冷卻塔供冷技術(shù)的原理及分析

1、國外技術(shù)介紹冷卻塔供冷技術(shù)的原理及分析哈爾濱建筑大學(xué)馬最良孫宇輝提要介紹了冷卻塔供冷的原理、系統(tǒng)形式和國外應(yīng)用實(shí)例,分析了供冷溫度和系統(tǒng)設(shè)備的選擇、當(dāng)?shù)氐乩須夂驐l件、建筑負(fù)荷特點(diǎn)等影響冷卻塔供冷經(jīng)濟(jì)性的因素,展望了這一技術(shù)在中國的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞免費(fèi)供冷空調(diào)冷卻塔Fr e e c o oli n g b y c o oli n g t o w e rsBy M a Zuiliang and Sun Y uhuiA b s t r a c t P r e s e n t s i t s op e r a t i n g p r i n c ip l e s ,s ys t e m c o nf

2、i g u r a t i o n a n d a p p l i c a t i o n c a s e s i n t h e Uni t e d S t a t e s ,a n a l ys e s f a c t o r s h a vi n g i mp a c t s o n i t s e c o n omi c p e rf o r ma n c e ,i n c l u di n g s e l e c t i o n of t h e c o ol i n g t e m p e r a t u r e a n d t h e s ys t e m e quip me n

3、 t ,l o c a l g e o g r a p hi c a n d c l i ma t e c o n di t i o ns ,b ui l di n g c o ol i n g l o a d f e a t u r e s ,e t c.,a n d f o r e s e e s i t s a p p r o a c hi n g a p p l i c a t i o n i n Chi n a.Ke yw o r d s f r e e c o ol i n g ,a i r c o n di t i o ni n g ,c o ol i n g t ow e r馬

4、最良,1940年7月生,大學(xué),教授150008哈爾濱市海河路202號(hào)哈建大797信箱(04516282346收稿日期:1997-03-311引言冷卻塔供冷是國外近年來發(fā)展較快的技術(shù),因其具有顯著的經(jīng)濟(jì)性而日益得到人們的廣泛關(guān)注,并已成為國外空調(diào)設(shè)備廠家推薦的系統(tǒng)形式1。利用冷卻塔供冷不同于蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng),簡而言之,就是在常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)部分管路和設(shè)備,當(dāng)室外濕球溫度低到某個(gè)值以下時(shí),關(guān)閉制冷機(jī)組,以流經(jīng)冷卻塔的循環(huán)冷卻水直接或間接向空調(diào)系統(tǒng)供冷,提供建筑空調(diào)所需的冷負(fù)荷。眾所周知,在空調(diào)系統(tǒng)中制冷機(jī)的能耗占有極高的比例,如用冷卻塔來代替制冷機(jī)供冷,將節(jié)省可觀的運(yùn)行費(fèi)用。2利用冷卻塔供

5、冷的原理及系統(tǒng)形式2.1利用冷卻塔供冷的原理對(duì)于一種結(jié)構(gòu)已確定的冷卻塔而言,它的出口水溫是由建筑冷負(fù)荷以及室外空氣濕球溫度來決定的。這一濕球溫度可以代表在當(dāng)?shù)卮髿鉁囟葪l件下,水可能被冷卻的最低溫度,也就是冷卻塔出水溫度的理論極限值。圖1是空調(diào)用冷卻塔的熱工特性曲線2,它顯示了冷卻塔出水溫度隨室外濕球溫度變化的規(guī)律。圖2所示是一常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng),一般冷凍水環(huán)路進(jìn)出口水溫多為7和12,溫差為5。選 圖1冷卻塔的冷卻特性曲線擇這樣低溫度的冷凍水主要是為了夏季空調(diào)除濕。而在過渡季室外氣溫下降,冷負(fù)荷和濕負(fù)荷也在不斷減少,適當(dāng)提高冷凍水溫度完全能夠滿足空調(diào)舒適性要求,這 就為冷卻塔供冷運(yùn)行圖2常規(guī)空調(diào)水系

6、統(tǒng)方式提供了機(jī)會(huì)。該系統(tǒng)的宗旨就是要最大限度地縮短制冷機(jī)的運(yùn)行時(shí)間,使之在適當(dāng)?shù)臍夂颦h(huán)境和建筑負(fù)荷條件下,能代替制冷機(jī)工作,成為不花錢的冷源。2.2冷卻塔供冷系統(tǒng)的形式2.2.1冷卻塔直接供冷系統(tǒng)如圖3所示, 冷卻塔直接供冷系統(tǒng)就是一種通圖3冷卻塔直接供冷系統(tǒng)過旁通管道將冷凍水環(huán)路和冷卻水環(huán)路連在一起的水系統(tǒng)。在夏季設(shè)計(jì)條件下,系統(tǒng)如常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)一樣正常工作。當(dāng)過渡季室外濕球溫度下降到某值時(shí),就可以通過閥門打開旁通,同時(shí)關(guān)閉制冷機(jī),轉(zhuǎn)入冷卻塔供冷模式,繼續(xù)提供冷量。需強(qiáng)調(diào)一點(diǎn),在設(shè)計(jì)這類水系統(tǒng)時(shí),要考慮轉(zhuǎn)換供冷模式后,冷卻水泵的流量和壓頭與管路系統(tǒng)的匹配問題。使用開式冷卻塔的直接供冷系統(tǒng),因

7、水流與大氣接觸易被污染,造成表冷器盤管被污物阻塞而很少使用?？赏ㄟ^在冷卻塔和管路之間設(shè)置旁通過濾裝置(如圖3所示,使大約相當(dāng)于總流量5%10%的水量不斷被過濾,以保證水系統(tǒng)的清潔,其效果要優(yōu)于全流量過濾方式,因?yàn)檫@樣環(huán)路壓力無大的波動(dòng)。另外,還可以考慮選用封閉式冷卻塔(冷卻水與室外空氣隔離供冷3,該塔可滿足水系統(tǒng)的衛(wèi)生要求,但由于它是靠間接蒸發(fā)冷卻原理降溫,冷卻塔的傳熱效果要受到影響,進(jìn)而影響冷卻塔供冷時(shí)數(shù)(一年中利用冷卻塔供冷方式運(yùn)行的小時(shí)數(shù)。2.2.2 冷卻塔間接供冷系統(tǒng)圖4冷卻塔間接供冷系統(tǒng)如圖4所示,冷卻塔間接供冷系統(tǒng)是在原有空調(diào)水系統(tǒng)中附加一臺(tái)板式換熱器以隔離開冷卻水環(huán)路和冷凍水環(huán)路

8、。在過渡季切換運(yùn)行,不會(huì)影響水泵的工作條件和冷凍水環(huán)路的衛(wèi)生條件。對(duì)于多臺(tái)套冷水機(jī)組+冷卻塔的供冷系統(tǒng),還可考慮采用人工制冷和冷卻塔供冷兩種模式混合工作的辦法,通過控制臺(tái)數(shù)來調(diào)節(jié)供水溫度,挖掘系統(tǒng)工作潛力。因此,目前多采用這一系統(tǒng)形式,其中換熱器設(shè)備方面的問題將在后面討論。3工程實(shí)例3.1美國圣路易斯某辦公實(shí)驗(yàn)綜合樓4,要求空調(diào)系統(tǒng)全年供冷。冬季供冷量為1760kW(500rt。為滿足夏季設(shè)計(jì)負(fù)荷要求,選用2臺(tái)4200kW(1200rt螺桿機(jī)組和一臺(tái)2816kW(800rt離心式冷水機(jī)組,冷卻塔配備調(diào)頻變速電機(jī),其循環(huán)水量為694.1L/s。為降低運(yùn)行費(fèi)用,1986年對(duì)大樓空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行改造,

9、并安裝板式換熱器,改造成在過渡季節(jié)實(shí)現(xiàn)冷卻塔間接供冷的水系統(tǒng)。設(shè)定在室外干濕球溫度分別降到15.6和7.2時(shí),關(guān)閉制冷機(jī)組,同時(shí)轉(zhuǎn)入冷卻塔供冷模式,其冷凍水環(huán)路和冷卻水環(huán)路可通過換熱器直接換熱,據(jù)此每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用達(dá)125000美元。圖5表示供冷溫度為10和7.2時(shí)冷卻塔供冷系統(tǒng)的工作情況。從圖5可以看出,采用7.2的供冷溫度,供冷時(shí)數(shù)是3000h/a,而采用10供冷溫度時(shí),供冷時(shí)間增加700h。說明在滿足建筑負(fù)荷的前提下,適當(dāng)提高冷凍水的供水溫度,將產(chǎn)生顯著的節(jié)能效益 。圖5兩種供冷溫度下的冷卻塔系統(tǒng)工作情況3.2美國匹茲堡市一座5層辦公樓5,設(shè)計(jì)負(fù)荷約1265kW ,其過渡季冷負(fù)荷分布情

10、況列入表1。表1某建筑物冷負(fù)荷分布室外干濕球溫度/冷負(fù)荷/kW 一年中該溫度區(qū)段出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)/h總冷負(fù)荷/kWh 累計(jì)總冷負(fù)荷/kWh -14,-14386.815-11,-12439.536-8,-9492.259-6,-7545.09350683.150683.1-3,-4597.715693244.3143927.40,-1650.5214139198.4283125.83,1703.2215151188.0434313.86,3738.4193142503.5576817.38,6173由表1可以看出,若在室外干濕球溫度分別為8和6時(shí)轉(zhuǎn)換為冷卻塔供冷模式,將有總計(jì)約713677kWh

11、的冷負(fù)荷由冷卻塔供冷系統(tǒng)來負(fù)擔(dān),可使制冷機(jī)組節(jié)省約1000h 運(yùn)行時(shí)間。這將在很大程度上節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。4影響冷卻塔供冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要因素提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性,換句話說就是通過對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,最大限度地利用冷卻塔供冷,增加冷卻塔供冷時(shí)數(shù)。影響冷卻塔供冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的因素主要有以下幾點(diǎn)。4.1系統(tǒng)的供冷溫度選擇合理的供冷溫度,既可以滿足室內(nèi)環(huán)境舒適性,又能最大限度地增加冷卻塔供冷時(shí)間,從而降低運(yùn)行費(fèi)用,這在工程實(shí)例一的圖5對(duì)比中就已體現(xiàn)出來。4.2系統(tǒng)設(shè)備的選擇合理選擇冷卻塔可以最大限度地增加供冷時(shí)數(shù)。如圖6所示6,在給定的室外濕球溫度和建筑負(fù)荷條件下,冷卻塔填料尺寸越大,其出口水溫

12、越低。如果條件允許的話,也可以通過串聯(lián)兩臺(tái)冷卻塔來增加冷卻效果,供冷時(shí)數(shù)將顯著增加。冷卻塔 圖6冷幅與冷卻塔尺寸的關(guān)系如配備變頻調(diào)速電機(jī)可適應(yīng)冬季室內(nèi)負(fù)荷的波動(dòng)變化。因開式水系統(tǒng)易被污染和水泵工作范圍波動(dòng)過大,所以多用換熱器將兩個(gè)環(huán)路隔離開,因而也需要考慮換熱器的影響,一般的板式換熱器溫差(冷卻水入口端與冷凍水出口端之間的溫差是23,有的能達(dá)到1多一點(diǎn)。在選擇換熱器時(shí),要從初投資和運(yùn)行費(fèi)用兩方面考慮。選擇溫差大的換熱器,雖節(jié)省投資費(fèi)用,但供冷效果(供冷時(shí)數(shù)也會(huì)顯著下降。需通過系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來確定。此外,合理選擇末端設(shè)備(如風(fēng)機(jī)盤管和空調(diào)機(jī)尺寸,使初投資和運(yùn)行費(fèi)用二者之和達(dá)到最低,也是設(shè)計(jì)冷

13、卻塔供冷系統(tǒng)需要考慮的因素之一。4.3地理氣象資料地理位置往往決定了季節(jié)天氣對(duì)冷卻塔供冷時(shí)數(shù)的影響。如位于美國中部地區(qū)的堪薩斯市,其氣象數(shù)據(jù)7即具有一定的代表性。在以北地區(qū),低于給定濕球溫度的時(shí)數(shù)將明顯增加;而向南,冷卻塔供冷時(shí)數(shù)將下降。所以在北方地區(qū)更適于推廣這種供冷形式。4.4建筑負(fù)荷特點(diǎn)對(duì)于帶有內(nèi)區(qū)的智能化辦公大樓、大型實(shí)驗(yàn)室以及計(jì)算中心這樣的建筑,一般都有全年穩(wěn)定的冷負(fù)荷,利用冷卻塔供冷會(huì)節(jié)省大量的運(yùn)行費(fèi)用,因此應(yīng)用前景廣闊。對(duì)于其它舒適性空調(diào),冷負(fù)荷隨季節(jié)變化較大,負(fù)荷下降將直接導(dǎo)致冷卻塔進(jìn)出水溫差T 減小(兩者呈線性關(guān)系:建筑冷負(fù)荷=c w G T (假設(shè)水系統(tǒng)循環(huán)流量G 不變,水

14、的比熱容c w 為常數(shù)比較圖1的5和3溫差線(5為設(shè)計(jì)供回水溫差,可以看出60%負(fù)荷下(典型的過渡季舒適性空調(diào)負(fù)荷,可使冷卻塔供冷所需的濕球溫度提高3以上,同時(shí)供冷溫度可相應(yīng)提高到14,從而使向冷卻塔供冷模式轉(zhuǎn)換的日期大大提前。但負(fù)荷下降的同時(shí),制冷壓縮機(jī)功率也在不斷下降,其節(jié)能效益如何有待進(jìn)一步的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。5冷卻塔供冷系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬分析通過上述分析,筆者認(rèn)為冷卻塔供冷技術(shù)應(yīng)引起我國暖通工作者的關(guān)注。冷卻塔供冷技術(shù)將在我國建筑節(jié)能中起到積極的作用,在我國的應(yīng)用將會(huì)有廣闊的前景。而我國地域遼闊,南北地區(qū)氣候條件、東西地區(qū)氣候條件相差甚大。為了推動(dòng)冷卻塔供冷技術(shù)在我國的應(yīng)用,我們選擇了冷

15、卻塔供冷系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬分析課題,以預(yù)測冷卻塔供冷系統(tǒng)在我國各地區(qū)應(yīng)用的情況,為設(shè)計(jì)提供參照。進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的目的是將以上所分析的因素(供冷溫度、系統(tǒng)設(shè)備、地理氣象資料、建筑負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的影響,進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析,以此來指導(dǎo)冷卻塔供冷系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用,還可以進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化并確定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案。具體可通過建立冷卻塔、換熱器、表冷器等空調(diào)水系統(tǒng)各部分的數(shù)學(xué)模型,并把它們編制成一個(gè)個(gè)子程序模塊,再以具體地區(qū)典型建筑空調(diào)系統(tǒng)為模擬對(duì)象,對(duì)冷卻塔供冷系統(tǒng)進(jìn)行逐時(shí)模擬,以及進(jìn)一步作出技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。6結(jié)語6.1冷卻塔供冷技術(shù)在國外已有很多應(yīng)用,并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益,希望我國暖通空調(diào)工作者對(duì)這一領(lǐng)域加大

16、研究力度,并開拓它在國內(nèi)的應(yīng)用范圍,相信這將對(duì)緩和我國能源緊張狀況起到積極作用。6.2建議將國內(nèi)一些有條件的現(xiàn)有建筑空調(diào)系統(tǒng)改造成冷卻塔供冷系統(tǒng),作為空調(diào)節(jié)能的重要技術(shù)措施來推廣與應(yīng)用,以節(jié)省運(yùn)行能耗,降低運(yùn)行費(fèi)用。并希望在新建建筑物的空調(diào)設(shè)計(jì)階段就能對(duì)冷卻塔供冷方案給予充分考慮。6.3建議冷卻塔設(shè)備生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品樣本中提供濕球溫度范圍更大的冷卻塔熱工數(shù)據(jù),并能根據(jù)我國不同的地區(qū)設(shè)計(jì)出符合冷卻塔供冷要求的新型冷卻塔,為冷卻塔供冷技術(shù)的應(yīng)用與推廣提供必要的設(shè)備和技術(shù)數(shù)據(jù)。7參考文獻(xiàn)1特靈中央空調(diào)設(shè)備和資料手冊(cè).2秦慧敏,周清,潘毅群.利用冷卻塔供冷,節(jié)省制冷機(jī)冷量.全國暖通空調(diào)制冷年會(huì)論文集,1

17、996.3Dave G oswami,C N Reveliotty.Free cooling by cooling tower water.ASHRAE J,1987,(1.4T L White.A winter cooling tower operation for a central chilled2water system.ASHRAE T rans,1994,100,part I. 5S A Mumma,C Cheng,F Hamilton.A design procedure to optimize the selection of the water2side free cooli

18、ng components.ASHRAE Trans,1990,96,part I.6TED Pannkoke.Cooling tower basics.HPAC,1996,(2.7J C Hensley.The application of cooling towers for free2 cooling.ASHRAE Trans,1994,100,part I.3333333333來稿摘登冷卻塔及煙囪引起的“酸霧”事故1事故概況1997年,在山東省東營市某地稅局新建辦公樓的西北側(cè),建成了該樓的配套工程空調(diào)機(jī)房。1998年6月開始向辦公樓供冷。隨著時(shí)間的推移,辦公樓內(nèi)的工作人員不斷出現(xiàn)不同程度的頭痛、頭暈、心悸、惡心、嘔吐、四肢乏力等癥狀,嚴(yán)重影響了正常的工作秩序。幾乎同時(shí),西側(cè)與之相鄰的某實(shí)驗(yàn)中學(xué)的一部分學(xué)生及教職工也有類似的病理反應(yīng),嚴(yán)重影響了學(xué)校正常的教學(xué)進(jìn)度。位于空調(diào)機(jī)房200m范圍內(nèi)的花草樹木,由近及遠(yuǎn)出現(xiàn)了不同程度的枯萎和死亡現(xiàn)象。學(xué)校多次反映該空調(diào)機(jī)房冷卻塔飄水中的污染物對(duì)人體有害,要求有關(guān)部門停止該冷卻塔的運(yùn)行,并賠償學(xué)校一切損失。一時(shí)間引起了極大恐慌。2事故原因與處理措施由勞動(dòng)安全、衛(wèi)生防疫、環(huán)境保護(hù)和