閉式冷卻塔在嚴寒地區冬季制冷中的應用

金瑋濤

（哈爾濱工業大學建筑設計研究院有限公司，哈爾濱 150090）

0 引言

現代商場、醫院、辦公樓等公共建筑的規模越來越大，內區房間面積占比隨之增大。在冬季，這些區域沒有了外圍護結構所產生的熱負荷，但工藝設備、照明與人體等室內熱源散熱量所形成的冷負荷依然很大。這就造成了冬季內區房間，冷負荷大于熱負荷的現象出現。為使在這些區域工作生活的人具有良好的熱舒適性，即使在冬季，也需要對其進行制冷。

針對這一現象，李丹以北京某辦公樓為例，采用新風供冷的方式來消除冬季內區冷負荷，并對使用效果進行了分析［1］；董濤以南京某劇場建筑為例，針對其內區主要功能房間全年具有供冷需要的情況，采用新風供冷的方式，發現該系統具有顯著的節能效果［2］；姜紅以煙臺某辦公大樓為例，詳細介紹了冷卻塔供冷系統設計，并重點分析了內區房間室溫的選擇、最高冷水溫度的計算等，以充分利用冷卻塔的制冷功效［3］；邵海以某醫院門診樓為例，對比多種內區常年供冷空調冷源方案，最終選擇冷水機組作為內區供冷方案［4］。

結合國內現有研究成果及工程實例可以發現，冬季內區空調冷源的常見方案有3種，分別是冷水機組供冷，新風供冷及冷卻塔供冷。結合哈爾濱市醫科大學附屬第四醫院門診外科樓項目實例，對比分析以上三種冬季內區常見冷源方案。最終選擇閉式冷卻塔作為工程的冬季內區房間空調冷源。并在文中對此系統的設備選型及系統構成進行介紹。

1 設計原則

1.1 空調冷源方案確定

通過綜合對比分析上述3種方案。

方案1：采用冷水機組供冷。該系統為最常見的空調系統形式之一，經無數工程案例驗證后運行可靠，且后期管理運行維護難度低。而缺點是若應用工程要求冷水機組僅在白天運行，夜間停止運行。則在冬季夜間機組停機后，冷卻水水溫降低，當水溫低于機組要求的最低開機溫度后，第二天白天無法直接開啟冷水機組，需要一定的升溫措施，當溫度高于開機溫度后，才可運行機組，這勢必會造成能耗的增加。此外，嚴寒地區冬季室外溫度低，還需要采取防凍措施。

方案2：采用新風供冷。根據內區房間計算冷負荷以及室內要求的溫濕度，確定送風狀態點，將室外新風引入新風機組，并通過熱濕處理，集中讓新風達到送風狀態點的要求。相較于方案1，在保證冷負荷被有效消除的前提下，有節約能源的優點。缺點是此方案受室外溫濕度影響較大，當溫度差與濕度差過大時，室內熱舒適性會有所降低。且存在結露的風險。

方案3：采用閉式冷卻塔進行供冷。由于嚴寒地區冬季室外溫度低，具有直接利用冷卻塔進行免費供冷的條件。避免了方案1中冷水機組的開機預熱能耗以及機組運行能耗。同時熱舒適性相較方案2有所增加。

傳統的開式冷卻塔，冷卻水直接與外界空氣在填料上進行接觸換熱，水量損耗大，且空氣中的污染物均可進入循環水系統中，使水質不斷惡化，對管道及換熱設備造成破壞。而在閉式冷卻塔中，冷卻水在盤管中進行循環，不與空氣直接接觸，換熱是通過盤管管壁，以間接的方式傳遞給管外的噴淋水或空氣流。因此，閉式冷卻塔具有設備損耗小、占地面積少、運行費用低、節約水資源以及節能減排等優勢。此外，閉式冷卻塔在冬季可以將外循環的水泄掉，采用風冷模式運行，這一功能是開式冷卻塔不具備的。因此在3種方案中，選擇閉式冷卻塔作為冷源。

1.2 閉式冷卻塔的兩種運行模式

模式1：噴淋泵開啟，將水盤中的水噴淋到盤管上，通過噴淋水的蒸發換熱，將盤管內冷卻水的熱量帶走。同時冷卻塔底端的風機開啟，將蒸發后的濕蒸汽從塔頂吹出，進而將熱量排出冷卻塔，濕蒸汽經脫水器處理，水從蒸汽中隔出，流回水盤。

圖1 閉式冷卻塔示意圖

模式2：噴淋泵關閉，將水盤中的水泄出，開啟風機，干空氣從塔底流向塔頂，與盤管進行接觸換熱，進行風冷式熱交換，將熱量帶出冷卻塔。

兩種運行模式分別適用于不同的氣象條件，空氣濕球溫度越高，冷卻效率越低，這對僅靠塔外空氣進行風冷式冷卻的模式2影響更大，因此在夏季及過渡季，優先選擇模式1。對于室外濕球溫度偏低的冬季，模式2的運行效率更高，同時可以保障冷卻塔的運行不受低溫影響，且更加節約水資源［5，6］。

1.3 閉式冷卻塔的優化設計

為了能讓閉式冷卻塔在使用過程中充分發揮節能減排的優勢，可以對一些參數進行優化。理論上講，當內循環過程中的工質在進行熱交換，熱量被全部帶走時，空氣恰好達到飽和狀態，這個工況下的節能效果最好。為實現這一目的，可采取手段提高冷卻塔的傳熱傳質性。

（1） 工質流速：管內工質流速與管內的壓降成正比關系，與盤管換熱面積成反比關系。因此，兩條關系曲線存在一個交點，當工質流速達到這個交點流速時，盤管可以憑借較小的換熱面積得到較優的換熱效果。

（2） 噴淋密度：工質流速是通過影響內循環，來對換熱效果進行干預，而噴淋密度則是通過影響盤管外、冷卻塔內的外循環階段，來對換熱效果產生影響。當噴淋密度增大時，外掠管壓降增大，盤管面積減小。因此，兩條關系曲線同樣存在一個交點，當噴淋密度處于交點位置時，同樣可以實現以小換熱面積換得好的換熱效果的目的。

（3） 塔內風速：塔內風速同樣是影響外循環階段的主要因素，當風速增大時，管內壓降減小，外掠管壓降增大，盤管面積減小。因此同樣能找到一個中間點，在此風速條件下，換熱效果與換熱面積之間達到一個最優平衡點［7］。

除上述幾點外，盤管密度，盤管截面形狀等，都是影響閉式冷卻塔性能的關鍵因素，可以從這些方面入手進行調試研究，使閉式冷卻塔節能減排的優勢發揮至最大。

2 工程應用

2.1 工程概況

工程為哈爾濱市醫科大學附屬第四醫院門診外科樓項目，地上部分建筑總面積102976m2，建筑總高度95.5m，建筑總層數為24層。1～6層為門診區，建筑面積為49032m2，其中，內區房間建筑面積為18180m2，占1～6層總面積的37.1%（2層建筑平面圖所示，陰影區域為內區房間如圖2所示）；7層為設備夾層；8～24層為病房區。

圖2 二層建筑平面圖

經負荷計算，工程空調系統夏季總冷負荷為11957kW。冬季總冷負荷為879kW。

2.2 設計難點

如文中所述，冬季1～6層的內區房間由于人員、設備及燈光等影響因素，房間得熱量遠大于失熱量，為了維持醫生及患者的熱舒適性，需要進行適當制冷，這點也在負荷計算結果中得到印證。因此，項目的設計難點在于冬季內區房間的制冷需求難以解決。

2.3 設計方案

結合醫院公共建筑的使用性質，對上述3種方案進行綜合分析，方案1雖然系統運行穩定可靠，但能耗過高。此外，工程冬季內區空調冷負荷為879kW，僅占夏季總冷負荷的7.4%。若內區全年均采用冷水機組作為冷源，在節能性及經濟性的前提下很難選出合理的機組配置方案。方案2雖然節能，但多個診室共用一套新風系統，無法滿足不同功能科室之間的室內溫濕度差異化控制，且由于嚴寒地區冬季的送風溫度過低所導致的結霜問題很難解決。經與建設方進行溝通后，決定采用方案3。閉式冷卻塔技術在冬季對該工程的內區房間進行制冷。同時，在夏季及過渡季，全樓空調冷源來自地下一層制冷機房，冷卻塔選用方型橫流式冷卻塔，設在6層屋面。

項目冬季空調系統設計工況，用戶側冷凍水供回水溫度為5/13℃，閉式冷卻塔供回水溫度為0/5℃。由于冷卻塔出水溫度低于冷凍水供水溫度，因此可以選擇不使用冷水機組，僅通過板式換熱器進行簡單換熱，即可實現制冷的目的［5］。根據上述思路，進行選型計算后，該冬季空調冷源主要設備配置情況如表1所示。

表1 主要設備材料

夏季及過渡季，進出制冷泵房的冷凍水管上的閥門關閉，每根冷凍水立管靠近地下一層冷凍水干管處的閥門打開；冬季，控制邏輯與夏季及過渡季相反。系統示意圖如圖3、圖4所示。

圖3 系統示意圖

圖4 系統示意圖

3 效果評價

系統從工程竣工后使用至今，經使用方反饋，冬季，可以滿足內區房間的制冷需求，且系統運行可靠，效果良好。

4 結語

綜上所述，可以得出以下結論：

（1） 醫院內區主要功能房間具有室內冷負荷穩定，常年需要供冷，且不同科室間室內溫濕度要求不同等特點，適合選擇閉式冷卻塔作為冬季內區冷源。

（2） 根據工程實例后期運行反饋結果可知，此方案可有效解決嚴寒地區冬季內區房間供冷問題，為其它類似工程設計提供了相應參考。