利用冷却塔供冷技术的初探

利用冷却塔供冷技术的初探摘要：介绍了冷却塔水侧免费供冷的工作原理、主要系统形式及系统设计中应注意的几个问题；通过某工程经济性比较，阐明冷却塔水侧免费供冷节能经济的优越性。关键词：免费供冷；冷却塔；直接供冷；间接供冷1 引言近年来，随着我国空调耗能量越来越大，能源需求量激增，能源紧张状况日趋严重。据上海有关资料估计，上海建筑能耗占总耗能的比例为12.6%，而空调能耗约可占整个建筑物能耗的50%，如何有效地节约空调能耗愈来愈引起人们的关注。在以往的空调工程设计中，我们通常在过渡季或冬季室外空气焓值低于室内设计焓值时，通过尽量加大新风量（也同时加大排风量）的方法，以获得风侧“免费供冷”来节省能耗。而近年来国外发展较快的水侧（冷却水侧）免费供冷技术，因其具有显著的经济性及工程改造简易等诸多优点而日益引起人们的重视。以下就水侧免费供冷的工作原理及系统特性等作简单的论述，以供探讨。2 水侧免费供冷原理及应用形式21 水侧免费供冷原理水侧免费供冷即指在常规空调水系统基础上适当增设部分管路及设备，当室外湿球温度低至某个值以下时，关闭制冷机组，以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调系统供冷，以达到节能的目的。我们知道冷却塔是利用部分冷却水蒸发吸热来降低冷却水温的。冷却水理论上能降低到的极限温度为当时室外空气的湿球温度。随着过渡季及冬季的到来，室外气温逐渐下降，相对湿度降低，室外湿球温度也下降，从而冷却塔出口水温也随之降低。而此时建筑室内湿负荷及冷负荷也在不断的下降，空调末端所需除湿量减少，适当提高冷冻水水温，减少其除湿能力，完全能满足空调系统舒适性的要求。若此时冷却水出口水温与空调末端此时所需冷冻水水温相吻合，免费供冷就成为可能。22 系统应用形式冷却塔供冷按冷却水是否直接进入空调末端设备来划分可分成两大类：间接供冷系统及直接供冷系统。221 间接供冷系统间接供冷系统是指系统中冷却水环路与冷冻水环路相互独立，不相连接，能量传递主要依靠中间换热设备来进行。其最大优点是保证了冷冻水系统环路的完整性，保证环路的卫生条件，但由于其存在中间换热损失，使供冷效果有所下降。其大体有以两种形式。2211 开式一。如图1，在制冷机组制冷剂环路中冷凝器与蒸发器之间设置旁通管路，上设制冷剂旁通阀。工作时关闭压缩面，将旁通阀开启，冷剂充当热载体在其形成的环路中流动，完成热量的传递。但此方法由于换热效率低且要改变制冷剂环路故一般不采用。2212 形式二。如图2，在原有空调水系统中附加一台板式换热器。在冷却塔供冷时，关闭制冷机组，使冷却水与冷冻水分别接入板式换热器，实现其间能量传递。目前工程中多采用此种形式。222 直接供冷系统直接供冷系统是指在原有空调水系统中设置旁通管道，将冷冻水环路与冷却水环路连接在一起的系统，如图3。夏季按常规空调水系统运行，转入冷却塔供冷时，将制冷机组关闭，通过阀门打开旁通，使冷却水直接进入用户末端。系统中冷却塔开式闭式均可。采用开式冷却塔时，冷却水与外界空气直接接触易被污染，污物易随冷却水进入室内空调水管路，从而造成盘管被污物阻塞，故应用较少。采用闭式冷却塔虽可满足卫生要法语，但由于其靠间接蒸发冷却原理降温，传热效果受到影响，加上闭式冷却塔在国内应用较少，故也很少采用。3 设计应注意的几个问题31 室外转变温度点的选择冷却塔供冷模式的室外转换温度点的选择直接关系到系统供冷时数。在设计时应根据过渡季或冬季建筑内的余热量、余湿量及室内设计参数，通过h-d图确定所需冷水供水水温。假设经计算确定此时空调末端所需供水水温为12.7，考虑冷却塔冷幅（冷却塔出水水温与室外湿球温度之差）、管路及换热器等热损失使水温升高4.5，则在室外湿球温度等于或低于8.2时即可切换为冷却塔供冷模式。32 供冷能力的核算系统中冷却塔在按夏季冷负荷及夏季室外计算湿球温度选型后，还应对其在冷却塔供冷模式下的供冷能力进行校核。但笔者翻阅众多国内冷却塔设备生产厂家样本、其均未提供低于16湿球温度以下的冷却塔热工数据，给校核工作带来不便。建议厂家在今后的产品样本中能提供更大范围的热工数据。33 换热器型式的选取间接供冷系统中换热器应选择板式换热器。板式换热器与传统的管壳式换热器相比，其具有高效率的换热能力。一般的板式换热器温差（冷却水入口温度与冷冻水出口端之间的温差）是2-3，小的可达1左右。而管壳式换热器温差式换热器易改变数量和板片组合以适应建筑负荷的变动。当板式换热器发生泄漏时，由于接口周围有双重垫片，一层垫片发生泄漏不会导致介质混合，并可立即察觉。选择板式换热器温差时应综合考虑初投资及冷却塔供冷时数等方面，经系统的技术经济比较后确定。34 冷却水泵的匹配在直接供冷系统中，冷冻水环路中冷冻水泵应设旁通（如图3）。冷却塔供冷模式时冷冻水泵关闭，冷却水旁通过冷冻水泵，此时循环水动力由冷却水泵提供。故在系统设计时要考虑转换供冷模式后，冷却水泵的流量及扬程与管路系统的匹配问题。若差别较大应考虑设置冷却塔供冷专用泵。35 冷却水的除菌过滤在直接供冷系统设计中应重视冷却水的除菌过滤，以防阻塞末端盘管。常用的方法有加设加药装置及在冷却塔与管路之间设置部分旁通过滤设备，不断地旁通5%-10%的水量进行过滤，以上方法均可减少设置全流量过滤设备时对环路压力的影响。36 用串联冷却塔来增加冷效考虑到在特定室外湿球温度和建筑负荷下冷却塔冷幅（冷却塔出水温度与室外湿球温度之差）随冷却塔填料尺寸增大而减小，故对于多台套冷却塔系统可采用串联冷却塔的方法（如图4）来增加冷却效果，提高冷却塔供冷模式的室外转换温度，从而增加供冷时数。37 冷却水系统的防冻设施由于冷却塔供冷主要在过渡季及冬季运行，故在冬季温度较低地区应在冷却水系统中设置防冻设施。我国大部分地区冬季温度都可达0以下，室外冷却塔集水盘易结冰，解决的方法是可根据当地室外极端最低温度，在集水盘内设置一定容量的电加热器，电加热器受集水盘内水温控制，另集水盘应采用镀锌钢板或其它金属材料以防冻裂。为了保证能在0以下正常进行补水，最好采用电极控制电磁阀进行补水，以免浮球阀受结冰影响而失灵。气温极低时，集水盘水面溅起的水汽会在进风百叶上结冰。同时，经过冷却塔上部风扇叶片的水汽亦可能会在风扇表面结冰，如果结冰较多就会影响冷却塔运行。解决这个问题，可以将风扇放在水汽通道之外即采用气流鼓吹式取代常用的抽吸式，从根本上避免水汽对风扇的影响。另还可以将冷却塔顶的风扇定期反转，以此把挂在风扇上的冰凌去除；同时反向气流也可把进风百叶上的冰凌去除。为了保证冷却塔的室外补水管和供、回水管在冬季能正常工作，需要对这些管线保温，一般可采用带温度控制装置的电热线进行伴热，电热线外包不吸水耐热绝热材料（如阻燃型聚苯乙烯等）。4 工程实例及经济分析冷却塔供冷技术在国外已较为成熟，已有不少工程应用。现以美国内华达州某医疗中心为例，对其经济性进行分析。此医疗中心建于19世纪末，历史悠久。1982年进行全面节能改造，空调设施改造为其一项。其全年需空调，冬季冷负荷为1230.95kW(350Rt)，为节约冬季空调电力消耗，其采用冷却塔供冷技术。设备安装投资费用见表1。该工程在冬季若采用电制冷机组（以耗能0.8kW/Rt）供冷，则需耗电3500.8=280kW。在第一年（1983年）实际运行中，实际供冷时数为5639h，以电费0.065美元/kWh计，电制冷耗电费用为2800.065=18.20美元/h，冬季运行相对冷却塔供冷需多耗电费约563918.20=102630美元。全系统投资约3个多月就收回成本，加上电制冷机组在部分负荷特别是35%负荷以下运行时，由于旁通热气而效率明显下降，耗能增加，故采用冷却塔供冷其经济效益显著。冷却塔供冷技术特别适用于需全年供冷或建筑有需常年供冷的内区建筑如大型办公建筑内区、大型货商场等或具有高显热需全年供冷且需严格的湿度控制的建筑如计算机房、程控交换机房等。其在一些风机盘管新风系统应用可使过渡季、冬季免费供冷成为可能。故近年来在国外已有不少应用，在我国也有应用实例。如上海1122工程其设计中心部分标准层平面进深大，面积约1700m2，有明显的内外区，冬季内区仍有冷负荷发生，工程中采用冷却塔和水-水板式换热器组合成冬季自然供冷水系统，充分节约能源。在我省中北部一些县市如福安市等全年室外湿球温度在9.5以下的天数可达90d。我国北方城市如北京地区全年符合冷却塔供冷的时间可达150d左右（当年12月初至次年4月）。文献1通过电算程序分别对乌鲁木齐、哈尔滨、兰州、北京、西安、上海、广州等7个典型城市进行了冷却塔供冷系统和常规供冷系统运行能耗的模拟，模拟结果表明西北地区（如兰州、乌鲁木齐），采用冷却塔