王培 馬德
華信郵電咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司
摘要 冷卻塔按冬季供冷工況選取，塔型可結(jié)合夏季工況靈活配置，多余
容量夏季備用。冬季供冷以小于冷卻塔的額定流量來(lái)獲取較低出水溫度，延長(zhǎng)冷卻塔免費(fèi)供冷運(yùn)行時(shí)間。
關(guān)鍵詞 節(jié)能技術(shù) 冬季冷卻塔的熱工曲線 間接式供冷 冷幅 防凍
0 引言
開(kāi)式冷卻塔冬季免費(fèi)供冷作為一項(xiàng)空調(diào)節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)在大量實(shí)際工程中應(yīng)用，然而，迄今為止國(guó)內(nèi)規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊(cè)中沒(méi)有明確該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)措施和系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)方法，另外生產(chǎn)廠商尚缺乏冷卻塔在冬季氣象參數(shù)下的技術(shù)參數(shù)或者冬季冷卻塔的熱工曲線。
1 開(kāi)式冷卻塔供冷系統(tǒng)
開(kāi)式冷卻塔供冷系統(tǒng)按冷卻水是否直接進(jìn)入空調(diào)末端設(shè)備分成兩類(lèi)：直接式
供冷系統(tǒng)和間接式供冷系統(tǒng)。
直接式供冷系統(tǒng)的特點(diǎn)
1）系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單，沒(méi)有中間換熱過(guò)程，因此在相同室外氣象條件下可利用
的冷水溫度較間接式系統(tǒng)低。
2）冷卻塔必須在系統(tǒng)高點(diǎn)、需要校核膨脹水箱的水位高度。
3）開(kāi)式系統(tǒng)的冷卻水質(zhì)容易受污染，在進(jìn)入冷凍水系統(tǒng)后會(huì)造成系統(tǒng)管路和設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢，從而影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要配備專(zhuān)門(mén)的水處理
設(shè)備。
4）冬季在系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后，空調(diào)管路發(fā)生了較大變化，需要校核運(yùn)行的冷卻水
泵性能是否匹配。
當(dāng)冬季利用冷卻塔供冷時(shí)，冷凍水泵停止工作，三個(gè)電動(dòng)三通閥換向，直通部分關(guān)閉，冷卻水繞過(guò)冷凝器，經(jīng)冷卻水泵直接送到冷凍水系統(tǒng)，圖中箭頭指示了冷卻水流動(dòng)方向。
間接式供冷系統(tǒng)的特點(diǎn)：
1) 冷卻水環(huán)路和冷凍水環(huán)路相互獨(dú)立，保證了冷凍水管路的衛(wèi)生條件。
2) 因?yàn)榇嬖谝粋�(gè)換熱過(guò)程，與直接式供冷系統(tǒng)相比，效率低。若要達(dá)到同樣的供冷效果，冷卻水溫度至少低1-2℃。
3) 增加了換熱設(shè)備和較多管道，系統(tǒng)形式相對(duì)復(fù)雜。
4) 由于冷水機(jī)組冷凝器、蒸發(fā)器和板式換熱器一次側(cè)、二次側(cè)的阻力和流量均有可能不同，因此需要對(duì)冷卻水泵和冷凍水泵均進(jìn)行校核。
當(dāng)冬季利用冷卻塔供冷時(shí)，閥V1～V4關(guān)閉，閥V5～V8開(kāi)啟，冷卻塔冷卻水由冷卻水泵6輸往換熱器3的一次側(cè)，冷凍水經(jīng)冷凍水泵7輸往換熱器3的二次側(cè)，經(jīng)換熱器3換熱后使冷凍水系統(tǒng)獲得必要的冷量。
在實(shí)際應(yīng)用中，由于直接式供冷系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)上有太多的限制，應(yīng)用很少
一般采用間接式供冷系統(tǒng)（開(kāi)式塔+板式換熱器），下面只針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行分析。
2 開(kāi)式冷卻塔的選擇
根據(jù)冷卻塔的工作原理：當(dāng)塔內(nèi)的水與空氣接觸時(shí)，一方面產(chǎn)生空氣與水之間的直接傳熱（顯熱交換），另一方面由于水表面和空氣之間存在水分子壓力差，使水表面的水分子向空氣流動(dòng)，產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，帶走蒸發(fā)潛熱（潛熱交換）。
按照夏季冷卻塔進(jìn)出水溫度（32℃/37℃）和室外氣象條件（濕球溫度28℃）設(shè)計(jì)制造的冷卻塔在冬季使用時(shí)，如果要求保證冷卻塔進(jìn)出水溫差（5℃）以及流量不變時(shí)，冬季隨著水和空氣溫度的降低，水分子的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能以及擴(kuò)散能力降低，水的蒸發(fā)量減少，帶走的熱量將有所減少，不能獲得與夏季相同的冷卻量。
圖3、4、5是ASHRAE 手冊(cè)中基于空調(diào)工況、中等容量的橫流塔100 % 、67 %、133 %設(shè)計(jì)流量時(shí)的冷卻塔熱工特性曲線。
圖6是清華大學(xué)提供的冷卻塔模型（采用傳熱單元數(shù)法“ ”的逆流換熱器模型）數(shù)據(jù)繪制的冷卻塔實(shí)際流量與標(biāo)準(zhǔn)流量之比為100%和50%的特性曲線。
從圖3可以看出，當(dāng)室外濕球溫度為24℃時(shí)，按照5℃溫降要求，冷卻塔出水溫度可達(dá)到27.5℃（冷幅為3.5℃），進(jìn)水溫度為32.5℃；而當(dāng)室外濕球溫度達(dá)到0℃時(shí)，蒸發(fā)傳熱減少，如果流量不變且仍要求5℃溫降，則冷卻塔出水溫度達(dá)11.5℃（冷幅為11.5℃），進(jìn)水溫度為16.5℃，與夏季冷凍水供、回水溫度有顯著差異。如果在室外濕球溫度達(dá)到0℃時(shí)，想要獲得溫度盡量低的可作為冷源使用的冷凍水，根據(jù)圖3，冷卻水溫降假定取2℃，出水溫度約為6.5℃，（冷幅為6.5℃），進(jìn)水溫度為8.5℃，這時(shí)溫差傳熱量很小，蒸發(fā)傳熱量和總傳熱量都減小。
而通過(guò)圖4、5可以看出，當(dāng)冷卻塔內(nèi)的水流量低于或高于額定流量時(shí)，其冷卻特性會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化；如果同樣在室外濕球溫度達(dá)到0℃度，要求冷卻水5℃溫降時(shí)，圖4的冷卻塔出水溫度約為8℃，而圖5冷卻塔出水溫度約為15.2℃。
圖6所列出的冷卻塔熱工性能曲線（與圖3、4、5所列熱工性能曲線的冷卻塔設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)有區(qū)別）同樣說(shuō)明了：
1）如果想要獲得與夏季相同的換熱量和水溫降（5℃），就必須加大室外空氣濕球溫度和冷卻塔出水溫度的溫差（冷幅或者逼近度），靠顯熱交換獲得冷卻量，但是冷卻塔出水溫度較高。
2）如果希望獲得較低的冷卻塔出水溫度，則冷卻塔內(nèi)的進(jìn)出水溫差和冷卻量將減少。
3）如果既要保證冷卻塔較低的出水溫度，又要保證5℃的進(jìn)出水溫差，那么冷卻塔的實(shí)際流量會(huì)減少很多，冷卻量相應(yīng)較少。
由圖6-a可知，當(dāng)室外空氣濕球溫度為0℃，冷卻塔進(jìn)出水溫差為5℃時(shí)，冷卻塔的出水溫度約為10.8℃，板式換熱器溫差取1℃，那么末端空調(diào)設(shè)備供水溫度將達(dá)到11.8℃。
在實(shí)際工程中，對(duì)于一般的民用建筑舒適性空調(diào)系統(tǒng)，過(guò)渡季節(jié)或者冬季冷負(fù)荷主要來(lái)自建筑的內(nèi)區(qū)，其總量遠(yuǎn)小于夏季總冷負(fù)荷，而且隨著室外氣溫的降低，內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷也相應(yīng)減少，那么采用冷卻塔供冷時(shí)，其實(shí)際流量可以大幅減小，以實(shí)現(xiàn)較低的出水溫度和較大的進(jìn)出水溫差，保證內(nèi)區(qū)供冷的需求；冷卻塔供冷比較容易實(shí)現(xiàn)，而且供冷時(shí)間相應(yīng)較長(zhǎng)。
對(duì)于通信機(jī)房建筑而言，機(jī)房是需要全年供冷，一般是無(wú)人值守相對(duì)密閉的，空調(diào)負(fù)荷主要是通信設(shè)備發(fā)熱量形成的冷負(fù)荷，其次是圍護(hù)結(jié)構(gòu)和照明設(shè)備得熱形成的冷負(fù)荷，但是這兩項(xiàng)占機(jī)房總冷負(fù)荷的比重很小。即使在冬季，機(jī)房總的冷負(fù)荷相比于夏季減少的量很少，因此，根據(jù)夏季工況選擇的冷卻塔在冬季用作節(jié)能供冷時(shí)，要求其提供的冷卻量是基本不變的。但根據(jù)以上分析，冷卻塔出水溫度會(huì)大幅提高。對(duì)于按照7-12℃選擇的末端空調(diào)設(shè)備，大幅提高其供水溫度后，相應(yīng)的供冷量也將隨之大幅衰減，無(wú)法滿足機(jī)房設(shè)備正常運(yùn)行的要求。
因此，冬季對(duì)通信機(jī)房建筑采用冷卻塔供冷技術(shù)時(shí)，要滿足通信設(shè)備熱負(fù)荷要求，冷卻塔必須按冬季供冷時(shí)選配，塔型可結(jié)合夏季工況靈活配置。多余容量夏季備用。冬季供冷時(shí)以小于冷卻塔的額定流量來(lái)獲取較低出水溫度和較大的進(jìn)出水溫差，相應(yīng)的整個(gè)系統(tǒng)的初投資增加，但冷卻塔供冷節(jié)能運(yùn)行的時(shí)間可以延長(zhǎng)。節(jié)能效果顯著。
3 開(kāi)式冷卻塔+板式換熱器供冷冷卻水系統(tǒng)的水質(zhì)要求
由于開(kāi)式冷卻塔直接與空氣接觸,空氣中的灰塵垃圾容易進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)中,而板式換熱器的間隙較小,容易堵塞。冷卻水系統(tǒng)必須滿足《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,該規(guī)范規(guī)定換熱設(shè)備為板式換熱器時(shí)的相應(yīng)懸浮物控制指標(biāo)≤10 mg/ L 。在目前使用開(kāi)式冷卻塔+板式換熱器的冷卻水供冷系統(tǒng)的工程中均發(fā)現(xiàn),因板式熱換器未得到及時(shí)維護(hù)清洗而使其換熱量有逐年下降的趨勢(shì)，以至于使用了兩三年后因板換換熱量大幅下降而無(wú)法繼續(xù)運(yùn)用的情況。
這樣就必須采用化學(xué)加藥、定期監(jiān)測(cè)管理、在夏季及時(shí)清洗板式換熱器的方式才能避免板式換熱器堵塞問(wèn)題。
4 冬季冷卻塔防凍問(wèn)題
在嚴(yán)寒有凍結(jié)危險(xiǎn)的地區(qū)，冷卻塔的集水盤(pán)，室外供回水管道以及補(bǔ)水管需考慮設(shè)置電半熱設(shè)施，同時(shí)冷卻塔供回水管道上需設(shè)置連通管以及溫控電動(dòng)閥門(mén)，使得水溫控制在不凍結(jié)溫度以上（一般為5℃）。
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