封闭式冷却塔在冷机非运行条件下的节能效应

      对封闭式冷却塔应用蒸发冷却技术的特点及主要分类进行了介绍；提出对于过渡季或全年需要供冷的空调系统，当室外环境湿球温度低于系统要求的冷冻水温度3～5℃时停止冷机运行，利用蒸发冷却技术由闭式冷却塔直接为系统提供冷量的节能措施；实例分析表明采用闭式冷却塔在主机非运行工况下直接供冷模式节能效应明显，增加的设备投资可以在两年半以内收回，具有较好的经济效益。

关键词：蒸发式冷却；闭式冷却塔；直接供冷；节能

1 引言

      冷却塔在工业和民用领域应用广泛，可分为自然通风式和强制通风式（引风或鼓风），空气流可以是逆流或横流（相对于水流），空调系统中常用的是引风横流式和逆流式。引风式的最大优点是塔内负压，从而减少了飞水和湿空气向周围环境的扩散。但在一些特殊场合，由于对冷却水的清洁度要求较高，或者被冷却水水温较高，或者其它工艺流体的冷却，此时传统的开式冷却塔难以满足要求，需要采用一种间接接触式冷却塔，又称封闭式冷却塔或蒸发式冷却器。闭式冷却塔示意图见图1。这里有三种流体：管内的被冷却流体（或空调冷却水）、向上横掠管束的空气流和喷淋而下于管表面的水流。与开式冷却塔比较，传统的填料被管束取代，增强了耐温度能力；此外，原来冷却水的开式环路改成闭环，避免被冷却流体受环境的污染；管内流体的散热量通过塔内循环喷淋的水流蒸发潜热带走，蒸发的水蒸气则由空气流带出塔外。对于室内冷负荷占主导或全年需要供冷的建筑，当采用水冷机组时，选用闭式冷却塔具有节能优势，即在负荷率较低的过渡季或冬季可以主机停止运行，直接用闭式冷却塔为空调系统末端提供冷量，此时由于室外环境湿球温度较低，可以将管内被冷却水冷却到15℃以下，能够直接为空调末端提供廉价冷量（free cooling），从而避免了制冷剂系统运行，大大节约了系统耗能。此外，在欧洲一些国家，气温较温和，但室内还需要供冷，当采用以辐射方式换热为主的冷却顶板方式供冷时，冷却顶板与室内温差较小，此时可以采用相对较高的冷水温度（18～20℃），采用闭式冷却塔可以满足供冷要求，仅需要消耗少量的水泵风机功耗，从而大大节省运行费用[1,2]。本文先对封闭式冷却塔应用蒸发冷却技术的特点进行介绍，并对采用闭冷的空调系统设计进行简单描述，再对采用闭冷的空调系统在冷机非运行工况下的节能效果进行分析，从而为该类型系统在空调领域的应用提供参考。

2 蒸发冷却技术与闭式冷却塔

      蒸发式冷却是通过空气的干湿球湿度差使被冷却表面水蒸发，以传质带动传热，吸收汽化潜热，从而降低表面温度的一种冷却技术。由于以潜热散热方式为主导，可以最大限度的缩小被冷却流体或壁面与湿球温度的温差，因此，冷却能力很大程度上取决于环境湿球温度的高低。冷却塔是一种应用蒸发冷却技术的典型设备。早在十九世纪末二十世纪初，即有喷淋塔的出现，此后历经鼓风式和抽风式冷却塔，一般为砖混结构或木结构，二十世纪中叶出现了填料式冷却塔和轻质耐腐的玻璃钢冷却塔，冷却塔在工业冷却和民用空调制冷领域得到了广泛的应用，种类也随着应用场合而多样化。闭式冷却塔就是为了适应一些特定场合需要而出现的间接接触式蒸发冷却设备。

      最初的闭式冷却塔以无填料的水平管冷却塔为主流，造价比较昂贵；换热盘管是其核心部件，可以通过管排、管径等设备的结构优化和采用管型的改变等强化换热措施来提高设备的冷却性能。近年来为了降低造价，又发展了带填料的闭式冷却塔，主要有两种带填料的冷却塔形式（见图2 的a 和b）。图a 的BAC 形式主要是靠添加填料，减少对金属管材的用量来降低材料成本；图b 管排式则除了添加填料外，还改变了以往的盘管换热器为管排换热管的结构式，从而避免了弯管，降低了加工成本，但对于密闭要求特别高的场合并不适用。而对于系统压力不太高的工艺流体冷却，还可以考虑采用更为紧凑的板式换热器作为闭式冷却塔内的换热组件。

      近年来，随着我国工业现代化和产业的不断升级，工艺冷却的要求也越来越提高，闭式冷却塔需求的大幅增加促进了国内闭式冷却塔工业的发展，大大改变了以往依赖进口闭式冷却设备的局面。近几年国内闭式冷却塔的产量，以超过30%的速度增长，国内产品与国外产品的质量差距也大大缩小，但仍尚欠缺自主知识产权的品牌。

      采用封闭式冷却塔的空调系统原理图。其中图a 为直接自然冷却方式，图b为间接自然冷却方式。在直接自然冷却方式中，当过渡季或冬季空调用户供冷需求降低至一定程度后，停止主机供冷，将系统转换为闭式冷却塔直接供冷模式，此时由闭式冷却塔直接为空调末端提供合格的低温水。由于直接将冷却水系统与冷冻水系统串联，减少了中间换热器带来的热量损失，且没有了两个水系统的温差要求，因此是一种最为节能的直接供冷模式。理论上也可以采用开式冷却塔，但开式系统水的清洁度难以保证，虽然加过滤器一定程度上可以解决这种问题，具体实施中还是存在困难。况且，开式系统军团菌的问题也难以彻底解决，从而难以保证进入室内空调末端的冷水清洁度要求。一般来说，当室外湿球温度降到低于系统要求的冷却塔出口水温5℃时，即可将空调系统切换到该种自然供冷模式[3,4]。当空调用户端距离较远，或者说冷冻水系统环路阻力较大时，为了避免增大闭式冷却塔换热盘管承受的压力，可以采用增加中间换热器的间接自然冷却方式（图b）。此系统的另一个特点是系统布置灵活，可以实现冷凝器和蒸发器与板式换热器的串并联模型，尽最大限度的减少系统换热损失。采用的板式换热器可以实现小温差换热（1～2℃），减少中间换热损失[4]。由于增加了中间换热器，水泵的耗功量有所增加。该系统一般只能在室外湿球温度低于冷冻水回水温度5℃时才能采用，因此可利用自然冷源的时间较直接式系统大为缩短。

4 设计实例

4.1 应用背景

      武汉某地下建筑，设计室内干球温度28℃，相对湿度55％，对应湿球温度21.4℃；夏季空调季（5 月～9 月）室外设计参数:干球温度35.2℃,湿球温度28.2℃, 对应相对湿度59.5％，大气压力100.17KPa；过渡季（3 月～4 月，10 月～11 月）室外设计参数：干球温度20℃，湿球温度15.3℃，对应相对湿度61.3％，大气压力102.33KPa。计算得到夏季设计工况冷负荷570kW，过渡季工况冷负荷262kW。

4.2 闭式冷却塔设计条件

      空调冷冻水供水温度范围 8～16℃，供回水温差4℃，水质无污染；主机冷凝器入口冷却水温不高于32℃，冷凝器出口－入口水温温差5℃。选用闭式冷却塔，夏季作为开式冷却塔的辅助冷却塔为主机提供冷却水，过渡季当室外湿球温度降低到一定程度时转换为仅由闭式冷却塔对空调负荷提供冷量。

      在空气与水接触的时间无限长,冷却塔尺寸无限大的理想情况下,冷却塔出口水温可以降到空气湿球温度,但实际上是不可能的。冷却塔出口冷却水设计温度一般比空气湿球温度高3～5 ℃[5] ,因此,在冷却塔尺寸及冷负荷一定的条件下,冷却塔出口水温是由空气湿球温度决定的。如果空气湿球温度为10 ℃,冷却塔出口水温就可以降到14 ℃左右,制冷机就可以停止运行[6],而将从冷却塔出来的冷却水直接输送到空调房间中,去消除室内冷负荷。选用图1 所示的逆流式闭式冷却塔，采用Ф25×2.5 钢管，管间距s1 和s2 分别为54mm 和48mm，叉排排列，钢管导热系数tλ ＝49.8 W/(m•K)，污垢热阻i r ＝O.0002m2℃／w，o r ＝O.0004m2℃／w。迎面风速取wa=3m/s；喷淋水密度Γ ＝0.05kg/(m•s)；管内流速wf＝1.2m/s。本方案设计的闭式冷却塔,主要在室外空气湿球温度降到10 ℃以下时使用。而在夏季空调季，则增加一个开式冷却塔，由开式冷却塔和闭式冷却塔共同为制冷主机提供冷却水。开式塔的选型设计采用的冷却负荷为夏季空调负荷下需要的排热负荷减去闭式冷却塔承担的负荷，具体计算这里不作详述。合理的设计闭式冷却塔的换热面积,可以尽可能少的开启制冷机,达到利用天然冷源制冷的目的,既节能,又环保。因此设计选型时以过渡季设计工况下的冷却塔供冷能力进行设计计算。

 4.3 设计计算结果

      计算时先假定喷淋水温度，分别从管内至管外水膜侧和管外空气侧分别初步计算出需要的换热面积，并比较两种方法计算的误差，当误差超过允许值时则重新估计喷淋水温度，进行迭代计算。具体的计算过程这里省略，只给出计算结果如下：总传热面积（管外换热面积）183m2，换热盘管管排数为横排×综排22×28，盘管换热器外型尺寸长×宽×高3.77m×1.20m×1.37m。喷淋水循环量58.7m3/h，风量40614m3/h，管内冷却水流量56.5 m3/h。盘管内冷却水阻力58.1kPa。

表 1 武汉地区夏季和过渡季的标准年干湿球温度

月 份                    3        4        5        6        7        8        9      10      11

干球温度℃     10.0   16.3   21.6   25.5   28.6   28.3   23.1   17.5   11.2

湿球温度℃       8.3   14.4   19.2   23.1   26.0   25.5   20.7   15.3     9.2

参考“中国气象科学数据共享网” 武汉(1971-2000 年)气候标准值

5 节能效应分析

5.1 能耗分析

      武汉市标准年夏季和过渡季各月的平均干湿球温度见表1。由于过渡季空调负荷不到夏季设计工况的一半，可以适当提高空调系统末端冷水的供应温度2～4℃，仍可满足室内供冷的需要，因此冷水供水温度可提高到14～16℃，这里设为16℃，则当室外湿球温度降到12℃时，即可将系统切换到直接供冷工况。从表1 中可以看出，在过渡季室外的参数平均值都低于设计过渡工况值，即冷负荷将比设计工况小大部分时段都能满足直接供冷条件；同时过渡季的大部分时段湿球温度都低于12℃。不失一般性，设想武汉市过渡季湿球温度连续5h 低于12℃的小时数1920h，约合80d。设计的制冷主机功率142kW，如果这些时数主机都停止运行，即使以85％的负荷率计算，停止主机也可以节约用电231744kWh。在空气湿球温度低于14 ℃时, 闭式冷却塔能把冷却水降到17 ℃左右送入制冷机, 再用制冷机将冷却水降到15 ℃, 即冷却塔承担部分负荷, 制冷机承担部分负荷, 也能节约很多能量。按武汉市标准年空气湿球温度在12～14 ℃之间的统计情况, 以432h计（18d）, 制冷机将冷却水从17 ℃降到15 ℃能节约将近40％的功率, 及节约20857 kWh。因此, 按整个过渡季工况, 闭式冷却塔的使用能节约电力252601kWh ,具有很好的节能效果。

5.2 经济性比较 

      闭式冷却塔价值 28 万元，用于闭式冷却塔和制冷机切换的自控装置10 万元,因此初投资38 万元。武汉市的电价以每kWh 电价0.6 元计算，整个过渡季可节约用电费用151560.6 元，则两年半可以收回投资。而闭式冷却塔的设计使用寿命一般都在15 年以上。这里并没有考虑在夏季利用闭式冷却塔来为主机提供冷却水。实际上，只要增加一个板式换热器，即可以将闭式冷却塔与开式冷却塔结合起来，从而缩小开式冷却塔的设计规模，由开式冷却塔和闭式冷却塔共同为夏季主机运行提供冷却水，从而提高闭式冷却塔的利用效率。因此，闭式冷却塔在主机非运行工况下的节能和经济效应明显。

6 结论

（1）封闭式冷却塔是一种清洁高效的蒸发式冷却设备，比较适合于对工艺流体清洁度和密闭性要求高的工业冷却系统，以及适合于如水源热泵空调系统等对冷却水清洁读有特殊要求的空调系统。

（2）对于在过渡季或全年需要供冷的建筑，可以考虑采用开式冷却塔和闭式冷却塔联合冷却系统，在空调负荷较高的夏季，由两者共同为制冷主机提供冷却水，而当室外湿球温度降低到12℃以下时，则可以转为由闭式冷却塔直接为空调末端提供冷水的方式，从而减少了制冷主机全年的运行时间，达到系统节能和降低系统运行费用的目的。

（3）实例分析表明，在主机非运行工况的过渡季采用封闭式冷却塔，即使在类似武汉的夏热冬冷地区，由过渡季节约的运行费用，也可以在2.5y内收回投资。考虑到在空调季闭式冷却塔可以作为制冷主机的辅助冷却设备，经济效益将更加明显。