基于實際運行能效的冷卻塔性能評價方法研究

范宏武，聶 悅，程 煊，莫鵬程（上海市建筑科學研究院有限公司，上海 201108）

民用建筑空調系統多采用開式冷卻塔，從傳熱學角度，在不采取其他措施的3寸 情況下，空氣的濕球溫度是開式冷卻塔冷卻水能被冷卻到的極限溫度，因此國家標準《機械通風冷卻塔 第 1 部分：中小型開式冷卻塔》（GB/T7190.1-2018）采用的冷卻塔性能評價方法如熱交換效率評價方法和冷卻能力評價方法都僅采用出水溫度進行評價。

開式冷卻塔的冷卻能力不僅與其結構尺寸、填料特性有關，還受進口空氣濕球給定冷卻塔，其結構尺寸和填料特性已定，隨著環境溫度或空調負荷需求變化，冷卻塔散熱量隨之變化，改變水流量或風量都可調整冷卻塔散熱量，但改變水流量會引起水泵電耗變化，改變風量會改變風機軸功率。氣水比大時，空氣流量大，空氣冷量可能不能有效利用，風機能耗增加，冷卻塔性能表現變差；氣水比小時，水流量相對大，水泵能耗增加，冷卻水得不到有效冷卻，冷卻效率低。因此，在已知的室外氣象參數下，不同的冷卻任務存在最佳的氣水比與最少的能耗。

氣象條件不變情況下，冷卻水進水溫度越高，飽和空氣邊界層與空氣之間焓差越大，熱質交換越有利，熱交換量就越大，但冷卻水出水溫度會升高，而出水溫度的升高會引起制冷機組效率降低。空氣濕球溫度升高，飽和空氣邊界層空氣之間的焓差變小，蒸發換熱推動力變低，冷卻塔冷卻能力降低，出口溫度升高。

冷卻塔產品樣本通常給出的是夏季額定工況下的性能參數，實際使用中，由于室外氣象參數與空調負荷需求的變化，冷卻塔實際運行工況大多偏離額定工況，冷卻塔實際散熱量和能效比等都會發生變化。因此，應采用冷卻能效比的概念進行冷卻塔的性能評價。

1 冷卻塔的工作原理

開式冷卻塔的傳熱由蒸發傳熱和溫差傳熱共同驅動，其冷卻水和空氣的狀態變化過程可用圖 1 表示。從圖中可以看出，當冷卻水溫度高于空氣干球溫度時，蒸發傳熱和溫差傳熱同時從水傳向空氣，冷卻水溫度下降；當冷卻水溫度下降至空氣的干球溫度時，傳熱溫差消失，僅蒸發傳熱發生，蒸發傳熱將造成冷卻水溫度繼續下降，傳熱溫差將再次出現，但其傳熱方向從空氣傳向冷卻水，而蒸發傳熱方向為冷卻水傳向空氣，由于此時的蒸發傳熱量大于溫差傳熱量，因此冷卻水的溫度仍將繼續下降。但隨著冷卻水溫的進一步降低，由冷卻水傳向空氣的蒸發傳熱量越來越小，而由空氣傳向冷卻水的溫差傳熱量卻越來越大，最終兩者在冷卻水溫度下降至某一溫度時達到平衡。

圖1 開式冷卻塔中冷卻水和空氣的熱交換狀態變化示意圖

式（1）左邊為冷卻塔所具有的冷卻能力，也稱冷卻特性，與選擇填料的熱工特性及空氣和冷卻水流量相關。右邊表示冷卻塔的冷卻任務，也稱冷卻數，由冷卻塔進出水水溫及運行氣象條件決定，研究過程中主要通過現場測試確定。

2 冷卻塔綜合性能評價方法的建立

對于給定冷卻塔，其內部構件尺寸已定，冷卻能力主要取決于工程所在地的氣象條件與空氣流量和冷卻水流量，因此，本文建立了基于熱交換效率、冷卻能力和冷卻能效比系數的冷卻塔實際運行性能綜合評價方法。

2.1 熱交換效率評價方法

熱交換效率定義為冷卻塔進出水溫差與冷卻塔進水溫度與空氣濕球溫度溫差的比值，可用式（3）計算

熱交換效率實質上是比較冷卻水出水溫度與空氣濕球溫度的接近程度，效率越高，說明出水溫度越接近空氣濕球溫度，冷卻塔冷卻效果越好。

由于沒有考慮氣水比等因素對冷卻塔出水溫度的影響，因此該方法只能回答冷卻塔的冷卻效果，無法回答冷卻塔的冷卻能力。

2.2 冷卻能力評價方法

冷卻能力評價是根據冷卻塔實測數據確定冷卻塔冷卻數，以此冷卻數求解額定工況下冷卻塔的出水溫度，然后采用冷卻塔進出水溫差計算值與進出水溫差額定值的比值進行評價，計算公式如式（1）。

該方法采用實測工況下的冷卻數計算額定工況下的冷卻塔出口水溫，是一種將實測工況下測的出口水溫修正到額定工況下的做法，沒有涉及氣水比及能耗等因素。

2.3 冷卻能效比系數評價方法

冷卻能效比系數評價方法主要是對比冷卻塔實際工況下與額定工況下的性能系數，是冷卻塔實際冷卻能力與額定冷卻能力比值的表現，具體可用下式計算。

3 冷卻塔綜合性能評價方法應用實例分析

為驗證評價方法的有效性，本文對某一冷卻塔的實際運行性能進行了測試評價。評價對象為上海金日冷卻設備有限公司的開式冷卻塔，其銘牌參數為：冷量 175 RT、風機功率 5 HP、極數10 P、電壓 380 V、溫度 37-32-28 ℃、水量2 083 L/min。

測試內容包括冷卻塔進塔空氣干球溫度與濕球溫度、出塔空氣干球溫度與濕球溫度、冷卻水進塔水溫和出塔水溫、水泵功率、風機功率、冷卻塔風量流量、冷卻塔水量流量等。測試采用連續采集方式，采集間隔為1 min。

現場共進行了 3 個運行工況測試，工況 1 測試條件為冷卻水量 95 m3/h、風量 32 555 m3/h，水泵功率 0.58 kW，風機功率 3.48 kW；工況 2 測試條件為冷卻水量 112 m3/h、風量 32 555 m3/h，水泵功率 1.43 kW，風機功率 3.48 kW；工況 3 測試條件為冷卻水量 125 m3/h、風量 32 555 m3/h，水泵功率 3.48 kW，風機功率 3.48 kW。圖 2 為冷卻塔不同工況下的溫度實測結果，圖 3 為冷卻塔不同工況下的性能實測結果。

圖2 冷卻塔不同工況下的溫度參數實測結果

圖3 冷卻塔實際運行性能測試結果

從圖中可以看出，該冷卻塔在工況 1 條件下的熱交換效率在 60% ～ 85% 之間、冷卻能力在 116.30% ～ 133.48%之間、能效比系數在 18.98% ～ 31.64% 之間；工況 2 條件下的熱交換效率在 83.33% ～ 90.0% 之間、冷卻能力在 112.18% ～ 120.53% 之間、能效比系數在 15.42%～ 27.76% 之間；工況 3 條件下的交換效率在 80.0% ～90.01% 之間、冷卻能力在 110.12% ～ 123.12% 之間、能效比系數在 14.57% ～ 29.14% 之間。

若認為達到相關效率的 95% 即滿足設計要求的話，則熱交換效率評價結果為該冷卻塔未滿足要求，冷卻能力評價結果為該冷卻塔滿足要求，能效比系數評價結果為該冷卻塔未滿足要求。即根據本文建立的冷卻塔綜合性能評價方法，該冷卻塔性能并不滿足節能要求，且利用效率明顯偏低，必須采取措施調整其運行模式，進一步提升冷卻溫差，降低運行能耗，提高系統能源利用效率。

4 結 語

由于工程實際應用冷卻塔運行性能的好壞直接影響空調系統的冷凝溫度，間接影響空調制冷機組的實際運行效率，而目前的兩種常用性能評價方法熱交換效率評價方法和冷卻能力評價方法關注的是冷卻塔出水溫度是否滿足要求，未考量冷卻塔實際運行過程中的功耗，因此無法回答冷卻塔的實際運行能效情況。

本文主要從工程應用角度出發，引入系統能效思維，基于冷卻塔工作原理，開發了冷卻塔冷卻能效比系數評價方法，建立了基于熱交換效率、冷卻能力和冷卻能效比系數的冷卻塔實際運行性能綜合評價方法，不僅可評價冷卻塔的出水溫度，考察其冷卻能力，還可考慮其功耗，判斷冷卻塔運行的節能情況。相關測試實例結果顯示，該方法可對冷卻塔的實際運行性能做出相對客觀的節能評價。