。根據工作點2的風機壓力與風量選擇風機型號。鑒于冷卻塔采購只提出冷卻水流量的要求，風量由廠家來確定，需要將風量轉換為裸塔的水流量。從圖2可以看出，增加降噪設備后的冷卻塔需要風量為G1，裸塔運行時的實際風量增大為G2。根據式(6)可知，在冷卻風量增大情況下，裸塔冷卻能力增強。在保持水氣質量流量比L/G不變的情況下，冷卻塔特性不變，但是總散熱量增大。設計時，可以按下式確定裸塔的冷卻水量：

式中 L2、L3分別為工況2與工況3的冷卻水量，kg/s。

由式(7)，可以根據裸塔的進風需求量G2準確確定裸塔冷卻水量L2并作為選型依據。現有設計過程經常選擇裸塔的冷卻水量為增加降噪設備后的冷卻塔流量的1.2倍，根據式(7)進行冷卻塔選型比常規冷卻塔降噪設計選型可以提供更精確的選型參數。

設計過程中，往往還需對風機余壓Δp作要求，即在風量G3時，需要在裸塔工作點1的壓力基礎上增加余壓，這個余壓一般為降噪設備的壓損。從圖2可以看出，只要選型風機在裸塔時能在工作點2工作，則不需要額外增加余壓就能滿足風機在工作點3工作。這就為冷卻塔降噪設備選型與廠家已通過CTI(冷卻技術研究所)認證等各種認證的裸塔型號建立了聯系，也就是說冷卻塔降噪設備的參數可以用認證過的裸塔參數進行精確選型。

冷卻塔經常采用CTI認證、考核[17]，基于CTI認證通常是對沒有降噪設備的裸塔進行認證，那么CTI考核也只能針對裸塔。工作點2為考慮降噪后的冷卻塔熱工性能考核點。

實踐表明，冷卻塔與降噪設備集成選型采購，有利于優化熱工與降噪性能，也有利于廠家選擇最經濟的組合。但是考慮到項目運行初期冷卻塔負荷不大，周邊噪聲要求也不高，可以對冷卻塔與降噪設備分別采購，先采購安裝冷卻塔，后期再采購安裝降噪設備，在對冷卻塔與降噪設備分別提出采購技術參數要求時，需要進行詳細分析計算。

3 案例分析

前海2號制冷站總供冷建筑面積約213萬m2，總裝機容量約11萬kW，總蓄冰量約51萬kW·h，尖峰供冷能力約16萬kW，主要采用常規電制冷、冰蓄冷技術和冷卻塔冷卻技術。目前該制冷站一期已投入運行，配置5臺8 440 kW/臺雙工況主機，1臺4 220 kW基載單工況主機，其中每臺雙工況主機均配置3臺冷卻塔，機載主機配置2臺冷卻塔。

該制冷站冷卻塔散熱量大，散熱性能保障要求高，同時聲環境要求高，冷卻塔噪聲敏感目標有2棟辦公樓和2棟公寓樓，一期冷卻塔安裝位置距兩側辦公樓最近的距離分別為18、25 m，距2棟公寓最近的距離分別為56、60 m。該項目與一般項目比，具有以下特殊性：冷卻塔集中布置、選型大、數量多；冷卻塔緊挨項目廠界，廠界條件苛刻，對達標點而言，噪聲通過距離衰減的空間有限；夜間蓄冰滿負荷運行，執行A聲級噪聲標準為50 dB。

由于2號制冷站周邊建筑對噪聲要求苛刻，且與2號制冷站同時投入使用，這就要求2號制冷站在運行初期就要滿足周邊噪聲的要求，因此采取了冷卻塔與降噪設備同時采購與安裝的方式。冷卻塔采購既要滿足噪聲要求，又要滿足冷水機組最不利工況的散熱需求。該區域聲環境指標為2類區域標準，要求A聲級噪聲白天不超過60 dB，夜間不超過50 dB，冷卻塔運行期間，廠界和敏感點均需滿足要求。

2號制冷站雙工況主機設計工況循環冷卻水量為1 735 m3/h，其中空調工況制冷量為8 440 kW，冷卻水供/回水溫度為32 ℃/37 ℃，對應濕球溫度為28 ℃；制冰工況制冷量為6 556 kW，冷卻水供/回水溫度為30 ℃/34 ℃，對應濕球溫度為27 ℃。

在冷卻塔招標采購要求中，雙工況主機的裸塔冷卻水處理量要求為1 936 m3/h，是制冷機設計冷卻水處理量1 735 m3/h的1.1倍，同時還要求機外余壓30 Pa。需要說明的是，該項目冷卻塔設在通風條件較好的地方，不存在周邊建筑物遮擋冷卻塔運行通風的問題。這里提出的水處理放大倍數和機外余壓都是出于對降噪的考慮。水處理量為1.1倍，意味著圖1中從冷卻塔0的設計工作點A移動到冷卻塔1的設計工作點C，按照制冷機冷卻能力對應的水處理量1 735 m3/h，則實際工作點移動到冷卻塔1的工作點B，冷卻能力滿足制冷機散熱需求，此時可以減少進風量，降低風機功率。

該項目實際選用了橫流式超低噪聲冷卻塔，對于雙工況主機對應的冷卻塔，空調工況和蓄冰工況處理水量分別為2 404、2 206 m3/h，分別為招標冷卻水流量要求的1.25倍和1.15倍，相對于制冷機設計冷卻水流量，則分別為1.38倍和1.27倍。

選用冷卻塔的風機對應的裸塔風量為426 000 m3/h，在該風量下，降噪設備進風消聲器和排風消聲器的壓損分別為7、15 Pa，合計22 Pa。在降低進風量10%后，機外余壓為61 Pa，大于30 Pa的招標要求。同時，降低風量10%后，降噪設備進風和排風消聲器的空氣速度減小10%，按照式(3)計算，消聲器的總壓降為17.8 Pa，小于設計要求的30 Pa余壓，說明61 Pa的機外余壓遠大于實際需求。

由于所選冷卻塔冷卻水流量比制冷機散熱所需冷卻水量分別放大1.38倍和1.27倍，所以進風量也同時放大1.38倍和1.27倍，造成源頭聲功率放大，導致消聲片也過度設計。在實際運行過程中，可以降低風機頻率到選型頻率的80%左右，從而不僅能降低進風量，還能滿足制冷機散熱需求，以及降低風機功率，在這種運行工況下，由于源頭聲功率的減小，原有敏感點的噪聲會低于設計要求的50 dB，低于2類聲環境標準要求。

同時由以上選型參數可以看出，水處理量超過1.1倍時，根據圖1，可以進一步降低進風量，但是風機余壓的過大選型，又導致過大的進風量，遠超過散熱需求的進風量，存在超額放大的現象。冷卻塔填料、風機、降噪設備均存在超額放大的情況，有較大優化空間。從另一個角度講，目前高效機房都有放大冷卻塔選型的趨勢，需要結合系統能效、設備投資進行優化。

根據制冷機水量需求，冷卻塔供應商可以選配填料、降噪設備和風機，不同組合會有不同的余壓、風量、裸塔噪聲等參數。根據每個廠商具體情況，在滿足散熱與降噪要求下，優化各自的配置與設備成本，提供最適合的塔型和降噪設備。

4 結語

冷卻塔設計選型過程中，需要綜合考慮冷卻塔散熱與降噪的耦合效應，包括增加冷卻塔填料與減少降噪設備規模的平衡，冷卻塔裸塔與使用降噪設備冷卻塔之間風量、風壓選型的關系等。本文通過理論結合實踐，為散熱降噪耦合的冷卻塔選型提供了清晰的依據與方法，并結合前海區域供冷系統實踐，對冷卻塔選型與實際運行進行了分析。