冷卻塔摘要介紹了冷卻塔免費供冷的原理,通過對工程設計中的一些方法和概念進行分析,提出開式冷卻塔加闆式換熱器是冬季冷卻塔供冷較實用的形式,探讨了冬季内區采用較高空調供水溫度的可行性、冷卻塔冬季性能曲線、冷卻塔供冷與冷水機組供冷工況切換點的取值、水泵的選取、冷水機組選用等問題。給出了冷卻塔系統設計實例。關鍵詞冷卻塔供冷經濟性冬季熱工曲線工況切換點冷卻水泵冷水機組水處理DesignmethodoffreecoolingsystembycoolingtowersByWangXiang★AbstractPresentstheprincipleofatowercoolingsystem.Basedontheanalysisofwaysandconceptsinengineering,considersthatthesystemofopencoolingtowersplusplateheatexchangersisamoreeconomicalandpracticalmodeinwinter.Discussestheissuessuchasthefeasibilityofadoptinghighersupplywatertemperatureforinnerzoneinwinter,performancecurveofcoolingtowerinwinter,selectionofswitchingpointbetweencoolingbytowersandrefrigerators,selectionofpumpsandrefrigerators.Providesadesignexample.Keywordstowercooling,economy,performancecurveinwinter,switchingpoint,coolingwaterpump,waterchillerunit,watertreatment★SHZFArchitecturalDesignCo.,Ltd.,Shanghai,China30引言在《采暖通風與空氣調節設計規範》(第7.7.1條)、《公共建築節能設計标準》(第5.4.13條)、《全國民用建築工程設計技術措施暖通動力·節能專篇》(第6.1.7條)中均明确了對冬季存在供冷需求的建築宜利用冷卻塔提供空調冷水。作為一種節能技術,近來也有一些文獻就其設計方法進行了交流[123]。這些文獻的設計應用實例均在北京等寒冷地區(如文獻[1]的冷卻塔供冷工況設計轉換點是室外空氣濕球溫度1℃)。實際上,近10年來上海地區已有少數建築(如上海金光外灘中心等)設計中使用了此項技術,并能實現冬季節能運行。由于規範和設計手冊中至今沒有明确該系統的設計技術措施(即設計缺乏數據支持)等原因,目前各種設計方法和概念也有較大差異。筆者試圖從冷卻塔供冷系統設計方法的經濟性比較出發,對系統配備進行分析,以澄清一些概念,完善系統設計細節,并以實際運行的工程作印證。1冷卻塔免費供冷原理圖1是一個采用電動壓縮式冷水機組的空調水系統,如果建築(如大型電子計算機房,電子廠房,有大面積内區的商業、辦公、酒店等)在冬季均有穩定的内部發熱量,需要供冷,這時隻要室外氣溫足夠低(室外空氣濕球溫度也較低),系統配置的冷卻塔便可以提供溫度足夠低的冷水,直接作為冷源來消除餘熱量。圖1所示系統通過關閉制冷機,切換至闆式換熱器的方法,可以實現冷卻塔供冷。由于冷水機組的耗電量在空調系統中占有極高的比例,利用冷卻塔供冷節省了大量的電費,所以常常被稱為"免費供冷"("freecooling")。2冷卻塔供冷系統設計方法分析冷卻塔供冷工程設計的一般程序如下:先計算内區冷負荷(主要是照明、人員、電腦服務器等設備發熱引起的冷負荷),對内外區分别設置空調系統,然後按冬季冷卻塔的熱工曲線确定關閉冷水機組的工況轉換點:包括對應的室外濕球溫度值及此時冷卻水的供水溫度、合理運行溫差,空調系統的供水溫度、運行溫差,并選擇免費供冷闆式換熱器或直接選用閉式冷卻塔,再選擇冷卻水泵及空調水泵。2.1冷卻塔免費供冷的系統設置形式及經濟性2.1.1冷卻塔免費供冷系統按冷卻水是否直接送入空調末端設備可劃分為兩大類:間接供冷系統及直接供冷系統(必須采用閉式冷卻塔)。文獻[2]提出了利用閉式冷卻塔直接供冷的經濟性分析,并指出約2年内可以收回投資,筆者對此有不同看法。從某合資品牌冷卻塔廠家了解到,一般開式冷卻塔的價格約500元/(t/h)(冷卻水流量),而閉式冷卻塔的價格約2000元/(t/h)以上,即閉式冷卻塔價格是開式冷卻塔的4倍左右,這一點在文獻[2]中也得到了印證:設計實例中過渡季工況冷負荷為262kW,夏季設計工況冷負荷為570kW,而選用的閉式冷卻塔(夏季用于冷水機組冷卻,過渡季用于直接供冷)價格為28萬元,基本相當于同樣制冷量冷水機組價格的1.5倍。再看閉式冷卻塔的投資回收期問題,該作者在計算冷水機組節電量時,采用了将主機功率142kW乘以0.8再乘以105d(過渡季濕球溫度連續5h低于12℃的時間)的方法,而其過渡季工況冷負荷為262kW,在此工況下,主機COP值隻有262kW/(142kW×0.8)=2.3,顯然對水冷機組來說不可能這樣低。按《公共建築節能設計标準》(GB50189-2005)表5.4.5的規定,相應容量的水冷機組COP應不小于4.3,考慮過渡季冷卻水溫低于32℃,其COP應大于4.3。如果按過渡季水冷機組部分負荷下COP為4.4,室外溫度低于12℃的時間内平均冷負荷為262kW的0.8倍計算,投資回收期就大于5年。從投資角度考慮,在舒适性空調工程設計中,采用冷水機組+閉式冷卻塔的組合可能性基本不存在,文獻[2]也提出閉式冷卻塔+開式冷卻塔聯合使用的方法還涉及到複雜的控制切換問題。筆者認為節能應同時考慮經濟性,在沒有實際工程證明閉式冷卻塔直接供冷的投資回收期合理的情況下,舒适性空調工程中的冷卻塔供冷形式應采取開式冷卻塔(采用冷水機組已配的冷卻塔)+闆式換熱器的方式(按上例,相同冷量對應的開式冷卻塔+闆式換熱器的初投資不會超過閉式冷卻塔價格的一半)。2.1.2間接供冷系統中換熱器的經濟性分析。與其他換熱器相比,闆式換熱器具有換熱效率高、結構緊湊等特點。其投資回收期簡單分析如下,某合資品牌的闆式換熱器價格約為1200元/m2,冷熱水側溫差按1℃計算,傳熱系數按6000W/(m2·℃),可換算得出每kW換熱量(即冬季供冷量)需增加的設備初投資約200元,另外闆式換熱器所接管道閥門及自控等以設備投資的50%估算,這樣系統增加的初投資約為300元/kW。如果冷水機組部分負荷的COP=4.8,則每kW供冷量所耗電量為0.21kW。設電價為0.7元/(kWh),每kW供冷量的初投資回收時間約為T,則每kW換熱量增加的初投資(闆式換熱器及接管道閥門等)=所節省的冷水機組耗電量×電價×初投資回收時間,即300=0.21×0.7T,計算可得T=2041h。按上海地區的室外空氣濕球溫度年頻率統計表[4]:空氣濕球溫度≤7℃的時間為2379h,空氣濕球溫度≤6℃的時間為2080h。這樣,如果能在室外空氣濕球溫度≤6℃時實現冷卻塔供冷,建築功能為高級酒店(使用四管制水系統)和電腦機房時,空調系統24h運行,所節省的壓縮機耗電費用可以在1年内收回系統所增加的初投資。對于辦公、商場的空調系統(日運行時間為8～10h),估計可以在2年左右收回。2.2開式冷卻塔免費供冷時的熱工特性曲線、工況切換點及各參數取值2.2.1熱工特性曲線由于冬季溫度較低,冷卻塔中水與空氣的蒸發傳熱和總傳熱量都減小,與夏季運行工況有很大區别。冷卻塔免費供冷的設計需要得到冷卻塔全年濕球溫度範圍對應的熱工曲線,而目前一般的冷卻塔設備廠家卻不能提供。如文獻[1,3]所述,目前采用較多的是ASHRAE手冊中基于空調工況、中等容量的橫流塔100%,67%設計流量時的熱工特性曲線(見圖2和圖3)。從圖2可以看出冷卻水溫差取值與空氣濕球溫度的關系。假設需要10℃的冷卻水,必須在空氣濕球溫度2.5℃以下才能實現冷卻水供回水溫差為3℃,而改取供回水溫差為2℃時,在空氣濕球溫度5℃時就能提供10℃的冷卻水。所以取較小的冷卻水溫差可以在更高的濕球溫度下實現冷卻塔供冷,即争取更多的免費供冷時間。再看圖2和圖3的情況比較。假設需要10℃的冷卻水,供回水溫差為2℃,從圖2可查出,在濕球溫度5℃時才可以實現,而從圖3可查出,在濕球溫度7℃時就可以實現。同樣從圖3也可查出,在濕球溫度5℃時可獲得10℃的冷卻水溫度及3℃的供回水溫差。因此,可得出如下結論:冷卻塔在小于其額定流量時可獲得比額定工況更低的冷卻水溫度或更大的溫差。所以在冷卻塔按夏季額定工況已選取的情況下,應采用小于其額定流量運行的辦法以延長免費供冷時間(在更高的濕球溫度下實現冷卻塔供冷)。2.2.2空調供水溫度取值文獻[1]在設計實例中系統取值為:空調供回水溫度8℃/13℃,冷卻水溫度7℃/10℃,冬季冷卻塔供冷系統的工況轉換點為濕球溫度1℃。筆者認為工況轉換點取值過低至少有2個問題:1)系統節能難以得到合理的經濟性(免費供冷時間較短);2)冷水機組供冷與冷卻塔供冷的工況切換存在問題(這一點将在第2.4節詳述)。根據圖3可以發現,出現問題1)的原因是文獻[1]的作者将冷卻水溫差取值稍大(3℃)和冷卻水供水溫度較低。冷卻水溫差大使得冷卻水流量減小,冷卻水泵的耗電量減少,但它應與冷水機組停機所帶來的省電作一定權衡(見第2.2.3節)。冷卻水供水溫度較低的原因是設計者試圖得到8℃的空調供水溫度,所以空調供水溫度取值對冷卻塔供冷的經濟性有間接影響。《全國民用建築工程設計技術措施暖通動力·節能專篇》第6.1.7條指出:"末端盤管的供冷能力,應在所能獲得的空調冷水的最高計算供水溫度和供回水溫差條件下,滿足冬季冷負荷需求,宜盡可能提高計算供水溫度,延長冷卻塔供冷的時間"。如果夏季空調系統的供回水溫差為5℃,冷卻塔供冷系統中空調側取供回水溫差為5℃應該沒問題。以下将從内區的負荷特性、新風供冷能力、空調供水溫度提高與盤管供冷能力下降之間的關系分析空調冷水的最高計算供水溫度的取值。在室内外溫差10℃時,1m3/h新風的顯熱供冷能力為Q=GcpΔt=3.33W。表1是對辦公室、會議室、商場、餐廳等功能内區所産生的冷負荷、要求的新風量、新風供冷能力進行計算的結果。表1計算結果辦公室會議室商場餐廳内區冷負荷(顯熱)/(W/m2)73101147122人均占有面積/m25.02.01.52.0人均新風量/(m3/(人·h))30302020單位面積新風量/(m3/(m2·h))6151310單位面積新風供冷量(顯熱)/(W/m2)20504534單位面積冬季内區盤管需處理的冷量/(W/m2)535110288冬季内區盤管需處理冷量占總内區負荷的百分比/%72506972可見,對一般的辦公、商場建築而言,考慮新風供冷能力後,内區冷卻盤管供冷量隻需為其夏季工況的72%左右就可滿足要求。另外,内區冷負荷以顯熱負荷為主,式(1)為夏季表冷器的幹球溫度效率公式。Eg=Δtt1-tw1(1)式中Δt為處理空氣的初終狀态溫差,t1為空氣的初始狀态溫度(當新風獨立處理送風時,即室内設計溫度),tw1為表冷器供水溫度。另設冷卻塔供冷工況時表冷器的幹球溫度效率為E′g=Δt′t′1-t′w1(2)式中各參數意義與夏季工況類似。由于表冷器已選定,Eg=E′g,則有Δtt1-tw1=Δt′t′1-t′w1(3)内區室内設計溫度t1=25℃,t′1=21℃(一般外區冬季設計溫度為20℃,從節能角度出發,内區室溫取值高于外區有利于冷熱量的正向混合)。另将tw1=7℃,t′w1=10℃代入式(3)可得Δt′/Δt=0.61,即表冷器在10℃進水(室溫21℃)時的顯熱換熱量與其在7℃進水(室溫25℃)時的顯熱換熱量之比為61%。比較此數據與表1中的結果,可以認為在室外溫度11℃(即室内外溫差10℃)以下,對表1中的一般功能房間,在内區盤管按1.2倍選用時,提供10℃的空調冷水是基本可以滿足内區空調要求的。所以筆者認為在表1的内區工況下(合理設置新風供冷系統,在建築功能為辦公、商場時),空調冷水的最高計算供水溫度取值可達10℃。2.2.3冷卻水供水溫度及溫差取值如果冬季時取空調最高計算供水溫度為10℃冷卻内區是可行的,考慮闆式換熱器1℃溫差,冷卻水供水溫度可取9℃。如果冷卻水溫差仍采用5℃,從圖3可查出,必須在濕球溫度2℃以下才能實現,這樣冷卻塔供冷時間太短。按上海地區的室外空氣濕球溫度年頻率統計表[4],空氣濕球溫度≤2℃的時間為1235h。為了延長免費供冷時間,應該減小冷卻水溫差,按圖3,取冷卻水供水溫度9℃、冷卻水溫差2℃的工況在濕球溫度7℃時即可實現。這樣,按上海地區的室外參數,免費供冷時間就多了1391h。再來考慮一下冷卻水溫差變小使冷卻水泵耗電增加與冷水機組停機所帶來的省電之間的權衡問題。取文獻[1]中的數據,内區總負荷為4000kW,制冷機COP取5.0,即冷水機組運行耗電量為800kW。取5℃溫差時,選用380m3/h流量冷卻水泵運行2台的耗電量共約90kW,而取2.5℃溫差時,選用760m3/h流量冷卻水泵運行2台的耗電量共約180kW。可以看出,如果能實現冷卻塔供冷,所省的壓縮機耗電量遠遠大于小溫差時冷卻水泵帶來的耗電量增加。以上比較說明,對于一般的辦公、商場建築而言,冷卻水供水溫度取9℃是可行的。冷卻水溫差取2～3℃,在較高的濕球溫度工況點切換至冷卻塔供冷是較經濟的。2.3空調水泵及冷卻水泵的選取《全國民用建築工程設計技術措施暖通動力·節能專篇》指出:冬季空調冷水的循環泵和設置闆式換熱器的冷源水循環泵的規格、台數應與冬季供冷工況相匹配。文獻[1]中的設計實例采用單獨選配水泵(其流量為冷卻塔額定流量的67%)的方法。2.3.1空調水泵的選取考慮空調側水溫差可與夏季相同。但必須按内區負荷計算對應的流量,另外,由于與夏季供冷工況相比,管路流量減少使得空調水泵揚程減小,水泵的參數肯定與夏季工況不同。筆者認為,由于此時冷源已由冷水機組變成了闆式換熱器,并沒有冷水機組側恒定流量的限制,從節能考慮,可取消壓差旁通流量控制,對已有的空調水泵進行變頻控制,既能利用原有水泵适應冬季供冷負荷的變化,又省去增加空調水泵帶來的機房面積增大、系統設備與管路閥門的投資增加,更能體現出冷卻塔供冷系統的節能性與經濟性。2.3.2冷卻水泵的選取考慮筆者認為,隻要合理配置,冷卻塔供冷系統也可以利用原有冷卻水泵供冷并實現較高的濕球溫度工況切換點。夏季工況是一台冷卻水泵對應一台冷卻塔,免費供冷設計工況下,可以采用一台冷卻水泵對應兩台冷卻塔的方式,目前雖然無法得到冷卻塔額定流量的50%的熱工特性曲線,但能獲得比冷卻塔67%流量運行工況更好的特性(更低的冷卻水溫或更大的溫差)卻是不容質疑的。如果設計能利用夏季冷水機組供冷的空調水泵和冷卻水泵,冷卻塔供冷系統增加的隻有闆式換熱器和空調水泵變頻器等較少設備,按第2.1.2節中的分析能确保在2～3年内收回所增加的投資,給業主帶來實際的節能利益。另外,利用夏季空調系統中的設備不但能減少節能設計帶來的初投資的增加,而且對已有建築利用該技術的節能改造有很大意義。2.4冷卻塔免費供冷與冷水機組供冷切換問題當冷卻塔免費供冷工況切換至冷水機組供冷工況時(由于室外濕球溫度升高而使冷卻水溫升高,以至于冷卻塔免費供冷量小于内區冷負荷時),冷卻水溫仍然較低(闆式換熱器的熱側是空調冷水,一般需10℃空調供水才能消除内區冷負荷,考慮闆式換熱器冷、熱兩側溫差,冷卻水側進水溫度應在10℃以下),由于此時冷卻水管路中無發熱量,無法使用旁通方式将冷卻水溫提高到合适的溫度,如果沒有達到最低冷卻水溫的要求,可能就要利用冷卻塔的水加熱器将冷卻水溫提高後才能安全地切換至制冷機供冷工況(開啟制冷機)。所以筆者認為所選用的冷水機組對低溫冷卻水的适應性也是冷卻塔供冷系統中至關重要的問題。一些工程的設計采用了控制措施(如闆式換熱器串聯在冷水機組前等來防止制冷機冷卻水進水溫度過低,不去分析工程實際是否可行,其操作會過于複雜),從實際使用的簡便安全着想,筆者以為考慮冷水機組對低溫冷卻水的适應性是必要的(低溫冷卻水運行工況對機組COP值提高也有好處)。按照有關廠家的樣本,一些離心式及螺杆式冷水機組[526]可穩定适應12.8℃低溫冷卻水。筆者認為這也應作為冷卻塔供冷系統相關設備選用的必要條件。3冷卻塔供冷運行工程情況和系統設計應避免的問題筆者曾對所參與設計的使用冷卻塔供冷工程(上海金光外灘中心,工程總建築面積19萬m2,由一棟50層的辦公樓及兩棟27層的五星級酒店組成,辦公樓及裙房空調系統為VAV系統,酒店為四管制風機盤管系統,冷卻塔供冷設施為與制冷機并聯的闆式換熱器)進行了回訪。由于受目前物業管理水平所限,沒有一套完整的冷卻塔免費供冷數據供參考。根據介紹,室外溫度低于10℃時,系統切換至冷卻塔供冷模式,闆式換熱器可提供10℃左右的空調冷水。上海金光外灘中心從2002年冬季開始使用冷卻塔供冷至今,冷卻塔供冷系統運行基本正常(每年使用時間約3個月)。按照上海的氣候,室外溫度為10℃時的空氣濕球溫度大約為7～8℃(相對濕度大約為65%～76%)。以上運行的實踐經驗基本與第2.1～2.3節中所闡述的建議冷卻塔供冷的溫度工況相近,說明較高的空調供水溫度在實際操作中是可行的。當然,也了解到冷卻塔供冷系統在實際運行中存在一些問題,希望在今後的工程設計中得到重視。3.1開式冷卻塔加闆式換熱器的免費供冷冷卻水系統的水處理問題由于開式冷卻塔直接與空氣接觸,空氣中的灰塵垃圾容易進入冷卻水系統中,而闆式換熱器的間隙較小,容易堵塞。冷卻水系統必須滿足《工業循環冷卻水處理設計規範》要求,該規範規定換熱設備為闆式換熱器時的相應懸浮物控制指标≤10mg/L。這樣就必須采用化學加藥、定期監測管理、在夏季及時清洗闆式換熱器的方式才能避免闆式換熱器堵塞問題。在目前使用開式冷卻塔加闆式換熱器的冷卻水免費供冷系統項目中均發現,因闆式熱換器未得到維護清洗而使換熱量有逐年下降的趨勢。3.2開式冷卻塔加闆式換熱器免費供冷時的冷卻水系統對其他水冷整體式空氣調節器等設備的影響在規模較大的公共建築中常常有一些租戶的電腦機房需用水冷整體式空氣調節器進行冷卻(因建築外立面等原因無法采用風冷式空調機),如果考慮系統設置簡單,設計人員會将此類設備并入大樓冷水機組的冷卻水系統中,使用同一組冷卻塔。按照實際工程的使用情況,免費供冷時的冷卻水溫度會與其他水冷設備的冷卻水溫度相矛盾,按照《采暖通風與空氣調節設計規範》第7.7.2條:空氣調節用冷水機組和水冷整體式空氣調節器的冷卻水溫??電動壓縮式冷水機組不宜低于15.5℃。而免費供冷工況時冷卻水的溫度在10～13℃以下,所以冷卻塔免費供冷的冷卻水系統一定不能用于常年使用、有恒定水溫要求的水冷設備。4冷卻塔供冷系統設計實例根據第2.1～2.4節所闡述的設計思路,筆者将最近進行的上海地區一幢中型辦公樓(香港新世界花園1#辦公樓)中冷卻塔供冷系統的相關設計考慮和數據羅列如下,以供參考:4.11#辦公樓建築面積約6萬m2,地下3層,地上35層,建築高度150m。夏季空調冷負荷7481kW,冬季内區冷負荷約1400kW。選用3台制冷量為2275kW的離心式冷水機組和1台1050kW的螺杆式冷水機組。冷水機組冷水供、回水溫度為7℃/12℃,空調水系統分為高、低兩個分區(高區供、回水溫度為8℃/13℃),末端為四管制風機盤管。冷卻水供、回水溫度為32℃/37℃,4台冷卻塔設于屋頂。4.2冷卻塔供冷系統設備:選用1台換熱量為1500kW的闆式換熱器,冷側冷卻水供、回水溫度為9℃/11.7℃,熱側空調水10℃/15℃(高區為11℃/16℃)。冷卻水泵利用夏季工況已有的1台470m3/h冷卻水泵,對應2台2275kW冷水機組配備的冷卻塔(即冷卻塔供冷時其流量為額定流量的50%)運行。對已有的400m3/h空調水泵變頻控制(維持供回水立管壓差恒定),以滿足空調側的要求。參考冷卻塔67%額定流量時的熱工特性曲線,設計切換點為室外空氣濕球溫度5℃。5結論5.1冷卻塔供冷系統從其可實現的氣候區域應定義為冬季冷卻塔供冷,系統形式上應充分考慮其經濟合理性,使用開式冷卻塔加闆式換熱器并聯于冷水機組的供冷系統應作為較經濟常用的冷卻塔免費供冷方式被推薦使用。5.2盡可能提高冬季内區空調計算供水溫度,延長冷卻塔供冷的時間,對于辦公、商場建築,當新風獨立處理并送至内區供冷時,一般冷卻水供水溫度可取9℃左右。冷卻水溫差推薦取2～3℃,盡可能在較高的濕球溫度工況點切換至冷卻塔供冷,這在實際工程中也證明是可行的。5.3建議盡量利用夏季空調水系統中的水泵等設備,這樣不但能減少節能設計帶來的初投資的增加(确保在2年左右收回),而且對已有建築利用該技術的節能改造也有很大意義。5.4冷卻塔供冷系統所選用的冷水機組對允許的冷卻水最低溫度要求也是至關重要的問題。5.5設計中應重視冷卻塔供冷冷卻水系統的水處理問題。5.6一定不能将常年需冷卻的水冷設備與使用冷卻塔免費供冷的冷卻水系統合并。5.7建議專業技術措施或手冊中能提供冷卻塔冬季運行工況曲線,以滿足設計人員合理選用

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