冷卻塔供冷利用自然冷源,解決冬季、過渡季某些建筑的供冷需要,減少制冷機(jī)運行時間,從而得到顯著的節(jié)能效果。筆者針對冷卻塔供冷系統(tǒng)設(shè)計和運行中的幾個問題,如供冷形式的選擇、供水溫度的選擇、切換溫度的確定、冷水溫度的控制以及冷卻水泵與系統(tǒng)特性的匹配等進(jìn)行了討論。

1 　供冷形式的選擇

冷卻塔供冷大致有如下4 種形式:1) 開式冷卻塔加過濾器;2) 開式冷卻塔加熱交換器;3) 封閉式冷卻塔;4) 制冷劑的自然循環(huán)。這4 種形式各有特點,在供冷形式的選擇時應(yīng)該加以考慮。

1. 1 　開式冷卻塔加過濾器(直接供冷系統(tǒng))在夏季,系統(tǒng)的工作與常規(guī)空調(diào)的運行一致,

但在過渡季,當(dāng)環(huán)境溫度足夠低時,從冷卻塔來的冷卻水就直接進(jìn)入冷凍水系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán),包括進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)的末端調(diào)節(jié)裝置內(nèi),如風(fēng)機(jī)盤管、誘導(dǎo)器等,如圖1 所示。從能源節(jié)約的角度來講,這樣的系統(tǒng)效果*好。不過,開式直接供冷系統(tǒng)需要將冷卻水系統(tǒng)與冷凍水系統(tǒng)相連通,這樣相對較臟的冷卻水會污染干凈的冷凍水系統(tǒng),極易堵塞冷凍水系統(tǒng)中的末端空調(diào)裝置。為減少冷卻水對管道的堵塞和腐蝕,系統(tǒng)采用專門的水處理設(shè)備和專門的過濾器。加過濾器的系統(tǒng)分為2 種:一種為全過濾系統(tǒng),如圖 1a 所示;一種為部分過濾系統(tǒng),如圖1b 所示。全過濾系統(tǒng)意味著系統(tǒng)中所有的雜質(zhì)將經(jīng)過過濾器,從根本上消除閥門和換熱器堵塞的可能性,但是有些污物會留在濾料中,增加了水泵的揚程。部分過濾的優(yōu)點是不增加系統(tǒng)的水泵揚程,可以在需要的時候回洗,而且不需要有過多的濾料,分流量的大小取決于水質(zhì)的好壞,大約為泵額定流量的5 %～10 %。關(guān)于水處理方面的問題,應(yīng)用直接供冷系統(tǒng)需要承擔(dān)較高的水處理費用,但是其換熱效果是*好的,僅1 個水泵運行,而且不需要增加任何換熱器,這是在選擇時所作的綜合考慮。

1. 2 　開式冷卻塔加熱交換器(間接供冷系統(tǒng))間接供冷系統(tǒng)的布置如圖2 所示,加裝一個板

式換熱器與制冷機(jī)組并聯(lián),從冷卻塔來的冷卻水通過換熱器與閉合環(huán)路中的冷卻水進(jìn)行熱交換。因此冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)是隔離的,從而避免了冷凍水系統(tǒng)被污染、腐蝕和堵塞問題。板式換熱器在中溫低壓的水循環(huán)中是*適用的,體積小,換熱能力強(qiáng),能夠*小程度地減小換熱溫差。但是間接供冷系統(tǒng)的缺點就是對能量的利用效率不及直接供冷系統(tǒng),換熱溫差加大,而且間接供冷時需要運行兩套水泵系統(tǒng),另外熱交換器以及相應(yīng)的閥門和控制系統(tǒng)也增加了初投資。

1. 3 　封閉式冷卻塔

閉式系統(tǒng)(圖3) 與開式直接供冷系統(tǒng)的相似之處在于它也是用從冷卻塔供給的冷卻水直接進(jìn)行供冷。不同的是它的冷卻水系統(tǒng)是封閉的,冷卻水未暴露在大氣或灰塵中,這樣解決了堵塞問題。但冷卻塔的出水溫度比開式冷卻塔高。在夏季正常運行時,降低了冷卻塔的效率,過渡季降低了冷卻塔供冷的節(jié)能效果,而且冷卻塔的盤管還需要另外的防凍保護(hù)。

1. 4 　制冷劑的自然循環(huán)(圖4)

在夏季,此系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的運行是一樣的。在過渡季或冬季大氣溫度降低時,冷凝器和蒸發(fā)器之間的閥門被打開,允許制冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器,同時液態(tài)制冷劑靠重力流到蒸發(fā)器,此時壓縮機(jī)不工作。由于熱交換受到制冷劑相變的限制,實際負(fù)荷能力往往低于25 % ,因此只能在一年中很少的時間內(nèi)才能采用,滿負(fù)荷對于制冷劑遷移循環(huán)式冷卻塔是不可能的。從上面的分析可以看出,這4 種方式各有優(yōu)缺點,在選擇時要綜合考慮正常運行和冷卻塔供冷運。

行兩種情況,根據(jù)地區(qū)氣候差異、建筑功能差異、初投資和運行費用來決定冷卻塔供冷形式。一般說來采用開式直接供冷和間接供冷的較多,因此筆者將重點分析這2 種形式。

2 　供水溫度和切換溫度的選擇

2. 1 　供水溫度的選擇

供水溫度的選擇需根據(jù)如下因素加以綜合考慮。

1) 潛在的冷量需求和可以允許的相對濕度的限制;

2) 過渡季或冬季顯熱負(fù)荷的大小;

3) 建筑物空調(diào)系統(tǒng)末端裝置的運行特性。

4) 在變風(fēng)量系統(tǒng)中,由于冷凍水溫度上升所導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)能量的消耗與增加。

2. 2 　切換溫度的選擇

切換度是指從常規(guī)的機(jī)械制冷切換到冷卻塔供冷時的大氣濕球溫度。切換溫度與供水溫度

關(guān)系密切,供水溫度越高,其相應(yīng)的切換溫度也越高,能利用冷卻塔供冷的時間就越長。供水溫度要求的限制決定了切換溫度。另外需要說明的一個定義是冷幅,也就是冷卻塔供水溫度與大氣濕球溫度的差值,切換溫度根據(jù)供水溫度與冷幅之差而得到。一些文獻(xiàn)中以及一些暖通設(shè)計人員將冷幅看作一定值,而且認(rèn)為冷幅是按照夏季冷卻塔正常工作時的工況來確定,這樣的做法是不對的。從冷卻塔工作原理可以看出,冷卻塔能將水溫降低的原因在于,水在蒸發(fā)過程中需要吸收熱量從而使沒有蒸發(fā)的水溫度降低,水溫降低的程度取決于蒸發(fā)水量,蒸發(fā)水量取決于空氣的飽和程度。當(dāng)空氣的含濕量飽和后,沒有水的蒸發(fā),只有空氣和水的顯熱交換就很難再降低水的溫度,供水溫度的極限是空氣濕球溫度,即冷幅為零時,當(dāng)然這是理

想情況,冷卻塔需要無限大。夏季空氣溫度高,空氣含濕量較高,因此冷幅較小,當(dāng)濕球溫度為28 ℃時,一般的冷卻塔的冷幅為4 ℃,即供水溫度為32 ℃。但是當(dāng)空氣溫度下降后,空氣的飽和含濕量會減小,水分的蒸發(fā)會減少,水溫的下降也會減少,冷幅會變大。對于上述的冷卻塔,當(dāng)空氣濕球溫度為7 ℃時,冷幅增加到8 ℃,出水溫度為15℃,將無法滿足設(shè)計者設(shè)想的11 ℃供水溫度的要求。所以,在確定切換溫度時要考慮到冷幅變化影響。計算過程為:

1) 根據(jù)冷卻塔生產(chǎn)廠家的試驗數(shù)據(jù),可以回歸得到冷幅Δ T 關(guān)于濕球溫度Ts 的方程

Δ T = f ( Ts) ,按照一次函數(shù)或二次函數(shù)的形式就能滿足精度要求;

2) 根據(jù)供水溫度Tw = Ts +Δ T ,得到Tw =

Ts + f ( Ts) ,求解此方程就能得到供水溫度Tw 時的切換溫度Ts。如上海地區(qū),冷卻塔的供水溫度設(shè)為13 ℃,對某品牌逆流強(qiáng)迫通風(fēng)型冷卻塔上海冬季運行的試驗數(shù)據(jù)回歸,可得冷幅與濕球溫度的關(guān)聯(lián)式為Δ T= - 0. 19 Ts+ 9. 33 。然后可得供水溫度與切換溫度的關(guān)系為Tw = 0. 81 Ts + 9. 33 。*后,將供水溫度13 ℃輸入上式,可計算出切換溫度為4. 5 ℃。通過上述計算發(fā)現(xiàn),如果供水溫度設(shè)為13 ℃,切換溫度是4. 5 ℃。對于間接供冷系統(tǒng)中,還需要

考慮板換的換熱溫差(一般為2 ℃) ,也就是設(shè)定水溫13 ℃時,冷卻塔的出水溫度只能有11 ℃,帶入上式計算可知切換濕球溫度為2 ℃,供冷時間減少。解決這個問題的方法有三個,一是盡可能的選擇較高的供水溫度。另一是改變冷卻塔設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),也就是說冷卻塔的設(shè)計將遵守過渡季節(jié)或冬季的標(biāo)準(zhǔn),而不是夏季標(biāo)準(zhǔn)。如設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)定濕球溫度為7 ℃時,冷卻塔的冷幅為4 ℃,這樣能增加過渡季的使用時間。但是這樣設(shè)計的冷卻塔對于夏季工況來說就會很大,冷卻水溫度太低,使得制冷機(jī)組的冷凝溫度太低,也不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定,并且成本也會大幅上升。第三種方法就是充分利用冷幅,在冷卻塔供冷時,將在夏季時作為備用的冷卻塔加以利用。

3 　冷水溫度的控制

冷卻塔供冷系統(tǒng)運行時,采用供水溫度盡可能高,并能滿足需要的冷水供給系統(tǒng),增加冷卻塔的供冷時間,為了實現(xiàn)*大程度的節(jié)能效果,就需要對冷水水溫進(jìn)行控制。用三通閥控制冷卻盤管,并且反饋一個位置信號給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過一個簡單的控制方式來定期檢查所有閥門是否全部開啟,如果所有閥門未全部開啟,冷水的設(shè)定溫度就能升高一個單位步長的調(diào)節(jié)溫度,如0. 25 ℃。一段時間后(具體時間由系統(tǒng)的反應(yīng)時間來確定) 再次檢查閥門的開啟度,如果仍然沒有全部開啟,那么冷水溫度的設(shè)定值就再升高一個步長。相反,如果控制系統(tǒng)檢測到系統(tǒng)的所有閥門全部開啟,那么將設(shè)定溫度降低一個步長。這種控制方法在制冷系統(tǒng)中經(jīng)常使用,但對于冷卻塔供冷來說,就顯得尤為重要,因為能夠增加冷卻塔的供冷時間,從而使節(jié)能效果更加顯著。

4 　水泵特性分析

對于間接供冷系統(tǒng),在冷卻塔供冷和夏季正常工作時均為兩套水泵各自工作,水泵的工作特性沒有大的改變,因此對于按照夏季工況設(shè)計的水泵在過渡季供冷運行時將不會產(chǎn)生較大的問題。但對于直接供冷系統(tǒng),則只采用一套水泵工作,通常情況下,由于蒸發(fā)回路的阻力要小于冷凝回路的阻力,并且冷凍水泵經(jīng)常被用來作變流量供給,控制系統(tǒng)也很復(fù)雜,會出現(xiàn)冷卻塔的流量低于*小流量的情況。因此,選擇冷卻水泵而不是冷凍水泵作為直接供冷系統(tǒng)的水泵。由于阻力特性的差別,可能會出現(xiàn)下面幾種情況: 1) 冷卻水泵的額定流量大于系統(tǒng)要求,但其額定揚程比系統(tǒng)要求要低。冷卻水泵將會降低流量提高揚程,這種情況下只需檢查流量是否滿足冷卻塔的*低流量要求。

2) 冷卻水泵的額定流量小于系統(tǒng)要求,但其額定揚程比系統(tǒng)要求高。冷卻水泵將會降低揚程、增大流量。當(dāng)流量變化較大時,必須檢查大流量時電機(jī)功率的增加是否在允許范圍之內(nèi),否則水泵將出現(xiàn)過載而燒毀,同時還要確定冷卻塔是否能承擔(dān)所增加的流量。

3) 冷卻水泵的額定揚程低于系統(tǒng)要求,流量與系統(tǒng)要求大體一致。這種情況下檢驗是否有用

回路較多的冷凝器的可能性,來減少系統(tǒng)的阻力,并且還能提高制冷機(jī)的效率。如果無法改變,另外一種辦法是將冷卻水泵的出口和冷凍水泵進(jìn)口相連接,串聯(lián)兩套水泵系統(tǒng)運行。

4) 冷卻水泵的額定揚程和流量都低于系統(tǒng)要求,此時可以考慮加裝多臺冷卻水泵或?qū)溆盟靡餐度脒\行,變化開啟臺數(shù)以適應(yīng)冷卻塔供冷時系

統(tǒng)揚程和流量的要求。

5 　結(jié)束語

1) 冷卻塔四種冷形式各有利弊,在選擇時要根據(jù)地區(qū)氣候差異、建筑功能差異、初投資和運行費用來決定冷卻塔供冷形式。

2) 供水溫度選擇要盡可能的高,這樣能增加系統(tǒng)的供冷時間,*大程度地利用“免費”冷源。切換溫度的選擇要考慮冷幅變化的影響。

3) 冷水溫度的合理控制也能增加系統(tǒng)的供冷時間。

4) 要仔細(xì)計算水泵特性,否則水泵揚程、流量達(dá)不到系統(tǒng)要求,嚴(yán)重時還會使水泵過載而燒毀。