冷却塔供冷关键技术问题分析
北京市建筑设计研究院 孙敏生 诸群飞 万水娥 王冷非
清华大学 王旭辉
特灵空调 张宇
0 引言
近年来，为解决冬季或室外气温较低的过渡季建筑物内区过热问题，常采用冷却塔供冷技术。但实际工程设计时较普遍地存在一些盲目性，设计计算和系统配置存在一定的误区。因此有必要对冷却塔供冷技术的采用和设计中的关键问题进行分析。
本文仅以一次投资较低、系统简单、满足水质要求的开式冷却塔通过板式换热器间接供冷的方案为例论述。
1采用冷却塔供冷工程的设计条件
采用冷却塔供冷的节能效果，是相对于在冬季较长时间内必须开启大功率的冷水机组而言的。但采用此项技术需增加换热器等设备投资，冬季电需升启冷却水循环泵，并不是完全的所谓“免费供冷”。如不根据需要而盲目地在工程中采用，会出现虽增加了一次投资但节能不明显、甚至不节能的后果。
首先，工程所在地区的气候条件确定了冷却塔供冷时间的长短，直接影响其节能效果和经济性。假设供暖期的室外气象条件能够满足冷却塔供冷的水温要求，例如，北京和上海的供暖期时间分别为122 d和40 d，显然经济性和节能量相差很大。对于供暖时间为零的地区，则不适于采用冷却塔供冷。
即使是寒冷的北方地区，实际工程中也经常遇到采用冷却塔供冷系统不当的实例，例如当空调面积很大的建筑物内区面积很小或内区发热量不大时，在设计中既不考虑小负荷时制冷机等设备的匹配，又不为冷却塔供冷配置相适用的循环泵和冷却塔，在过渡季仅内区供冷时，不但制冷机开不起来，也很难实现冬季冷却塔供冷。
对于风机盘管加新风系统，如果冬季冷负荷很小，可以考虑采用加大新风量；对于全空气系统最简单和节能的办法是加大新风比；均为直接采用室外空气做冷源，才堪称“免费供冷”，节能效果和经济性更优于冷却塔供冷。
因此，采用冷却塔供冷的设计条件是：工程所在地区的气候条件应能较长时间满足冷却塔供冷所需的湿球温度；且工程应存在面积和友热量较大的内区，需全年送玲才能保证空调区域的舒适度基本要求。这些区域的空调系统还应有如下特征：1）采用风机盘管加新风空调系统；2）保证室内卫生条件和舒适度的新风量，或冬季和过渡季加大新风量后仍不能消除室内余热；3)冬季内区风机盘管可单独供应空调冷水，或可同时供应冷水和热水。
2 冷却塔供冷工况空调冷水设计水温和水量的确定
2.1 房间设计温度和风机盘管负担冷负荷
冬季内区房间供冷计算温度确定原则是保证舒适，但标准不宜太高，一般应比外区供暖房间的计算温度高。例如，办公用房的内区可设定为22～25℃；商场由于顾客一般无处更衣，内区室温可设定在22～23℃。内区计算温度仅为室外湿球温度和室内负荷为最大值的短暂时刻能达到的温度，一般情况下，室温可比计算温度低，舒适度会更好。
由于北方地区冬季房间湿度较小，露点温度较低，冷却塔供冷水温条件下，风机盘管一般为于工况运行，因此冬季内区冷负荷可按显热负荷计算，不能直接采用夏季的全热负荷数值。
理论上冬季可以采用低温的新风作为内区房间的冷源，如果风机盘管为四管制双盘管可以同时供冷供热，新风温度可以较低。风机盘管仅接单冷管道时，新风送风温度应为在室内发热量最小情况下，仍能保证房间舒适范围的最低温度，例如办公用房室温不得低于18℃，商场不得低于16℃。不论与外区合用还是分别设置新风系统，新风送风温度电不应高于外区房间的空调计算温度。冷却塔供冷工况时风机盘管负担冷负荷应按下式确定：
式中qf为冬季供冷房间内单台风机盘管负担的冷负荷，W；α为冬季虏间温度的保证系数，可取0. 80～1. 00；qn为冬季供冷房间显热冷负荷，W；Lx为房间新风量，m3 /h；tn为冬季内区供冷房间室内设计温度，℃；tx为冬季新风送风温度，℃；n为房间内布置的风机盘管台数。
2.2 风机盘管的选择和冷水温度
确定能够满足内区供冷量的最高供水温度是设计计算的关键问题之一。
风机盘管选型越大，供冷能力越强，在满足冬季室内负荷的前提下，可提高所需要的空调水温，延长冷却塔供冷时间。但风机盘管选型过大不但增加了一次投资，且在夏季运行时使室内温度控制产生振荡，对舒适和节能都不利；因此，原则上风机盘管应基本按夏季工况选定。
夏季一般将新风处理至室内等湿状态负担一部分室内负荷，如果冬季采用冷却塔制冷方案，夏季新风负担的冷负荷可忽略不计，加之风机盘管布置和规格的限制，风机盘管实际供冷能力均高于房间计算冷负荷，即有一定的富余量。
夏季可按中挡风量下的制冷量选择风机盘管，冬季在短时期供水温度较高时如负荷较大，可采用高挡风量运行，以增大风机盘管的供冷能力。
冬季风机盘管负担室内负荷的数值比夏季小，如果采用相同的供回水温差，尤其是夏季采用大温差水系统时，流经风机盘管的空调水量减少，盘管水侧换热杀数也减小，影响水温要求和冷却塔供冷时间。因此建议冬季风机盘管的水流量取风机盘管的标准流量（水温差5℃），当夏季采用大温差水系统时，冬季还可提高盘管水侧换热系数。
由于冬、夏季盘管风侧的冷却除湿工况不同，不能简单地用盘管的标准冷却量对盘管的冬季冷却能力进行计算和修正。但冬季风机盘管在较干燥的室内回风和较高的冷水供水温度运行时基本为干工况冷却，与冬季加热一样，均为简单的温差传热；而且风机盘管标准工况时冬季供热量和夏季供冷量采用的水流量相同[1]，即在相同的标准（高挡）风量时，风机盘管不同水温时的供冷能力m与样本给出的标准供热量qr之比，接近2种工况下通过风侧和水侧的逆流对数平均温差△tf和△tr，的比值（见式（2））。通过对式（2）和其中冷却塔供冷工况时风机盘管对数平均温差△tf的展开和推导，得出式（3）。
式（2）～（7）中tLl，tL2分别为空调冷水最高供、回水温度，℃；cp1，cp2分别为水和空气的比定压热容，J/（kg·K)；ρ1，ρ2分别为水和空气的密度，kg/m3；G1，G2分别为水和空气的流量，m3/s。
式(5)中风机盘管标准供热工况时对数平均温差△tr，的各项均为已知数，展开从略。
根据已选定的风机盘管标准供热量qr和风机盘管需负担冷量qf，通过式（3），（4）求得各房间所需空调冷水的供、回水温度tL1和tL2。可选用各典型房间中tL1和tL2的最小值（如允许个别房间不保证，也可选用较小值）作为系统的空调冷水供、回水计算温度，并用对应的风机盘管负担冷量与标准工况时的供冷量之比作为整个内区负荷的冷量比βz。
2.3 系统总冷量和空调冷水总流量
已经按夏季工况选择的风机盘管在标准工况时的供冷量为样本给出的数据，标准总供冷量Qb可按风机盘管标准冷量的叠加获得，因此冬季的总冷量Q和空调冷水总流量GL可以简化为
式(8)，(9)中 Q为冬季内区所需总供冷量，kW；βz为建筑物内需冬季供冷的房间风机盘管负担总冷量与风机盘管在标准工况时的总供冷量之比；Qb为冷却塔供冷工况时内区各房间风机盘管标准工况供冷量的总和，kW。
3 冷源侧流量、水温的确定
3 1冷源水流量Gc和冷源水供回水温差△tc关系式
Q＝1.163Gc△tc (10)
对于同一冷却塔，△tc越小，要求冷却塔温降越小，可以在较高室外湿球湿度情况下使用，但水泵流量大需要电能较多；冷水机组功率远大于水泵功率，一般应以前者的节能为主；但△tc也不宜过小，一般以2℃为界。
计算中存在两种情况：1）尽量采用为冷水机组配置的冷却水泵作为冷源水循环泵，即已知冷源水总循环水量Gc，求冷源水供回水温差△tc。2）当冷却水泵流量与冷源水不匹配时，另外设置专用冷源水循环泵，即人为确定冷源水供回水温差△tc，求冷源水总循环水量Gc。
3.2 冷却塔供应的一次冷源水温度及其限定
冷源水和空调冷水在板式换热器内的换热过程如图1所示。一次冷源水供水温度tc1可通过冷源水温差△tc求得，分为以下2种情况：1)当△tc≤(tL2－tLl)时，换热器温差较小端在冷源水的进口侧，tc1＝tLl－△tx；2）当△tc ＞（tL2－tLl)时，换热器温差较小端在冷源水的出口侧，tc1＝tL2－△tx－△tc。为防止冷却塔供冷时间过短和冷源水冻结，限定tc1≥5℃，当计算结果tc1<5℃时，应在允许的情况下调整△tx或△tc。
4 冷却塔冷却特性和供冷时间的预测
4.1冷却塔冷却特性
水和空气在逆流冷却塔中的温度关系见图2，假设循环水量Gc为冷却塔的额定水量，以图中温度条件为例：夏季水在冷却塔内的冷却阵温主要靠水蒸发时吸收汽化潜热，水和空气的显热交换量很小，冷却塔出水温度与空气湿球温度接近，即夏季温差逼近度△ta较小。
冬季随着气温的降低，水分子的运动动能和分子扩散能力降低，即水蒸发量和带走的热量减少。假设室外空气湿球温度为0℃，如想获得与夏季相同的换热量和水温降△tc，就必须加大空气和水的温差逼近度△ta（如图2中的△ta1），靠显热交换获得冷却量，但出水温度较高。
如希望获得较低的水温，缩小温差逼近度（见图2中虚线和△ta2），则冷却塔内水温降△tc和冷却量将减少。
原则上各冷却塔生产厂应提供冷却塔在各种不同工况时的冷却特性资料。图3为根据清华大学提供的冷却塔模型（采用传热单元数法（ε-NTU)的逆流换热器模型）数据绘制的冷却塔实际流量与标准流量之比为100%和50%时的特性曲线。相同冷却水量时流量比越小，相当于冷却塔的换热面积越大。根据已知的冷源水所需供水温度，对应不同的水温降△t，可得到对应的室外湿球温度。
4.2冷却塔供冷运行时间
预测冷却塔供冷运行时间的目的是为直观地看出能够利用冷却塔供冷的大致季节、日期、供冷时间，为节能分析提供数据。根据上节得出的室外湿球温度确定冷却塔供冷运行时间，逐时室外湿球温度的数据来源于文献[3]，采用了用于建筑能耗分析的“典型气象年”数据。
冷却塔供泠一般在室内人员较多、负荷较高的时刻使用，例如办公建筑的正常上班时间、商场娱乐场所的营业时间、冬季的其他时刻（少数人加班等）一般不考虑开启制冷空调系统为风机盘管供冷。因此应根据工程的使用性质确定一天内的供冷时刻：办公室一般为08:00～ 18:00，大型商场、娱乐场所等可取为09:00～22:00。表1为北京地区一般办公建筑全年冷却塔供冷时间的计算结果。
5 冷却塔供冷系统设备的配置
5.1 系统负荷侧设备配置
由于篇幅原因，仅以空调冷水采用二次泵系统为例。如图4所示，空调水系统为分区两管制，空调冷水二次泵为变频变流量运行。此系统的负荷侧仅为冬季冷却塔供冷增加了板式换热器，是较为经济的配置。注意事项如下：
1)宜利用二次泵作为冬季空调冷水的循环泵使用，不再另外设置循环泵。
2)进行二次泵的台数和规格配置时，应同时考虑夏季和冬季的冷负荷情况和调节范围，l台或几台泵的流量最好与内区风机盘管空调冷水支路的流量匹配，防止即使在冬季满负荷时大流量泵也在低频低效率下运行，且不能满足小负荷时的调节范围。如按夏季配置相同水泵时单台水泵流量过大，或按冬季负荷配置相同水泵数量过多，可按大小泵同时并联运行设计，考虑设置与冬季小负荷匹配的小泵。且应统一考虑在过渡季室外温度已不能满足冷却塔供冷而需开启冷水机组、而外区还不需供冷时的冷水机组大小匹配问题。
3)当夏季采用大于5℃ 的大温差、冷却塔供冷工况时，内区供冷管道和末端盘管的设计流量和阻力将大于夏季计算数值。由于内区流量远小于空调水系统总流量，内外区合用总管道阻力比夏季工况小很多，水泵扬程应能够满足要求，但水泵的输送能效比将大于夏季工况。在风机盘管满足室内负荷时要求的水侧平均水温一定的情况下，较小的供回水温差可使供水温度提高，对延长冷却塔供冷时间有利。因此冬季输送能效比不高的不节能因素可以忽略。但设计时仍应注意板式换热器阻力不应过大，订货时可提出限制要求，且应按水泵特性曲线校核设计工况下对二次泵流量扬程的影响。
5.2 冷源侧系统举例
仅以图5为例，采用低负荷时使用的小冷水机组对应的冷却水循环泵作为冬季冷却塔供冷的冷源水循环泵，适用于该水泵水量能够满足冬季所需供冷量的情况。此系统特点如下。
1)该冷却塔冬季冷却水量为夏季（额定）工况冷却水量的100%。
2)有冻结危险的地区，冷源冷却塔可以在室内设置集水箱，使塔底盘无积水，补水也设在室内水箱处，节省了塔底盘和补水管的电伴热设施和冬季防冻用电量。如不设置集水箱，集水盘和管道应设置电伴热。
3)冬季和较低温度的过渡季使用的小冷却塔供回水管道上设置旁通管和温控电动阀。且应注意根据使用冷水机组还是使用板式换热器，电动旁通阀的动作温度设定值不同：使用冷水机组时，水温应控制在冷凝器允许最低水温以上；使用板式换热器时，水温应控制在不冻结温度以上（一般为5℃）。
当冷水机组对应的冷却永循环泵均不能与冬季冷负荷匹配时，应另外设置专用冷源水循环泵。可以选用任一冷却塔作为冬季冷源，但应保证冷却塔额定冷却水量不能小于水泵流量，有冻结危险的地区也不应大于水泵流量的2倍，即该冷却塔冬季冷却水量与夏季冷却水量之比应为l00%～50%。
6 结论
通过对以上冷却塔关键技术问题的分析，可知冷却塔供冷技术是一项较复杂的系统工程，需要认真分析其采用的必要性，并按下列步骤进行设计计算。
1)计算冬季内区房间风机盘管负担冷负荷；
2)根据夏季已选定的风机盘管和其冬季负挂冷负荷，计算确定空调冷水设计温度；
3)确定系统总供冷量和流量，进行负荷侧系统设备配置；
4)根据系统总供冷量，结合冷却塔、冷源水循环泵的配置和冷却塔冷却特性，确定冷源侧水流量、设计水温和满足水温的室外湿球温度；
5)预测冷却塔供冷时间；
6)确定冷却塔供冷的自动控制环节。