冷却塔摘要介绍了冷却塔免费供冷的原理,通过对工程设计中的一些方法和概念进行分析,提出开式冷却塔加板式换热器是冬季冷却塔供冷较实用的形式,探讨了冬季内区采用较高空调供水温度的可行性、冷却塔冬季性能曲线、冷却塔供冷与冷水机组供冷工况切换点的取值、水泵的选取、冷水机组选用等问题。给出了冷却塔系统设计实例。关键词冷却塔供冷经济性冬季热工曲线工况切换点冷却水泵冷水机组水处理DesignmethodoffreecoolingsystembycoolingtowersByWangXiang★AbstractPresentstheprincipleofatowercoolingsystem.Basedontheanalysisofwaysandconceptsinengineering,considersthatthesystemofopencoolingtowersplusplateheatexchangersisamoreeconomicalandpracticalmodeinwinter.Discussestheissuessuchasthefeasibilityofadoptinghighersupplywatertemperatureforinnerzoneinwinter,performancecurveofcoolingtowerinwinter,selectionofswitchingpointbetweencoolingbytowersandrefrigerators,selectionofpumpsandrefrigerators.Providesadesignexample.Keywordstowercooling,economy,performancecurveinwinter,switchingpoint,coolingwaterpump,waterchillerunit,watertreatment★SHZFArchitecturalDesignCo.,Ltd.,Shanghai,China30引言在《采暖通风与空气调节设计规范》(第7.7.1条)、《公共建筑节能设计标准》(第5.4.13条)、《全国民用建筑工程设计技术措施暖通动力·节能专篇》(第6.1.7条)中均明确了对冬季存在供冷需求的建筑宜利用冷却塔提供空调冷水。作为一种节能技术,近来也有一些文献就其设计方法进行了交流[123]。这些文献的设计应用实例均在北京等寒冷地区(如文献[1]的冷却塔供冷工况设计转换点是室外空气湿球温度1℃)。实际上,近10年来上海地区已有少数建筑(如上海金光外滩中心等)设计中使用了此项技术,并能实现冬季节能运行。由于规范和设计手册中至今没有明确该系统的设计技术措施(即设计缺乏数据支持)等原因,目前各种设计方法和概念也有较大差异。笔者试图从冷却塔供冷系统设计方法的经济性比较出发,对系统配备进行分析,以澄清一些概念,完善系统设计细节,并以实际运行的工程作印证。1冷却塔免费供冷原理图1是一个采用电动压缩式冷水机组的空调水系统,如果建筑(如大型电子计算机房,电子厂房,有大面积内区的商业、办公、酒店等)在冬季均有稳定的内部发热量,需要供冷,这时只要室外气温足够低(室外空气湿球温度也较低),系统配置的冷却塔便可以提供温度足够低的冷水,直接作为冷源来消除余热量。图1所示系统通过关闭制冷机,切换至板式换热器的方法,可以实现冷却塔供冷。由于冷水机组的耗电量在空调系统中占有极高的比例,利用冷却塔供冷节省了大量的电费,所以常常被称为"免费供冷"("freecooling")。2冷却塔供冷系统设计方法分析冷却塔供冷工程设计的一般程序如下:先计算内区冷负荷(主要是照明、人员、电脑服务器等设备发热引起的冷负荷),对内外区分别设置空调系统,然后按冬季冷却塔的热工曲线确定关闭冷水机组的工况转换点:包括对应的室外湿球温度值及此时冷却水的供水温度、合理运行温差,空调系统的供水温度、运行温差,并选择免费供冷板式换热器或直接选用闭式冷却塔,再选择冷却水泵及空调水泵。2.1冷却塔免费供冷的系统设置形式及经济性2.1.1冷却塔免费供冷系统按冷却水是否直接送入空调末端设备可划分为两大类:间接供冷系统及直接供冷系统(必须采用闭式冷却塔)。文献[2]提出了利用闭式冷却塔直接供冷的经济性分析,并指出约2年内可以收回投资,笔者对此有不同看法。从某合资品牌冷却塔厂家了解到,一般开式冷却塔的价格约500元/(t/h)(冷却水流量),而闭式冷却塔的价格约2000元/(t/h)以上,即闭式冷却塔价格是开式冷却塔的4倍左右,这一点在文献[2]中也得到了印证:设计实例中过渡季工况冷负荷为262kW,夏季设计工况冷负荷为570kW,而选用的闭式冷却塔(夏季用于冷水机组冷却,过渡季用于直接供冷)价格为28万元,基本相当于同样制冷量冷水机组价格的1.5倍。再看闭式冷却塔的投资回收期问题,该作者在计算冷水机组节电量时,采用了将主机功率142kW乘以0.8再乘以105d(过渡季湿球温度连续5h低于12℃的时间)的方法,而其过渡季工况冷负荷为262kW,在此工况下,主机COP值只有262kW/(142kW×0.8)=2.3,显然对水冷机组来说不可能这样低。按《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005)表5.4.5的规定,相应容量的水冷机组COP应不小于4.3,考虑过渡季冷却水温低于32℃,其COP应大于4.3。如果按过渡季水冷机组部分负荷下COP为4.4,室外温度低于12℃的时间内平均冷负荷为262kW的0.8倍计算,投资回收期就大于5年。从投资角度考虑,在舒适性空调工程设计中,采用冷水机组+闭式冷却塔的组合可能性基本不存在,文献[2]也提出闭式冷却塔+开式冷却塔联合使用的方法还涉及到复杂的控制切换问题。笔者认为节能应同时考虑经济性,在没有实际工程证明闭式冷却塔直接供冷的投资回收期合理的情况下,舒适性空调工程中的冷却塔供冷形式应采取开式冷却塔(采用冷水机组已配的冷却塔)+板式换热器的方式(按上例,相同冷量对应的开式冷却塔+板式换热器的初投资不会超过闭式冷却塔价格的一半)。2.1.2间接供冷系统中换热器的经济性分析。与其他换热器相比,板式换热器具有换热效率高、结构紧凑等特点。其投资回收期简单分析如下,某合资品牌的板式换热器价格约为1200元/m2,冷热水侧温差按1℃计算,传热系数按6000W/(m2·℃),可换算得出每kW换热量(即冬季供冷量)需增加的设备初投资约200元,另外板式换热器所接管道阀门及自控等以设备投资的50%估算,这样系统增加的初投资约为300元/kW。如果冷水机组部分负荷的COP=4.8,则每kW供冷量所耗电量为0.21kW。设电价为0.7元/(kWh),每kW供冷量的初投资回收时间约为T,则每kW换热量增加的初投资(板式换热器及接管道阀门等)=所节省的冷水机组耗电量×电价×初投资回收时间,即300=0.21×0.7T,计算可得T=2041h。按上海地区的室外空气湿球温度年频率统计表[4]:空气湿球温度≤7℃的时间为2379h,空气湿球温度≤6℃的时间为2080h。这样,如果能在室外空气湿球温度≤6℃时实现冷却塔供冷,建筑功能为高级酒店(使用四管制水系统)和电脑机房时,空调系统24h运行,所节省的压缩机耗电费用可以在1年内收回系统所增加的初投资。对于办公、商场的空调系统(日运行时间为8～10h),估计可以在2年左右收回。2.2开式冷却塔免费供冷时的热工特性曲线、工况切换点及各参数取值2.2.1热工特性曲线由于冬季温度较低,冷却塔中水与空气的蒸发传热和总传热量都减小,与夏季运行工况有很大区别。冷却塔免费供冷的设计需要得到冷却塔全年湿球温度范围对应的热工曲线,而目前一般的冷却塔设备厂家却不能提供。如文献[1,3]所述,目前采用较多的是ASHRAE手册中基于空调工况、中等容量的横流塔100%,67%设计流量时的热工特性曲线(见图2和图3)。从图2可以看出冷却水温差取值与空气湿球温度的关系。假设需要10℃的冷却水,必须在空气湿球温度2.5℃以下才能实现冷却水供回水温差为3℃,而改取供回水温差为2℃时,在空气湿球温度5℃时就能提供10℃的冷却水。所以取较小的冷却水温差可以在更高的湿球温度下实现冷却塔供冷,即争取更多的免费供冷时间。再看图2和图3的情况比较。假设需要10℃的冷却水,供回水温差为2℃,从图2可查出,在湿球温度5℃时才可以实现,而从图3可查出,在湿球温度7℃时就可以实现。同样从图3也可查出,在湿球温度5℃时可获得10℃的冷却水温度及3℃的供回水温差。因此,可得出如下结论:冷却塔在小于其额定流量时可获得比额定工况更低的冷却水温度或更大的温差。所以在冷却塔按夏季额定工况已选取的情况下,应采用小于其额定流量运行的办法以延长免费供冷时间(在更高的湿球温度下实现冷却塔供冷)。2.2.2空调供水温度取值文献[1]在设计实例中系统取值为:空调供回水温度8℃/13℃,冷却水温度7℃/10℃,冬季冷却塔供冷系统的工况转换点为湿球温度1℃。笔者认为工况转换点取值过低至少有2个问题:1)系统节能难以得到合理的经济性(免费供冷时间较短);2)冷水机组供冷与冷却塔供冷的工况切换存在问题(这一点将在第2.4节详述)。根据图3可以发现,出现问题1)的原因是文献[1]的作者将冷却水温差取值稍大(3℃)和冷却水供水温度较低。冷却水温差大使得冷却水流量减小,冷却水泵的耗电量减少,但它应与冷水机组停机所带来的省电作一定权衡(见第2.2.3节)。冷却水供水温度较低的原因是设计者试图得到8℃的空调供水温度,所以空调供水温度取值对冷却塔供冷的经济性有间接影响。《全国民用建筑工程设计技术措施暖通动力·节能专篇》第6.1.7条指出:"末端盘管的供冷能力,应在所能获得的空调冷水的最高计算供水温度和供回水温差条件下,满足冬季冷负荷需求,宜尽可能提高计算供水温度,延长冷却塔供冷的时间"。如果夏季空调系统的供回水温差为5℃,冷却塔供冷系统中空调侧取供回水温差为5℃应该没问题。以下将从内区的负荷特性、新风供冷能力、空调供水温度提高与盘管供冷能力下降之间的关系分析空调冷水的最高计算供水温度的取值。在室内外温差10℃时,1m3/h新风的显热供冷能力为Q=GcpΔt=3.33W。表1是对办公室、会议室、商场、餐厅等功能内区所产生的冷负荷、要求的新风量、新风供冷能力进行计算的结果。表1计算结果办公室会议室商场餐厅内区冷负荷(显热)/(W/m2)73101147122人均占有面积/m25.02.01.52.0人均新风量/(m3/(人·h))30302020单位面积新风量/(m3/(m2·h))6151310单位面积新风供冷量(显热)/(W/m2)20504534单位面积冬季内区盘管需处理的冷量/(W/m2)535110288冬季内区盘管需处理冷量占总内区负荷的百分比/%72506972可见,对一般的办公、商场建筑而言,考虑新风供冷能力后,内区冷却盘管供冷量只需为其夏季工况的72%左右就可满足要求。另外,内区冷负荷以显热负荷为主,式(1)为夏季表冷器的干球温度效率公式。Eg=Δtt1-tw1(1)式中Δt为处理空气的初终状态温差,t1为空气的初始状态温度(当新风独立处理送风时,即室内设计温度),tw1为表冷器供水温度。另设冷却塔供冷工况时表冷器的干球温度效率为E′g=Δt′t′1-t′w1(2)式中各参数意义与夏季工况类似。由于表冷器已选定,Eg=E′g,则有Δtt1-tw1=Δt′t′1-t′w1(3)内区室内设计温度t1=25℃,t′1=21℃(一般外区冬季设计温度为20℃,从节能角度出发,内区室温取值高于外区有利于冷热量的正向混合)。另将tw1=7℃,t′w1=10℃代入式(3)可得Δt′/Δt=0.61,即表冷器在10℃进水(室温21℃)时的显热换热量与其在7℃进水(室温25℃)时的显热换热量之比为61%。比较此数据与表1中的结果,可以认为在室外温度11℃(即室内外温差10℃)以下,对表1中的一般功能房间,在内区盘管按1.2倍选用时,提供10℃的空调冷水是基本可以满足内区空调要求的。所以笔者认为在表1的内区工况下(合理设置新风供冷系统,在建筑功能为办公、商场时),空调冷水的最高计算供水温度取值可达10℃。2.2.3冷却水供水温度及温差取值如果冬季时取空调最高计算供水温度为10℃冷却内区是可行的,考虑板式换热器1℃温差,冷却水供水温度可取9℃。如果冷却水温差仍采用5℃,从图3可查出,必须在湿球温度2℃以下才能实现,这样冷却塔供冷时间太短。按上海地区的室外空气湿球温度年频率统计表[4],空气湿球温度≤2℃的时间为1235h。为了延长免费供冷时间,应该减小冷却水温差,按图3,取冷却水供水温度9℃、冷却水温差2℃的工况在湿球温度7℃时即可实现。这样,按上海地区的室外参数,免费供冷时间就多了1391h。再来考虑一下冷却水温差变小使冷却水泵耗电增加与冷水机组停机所带来的省电之间的权衡问题。取文献[1]中的数据,内区总负荷为4000kW,制冷机COP取5.0,即冷水机组运行耗电量为800kW。取5℃温差时,选用380m3/h流量冷却水泵运行2台的耗电量共约90kW,而取2.5℃温差时,选用760m3/h流量冷却水泵运行2台的耗电量共约180kW。可以看出,如果能实现冷却塔供冷,所省的压缩机耗电量远远大于小温差时冷却水泵带来的耗电量增加。以上比较说明,对于一般的办公、商场建筑而言,冷却水供水温度取9℃是可行的。冷却水温差取2～3℃,在较高的湿球温度工况点切换至冷却塔供冷是较经济的。2.3空调水泵及冷却水泵的选取《全国民用建筑工程设计技术措施暖通动力·节能专篇》指出:冬季空调冷水的循环泵和设置板式换热器的冷源水循环泵的规格、台数应与冬季供冷工况相匹配。文献[1]中的设计实例采用单独选配水泵(其流量为冷却塔额定流量的67%)的方法。2.3.1空调水泵的选取考虑空调侧水温差可与夏季相同。但必须按内区负荷计算对应的流量,另外,由于与夏季供冷工况相比,管路流量减少使得空调水泵扬程减小,水泵的参数肯定与夏季工况不同。笔者认为,由于此时冷源已由冷水机组变成了板式换热器,并没有冷水机组侧恒定流量的限制,从节能考虑,可取消压差旁通流量控制,对已有的空调水泵进行变频控制,既能利用原有水泵适应冬季供冷负荷的变化,又省去增加空调水泵带来的机房面积增大、系统设备与管路阀门的投资增加,更能体现出冷却塔供冷系统的节能性与经济性。2.3.2冷却水泵的选取考虑笔者认为,只要合理配置,冷却塔供冷系统也可以利用原有冷却水泵供冷并实现较高的湿球温度工况切换点。夏季工况是一台冷却水泵对应一台冷却塔,免费供冷设计工况下,可以采用一台冷却水泵对应两台冷却塔的方式,目前虽然无法得到冷却塔额定流量的50%的热工特性曲线,但能获得比冷却塔67%流量运行工况更好的特性(更低的冷却水温或更大的温差)却是不容质疑的。如果设计能利用夏季冷水机组供冷的空调水泵和冷却水泵,冷却塔供冷系统增加的只有板式换热器和空调水泵变频器等较少设备,按第2.1.2节中的分析能确保在2～3年内收回所增加的投资,给业主带来实际的节能利益。另外,利用夏季空调系统中的设备不但能减少节能设计带来的初投资的增加,而且对已有建筑利用该技术的节能改造有很大意义。2.4冷却塔免费供冷与冷水机组供冷切换问题当冷却塔免费供冷工况切换至冷水机组供冷工况时(由于室外湿球温度升高而使冷却水温升高,以至于冷却塔免费供冷量小于内区冷负荷时),冷却水温仍然较低(板式换热器的热侧是空调冷水,一般需10℃空调供水才能消除内区冷负荷,考虑板式换热器冷、热两侧温差,冷却水侧进水温度应在10℃以下),由于此时冷却水管路中无发热量,无法使用旁通方式将冷却水温提高到合适的温度,如果没有达到最低冷却水温的要求,可能就要利用冷却塔的水加热器将冷却水温提高后才能安全地切换至制冷机供冷工况(开启制冷机)。所以笔者认为所选用的冷水机组对低温冷却水的适应性也是冷却塔供冷系统中至关重要的问题。一些工程的设计采用了控制措施(如板式换热器串联在冷水机组前等来防止制冷机冷却水进水温度过低,不去分析工程实际是否可行,其操作会过于复杂),从实际使用的简便安全着想,笔者以为考虑冷水机组对低温冷却水的适应性是必要的(低温冷却水运行工况对机组COP值提高也有好处)。按照有关厂家的样本,一些离心式及螺杆式冷水机组[526]可稳定适应12.8℃低温冷却水。笔者认为这也应作为冷却塔供冷系统相关设备选用的必要条件。3冷却塔供冷运行工程情况和系统设计应避免的问题笔者曾对所参与设计的使用冷却塔供冷工程(上海金光外滩中心,工程总建筑面积19万m2,由一栋50层的办公楼及两栋27层的五星级酒店组成,办公楼及裙房空调系统为VAV系统,酒店为四管制风机盘管系统,冷却塔供冷设施为与制冷机并联的板式换热器)进行了回访。由于受目前物业管理水平所限,没有一套完整的冷却塔免费供冷数据供参考。根据介绍,室外温度低于10℃时,系统切换至冷却塔供冷模式,板式换热器可提供10℃左右的空调冷水。上海金光外滩中心从2002年冬季开始使用冷却塔供冷至今,冷却塔供冷系统运行基本正常(每年使用时间约3个月)。按照上海的气候,室外温度为10℃时的空气湿球温度大约为7～8℃(相对湿度大约为65%～76%)。以上运行的实践经验基本与第2.1～2.3节中所阐述的建议冷却塔供冷的温度工况相近,说明较高的空调供水温度在实际操作中是可行的。当然,也了解到冷却塔供冷系统在实际运行中存在一些问题,希望在今后的工程设计中得到重视。3.1开式冷却塔加板式换热器的免费供冷冷却水系统的水处理问题由于开式冷却塔直接与空气接触,空气中的灰尘垃圾容易进入冷却水系统中,而板式换热器的间隙较小,容易堵塞。冷却水系统必须满足《工业循环冷却水处理设计规范》要求,该规范规定换热设备为板式换热器时的相应悬浮物控制指标≤10mg/L。这样就必须采用化学加药、定期监测管理、在夏季及时清洗板式换热器的方式才能避免板式换热器堵塞问题。在目前使用开式冷却塔加板式换热器的冷却水免费供冷系统项目中均发现,因板式热换器未得到维护清洗而使换热量有逐年下降的趋势。3.2开式冷却塔加板式换热器免费供冷时的冷却水系统对其他水冷整体式空气调节器等设备的影响在规模较大的公共建筑中常常有一些租户的电脑机房需用水冷整体式空气调节器进行冷却(因建筑外立面等原因无法采用风冷式空调机),如果考虑系统设置简单,设计人员会将此类设备并入大楼冷水机组的冷却水系统中,使用同一组冷却塔。按照实际工程的使用情况,免费供冷时的冷却水温度会与其他水冷设备的冷却水温度相矛盾,按照《采暖通风与空气调节设计规范》第7.7.2条:空气调节用冷水机组和水冷整体式空气调节器的冷却水温??电动压缩式冷水机组不宜低于15.5℃。而免费供冷工况时冷却水的温度在10～13℃以下,所以冷却塔免费供冷的冷却水系统一定不能用于常年使用、有恒定水温要求的水冷设备。4冷却塔供冷系统设计实例根据第2.1～2.4节所阐述的设计思路,笔者将最近进行的上海地区一幢中型办公楼(香港新世界花园1#办公楼)中冷却塔供冷系统的相关设计考虑和数据罗列如下,以供参考:4.11#办公楼建筑面积约6万m2,地下3层,地上35层,建筑高度150m。夏季空调冷负荷7481kW,冬季内区冷负荷约1400kW。选用3台制冷量为2275kW的离心式冷水机组和1台1050kW的螺杆式冷水机组。冷水机组冷水供、回水温度为7℃/12℃,空调水系统分为高、低两个分区(高区供、回水温度为8℃/13℃),末端为四管制风机盘管。冷却水供、回水温度为32℃/37℃,4台冷却塔设于屋顶。4.2冷却塔供冷系统设备:选用1台换热量为1500kW的板式换热器,冷侧冷却水供、回水温度为9℃/11.7℃,热侧空调水10℃/15℃(高区为11℃/16℃)。冷却水泵利用夏季工况已有的1台470m3/h冷却水泵,对应2台2275kW冷水机组配备的冷却塔(即冷却塔供冷时其流量为额定流量的50%)运行。对已有的400m3/h空调水泵变频控制(维持供回水立管压差恒定),以满足空调侧的要求。参考冷却塔67%额定流量时的热工特性曲线,设计切换点为室外空气湿球温度5℃。5结论5.1冷却塔供冷系统从其可实现的气候区域应定义为冬季冷却塔供冷,系统形式上应充分考虑其经济合理性,使用开式冷却塔加板式换热器并联于冷水机组的供冷系统应作为较经济常用的冷却塔免费供冷方式被推荐使用。5.2尽可能提高冬季内区空调计算供水温度,延长冷却塔供冷的时间,对于办公、商场建筑,当新风独立处理并送至内区供冷时,一般冷却水供水温度可取9℃左右。冷却水温差推荐取2～3℃,尽可能在较高的湿球温度工况点切换至冷却塔供冷,这在实际工程中也证明是可行的。5.3建议尽量利用夏季空调水系统中的水泵等设备,这样不但能减少节能设计带来的初投资的增加(确保在2年左右收回),而且对已有建筑利用该技术的节能改造也有很大意义。5.4冷却塔供冷系统所选用的冷水机组对允许的冷却水最低温度要求也是至关重要的问题。5.5设计中应重视冷却塔供冷冷却水系统的水处理问题。5.6一定不能将常年需冷却的水冷设备与使用冷却塔免费供冷的冷却水系统合并。5.7建议专业技术措施或手册中能提供冷却塔冬季运行工况曲线,以满足设计人员合理选用

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