季阿敏,谷 智,劉 瑋,成克用

(哈爾濱商業(yè)大學土木制冷工程學院,哈爾濱150028)

冷卻塔供冷又稱“免費供冷”[1]技術,是指在冷季或過渡季節(jié)空調(diào)區(qū)域仍需要供冷,且當室外空氣濕球溫度達到一定條件時,關閉冷水機組,以流經(jīng)冷卻塔的循環(huán)冷卻水直接或間接向空調(diào)末端供冷的技術.“免費供冷”并非單純意義上的免費,而是相比較而言.因為雖然冷水機組關閉了,但在冷卻塔產(chǎn)生低溫冷卻水供入空調(diào)系統(tǒng)末端的時候,冷卻塔和水泵等部件仍繼續(xù)工作消耗電能,只是與冷水機組所消耗的電能相比要小得多,所以可以相對地將冷卻塔供冷視為免費供冷.由于冷卻塔供冷是利用自然冷源,對環(huán)境無污染,因此屬于環(huán)保型系統(tǒng).本文針對與哈爾濱地區(qū)的氣候特點,對采用冷卻塔直接供冷的方法進行了實驗研究.

1 冷卻塔供冷實驗裝置

1.1 冷卻塔供冷設備流程簡圖

見圖1.

1.2 實驗參數(shù)及儀器

1.2.1 主要測試參數(shù)

a.室外干球、濕球溫度;

b.冷卻塔進水、出水溫度、流速;

c.冷卻水泵、冷卻塔風機、風機盤管以及組合空調(diào)箱中電機電流;

d.室內(nèi)各測點溫度、濕度、風速;

e.末端送風口參數(shù).

1.2.2 主要測試儀器

a.干濕球溫度計HB-4型(精度0.1℃);

b.BWK-3型溫度控制器(精度0.1℃);

c.GT201型電流鉗(精度0.01 A);

d.ZRQF型熱球式風速儀;

e.LZB型玻璃轉(zhuǎn)子流量計等.

圖1 冷卻塔供冷系統(tǒng)簡圖

2 空調(diào)負荷

本實驗選擇某商場為研究對象,整個建筑平面尺寸為40 m×33.6 m,內(nèi)區(qū)面積為28m×21.6m,外區(qū)面積為6 m×123.2 m,共4層.商場內(nèi)區(qū)的負荷主要由人體散熱和照明負荷組成.一般冷季或過渡季空調(diào)負荷的總量遠小于夏季總冷負荷,這就為冷卻塔供冷提供了便利,因為冷卻塔供冷水溫度要高于冷水機組提供的水溫.

計算人體負荷時,其全熱按120W/人[2]計算,根據(jù)各樓層的人數(shù)不同,經(jīng)計算,內(nèi)區(qū)人體負荷每平方米約為19.4W.對于照明負荷的確定,根據(jù)ASHRAE/IES90.1-1989規(guī)定,商場每平米的照明負荷隨建筑面積的不同而略有變化,取值應在15.07～17.22W/m2之間,但現(xiàn)在許多商場為了配合消費者的消費行為,提供舒適的購物照明環(huán)境而加大照明力度,普遍照明負荷都高于30W/m2.綜合其他一些影響因素,將房間的內(nèi)區(qū)2部分負荷相加擬定為50、70、100 W/m23個工況進行了實驗分析.

3 實驗結果及影響因素分析

3.1 室外濕球溫度對房間降溫時間的影響

進行該項實驗選擇了當室外濕球溫度分別為6、7、8、9、10℃時,采用冷卻塔供冷.以空調(diào)負荷為70W/m2工況進行測試時,得出結果如圖2.可以看出,隨著室外濕球溫度的增大,室溫從30℃降到24℃的時間逐漸延長.當室外濕球溫度為6℃時,房間溫度達到24℃的降溫時間約為90m in,當室外濕球溫度升到10℃時,房間溫度達到24℃的降溫時間約為160min.

圖2 不同室外濕球溫度下房間的溫度與降溫時間關系

圖3 為散流器出風口溫度與時間關系圖,從圖3可以看出,在不同的室外濕球溫度下,散流器出口達到相同的溫度所需的時間不同,隨著室外濕球溫度的升高,達到相同送風溫度所需的時間亦逐漸延長,這一趨勢與房間溫度的變化是吻合的.只是散流器出風口的溫度變化過程時間短暫,因此其溫度變化曲線比較平緩,不像房間溫度變化曲線有波動.

3.2 房間負荷的影響

圖4為當測試房間單位負荷分別為50、70、100W/m2時,室外濕球溫度分別為6、8、10℃時房間降溫時間的情況.可以看出,房間負荷越小,降溫時間越短,而濕球溫度分別為6℃和8℃的降溫時間比較接近.

3.3 冷卻塔運行參數(shù)的影響

在不同室外濕球溫度下冷卻塔出水溫度的變化曲線參見圖5.

圖5 不同室外濕球溫度下冷卻塔出水溫度與時間關系

從圖5可以看出,當室外濕球溫度分別為6、8、9、10℃時,冷卻塔出水溫度隨著時間的推移逐漸接近一致.由圖4、5可以說明不必過于盲目苛求過低的濕球溫度,當達到一定值時,效果相差不是很明顯.從節(jié)能的角度考慮,適當?shù)奶岣呤彝鉂袂驕囟鹊霓D(zhuǎn)換值,可以延長冷卻塔供冷的使用時間,降低能耗.而且對于舒適性空調(diào),應將供冷溫度定在人們舒適性所能允許的最高溫度,例如,供冷度定在13℃比定在10℃節(jié)能率要高得多[3].

冷卻塔冷卻能力的2個重要參數(shù)[4],即水溫降(指冷卻塔的進出口水溫差)和冷幅(冷卻塔出水溫度和進口處的空氣濕球溫度的差值)隨時間變化情況參見圖6、7所示.

圖6 水溫降與時間的關系

從圖6、7中可以看出,水溫降和冷幅隨時間的延長而逐漸降低而后趨于穩(wěn)定,初期變化大顯然是由于在開始階段房間負荷隨著冷卻塔供冷而逐漸減少導致的結果.

圖7 冷幅與時間的關系

3.4 冷卻塔供冷時數(shù)及節(jié)能

圖8 總結了哈爾濱地區(qū)各月份的濕球溫度分布.

圖8 哈爾濱地區(qū)各月平均濕球溫度

從圖8中可以看出,若設室外濕球溫度達到10℃的轉(zhuǎn)換溫度時,哈爾濱地區(qū)冷卻塔供冷系統(tǒng)理論上可以使用的時間接近9個月,對于類似哈爾濱這樣室外平均濕球溫度一年中有一半時間低于10℃的地區(qū),在不考慮濕度控制的前提下,采用冷卻塔供冷的時間理論上可以達到半年以上,當然還有一些冬季防凍等問題需要考慮.

經(jīng)計算,與常規(guī)空調(diào)供冷相比,如果取室外濕球溫度10℃為冷卻塔轉(zhuǎn)換溫度時,冷卻塔供冷節(jié)能率可以達到14.8%;取室外濕球溫度12℃為冷卻塔轉(zhuǎn)換溫度時,則冷卻塔供冷節(jié)能率可以達到17.9%.轉(zhuǎn)換溫度每增加1℃,則冷卻塔供冷節(jié)能率就增加0.0623%,供冷小時數(shù)每增加1 h,冷卻塔供冷節(jié)能率就增加0.012 565%.

4 結 語

對于全年都有供冷需求的建筑物或建筑物內(nèi)區(qū),在冷季或過渡季節(jié)采用冷卻塔供冷技術可以達到節(jié)能目的.冷卻塔轉(zhuǎn)換溫度越高,節(jié)能效果越好.對冷卻塔直接供冷系統(tǒng)而言,當室外濕球溫度達到10～12℃時,便可以將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為冷卻塔供冷,對于冷卻塔間接供冷系統(tǒng),可以預留1～2℃溫差,即室外濕球溫度達到9～10℃時即可轉(zhuǎn)為冷卻塔供冷.

[1]李 競.過渡季節(jié)冷卻水的節(jié)能應用研究[D].上海:同濟大學.2007.

[2]何耀東.中央空調(diào)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002.

[3]馬最良,孫宇揮.冷卻塔供冷技術在我國應用的模擬與預測分析[J].暖通空調(diào),2000,30(2):5-8.

[4]季阿敏,劉 瑋,李 杰.冷卻塔供冷節(jié)能技術應用研究[J].哈爾濱商業(yè)大學學報:自然科學版,2009,25(2):214-217.