王培 馬德
華信郵電咨詢設(shè)計研究院有限公司
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獲取較低出水溫度，延長冷卻塔免費供冷運行時間。
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
開式冷卻塔冬季免費供冷作為一項空調(diào)節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)在大量實際工程中應(yīng)用，然而，迄今為止國內(nèi)規(guī)范和設(shè)計手冊中沒有明確該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)措施和系統(tǒng)設(shè)計指導(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 開式冷卻塔供冷系統(tǒng)
開式冷卻塔供冷系統(tǒng)按冷卻水是否直接進(jìn)入空調(diào)末端設(shè)備分成兩類：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
1）系統(tǒng)形式簡單，沒有中間換熱過程，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、需要校核膨脹水箱的水位高度。
3）開式系統(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)運行的穩(wěn)定性，需要配備專門的水處理
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，需要校核運行的冷卻水
泵性能是否匹配。
當(dāng)冬季利用冷卻塔供冷時，冷凍水泵停止工作，三個電動三通閥換向，直通部分關(guān)閉，冷卻水繞過冷凝器，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方向。
間接式供冷系統(tǒng)的特點：
1) 冷卻水環(huán)路和冷凍水環(huán)路相互獨立，保證了冷凍水管路的衛(wèi)生條件。
2) 因為存在一個換熱過程，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，閥V1～V4關(guān)閉，閥V5～V8開啟，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。
在實際應(yīng)用中，由于直接式供冷系統(tǒng)管路設(shè)計上有太多的限制，應(yīng)用很少
一般采用間接式供冷系統(tǒng)（開式塔+板式換熱器），下面只針對該系統(tǒng)進(jìn)行分析。
2 開式冷卻塔的選擇
根據(jù)冷卻塔的工作原理：當(dāng)塔內(nèi)的水與空氣接觸時，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，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)計制造的冷卻塔在冬季使用時，如果要求保證冷卻塔進(jìn)出水溫差（5℃）以及流量不變時，冬季隨著水和空氣溫度的降低，水分子的運動動能以及擴(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 手冊中基于空調(diào)工況、中等容量的橫流塔100 % 、67 %、133 %設(shè)計流量時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，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，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，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℃，這時溫差傳熱量很小，蒸發(fā)傳熱量和總傳熱量都減小。
而通過圖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，其冷卻特性會相應(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，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)計和制造標(biāo)準(zhǔn)有區(qū)別）同樣說明了：
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，那么冷卻塔的實際流量會減少很多，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，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℃。
在實際工程中，對于一般的民用建筑舒適性空調(diào)系統(tǒng)，過渡季節(jié)或者冬季冷負(fù)荷主要來自建筑的內(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，其實際流量可以大幅減小，以實現(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現(xiàn)，而且供冷時間相應(yīng)較長。
對于通信機(jī)房建筑而言，機(jī)房是需要全年供冷，一般是無人值守相對密閉的，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，要求其提供的冷卻量是基本不變的。但根據(jù)以上分析，冷卻塔出水溫度會大幅提高。對于按照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，無法滿足機(jī)房設(shè)備正常運行的要求。
因此，冬季對通信機(jī)房建筑采用冷卻塔供冷技術(shù)時，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。冬季供冷時以小于冷卻塔的額定流量來獲取較低出水溫度和較大的進(jìn)出水溫差，相應(yīng)的整個系統(tǒng)的初投資增加，但冷卻塔供冷節(jié)能運行的時間可以延長。節(jié)能效果顯著。
3 開式冷卻塔+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)計規(guī)范》要求,該規(guī)范規(guī)定換熱設(shè)備為板式換熱器時的相應(yīng)懸浮物控制指標(biāo)≤10 mg/ L 。在目前使用開式冷卻塔+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維護(hù)清洗而使其換熱量有逐年下降的趨勢，以至于使用了兩三年后因板換換熱量大幅下降而無法繼續(xù)運用的情況。
這樣就必須采用化學(xué)加藥、定期監(jiān)測管理、在夏季及時清洗板式換熱器的方式才能避免板式換熱器堵塞問題。
4 冬季冷卻塔防凍問題
在嚴(yán)寒有凍結(jié)危險的地區(qū)，冷卻塔的集水盤，室外供回水管道以及補水管需考慮設(shè)置電半熱設(shè)施，同時冷卻塔供回水管道上需設(shè)置連通管以及溫控電動閥門，使得水溫控制在不凍結(jié)溫度以上（一般為5℃）。
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