張殿光 高 興 張 寧

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冷卻塔免費制冷系統(tǒng)在大連地區(qū)的應(yīng)用研究

張殿光1,2高 興2張 寧2

（1.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院 大連 116023； 2.遼寧省漁業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心 大連 116023）

研究了冷卻塔如何在過渡季節(jié)實現(xiàn)制冷的原理和實現(xiàn)形式以及應(yīng)用條件，分析了大連地區(qū)應(yīng)用冷卻塔制冷系統(tǒng)的可行性，并以香格里拉酒店空調(diào)系統(tǒng)改造為例，分析了該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性，為冷卻塔免費制冷系統(tǒng)在大連地區(qū)建筑節(jié)能改造中的應(yīng)用提供了有益的參考。

冷卻塔；免費；節(jié)能

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，世界各國科研學(xué)者對于中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能的研究越來越多，也越來越重視。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的馬最良、孫宇輝[1-3]等主要研究了冷卻塔自然供冷技術(shù)的原理，分析了影響節(jié)能效果的因素（系統(tǒng)形式、建筑負(fù)荷、氣象條件等）。給出并分析了節(jié)能率、供冷溫度等可用作設(shè)計參考的預(yù)測結(jié)果。許雙霜、任世堔、王菊花[4-6]等人分別通過實際工程項目分析了武漢、南京、重慶等地區(qū)使用冷卻塔直接供冷空調(diào)系統(tǒng)可行性、節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性。通過計算得到冷卻塔供冷技術(shù)應(yīng)用后的能耗，對比得出，該技術(shù)在各自地區(qū)有一定的應(yīng)用前景。

1 冷卻塔供冷的原理

冷卻塔制冷技術(shù)又稱水側(cè)免費供冷技術(shù)即指在常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)基礎(chǔ)上適當(dāng)增設(shè)部分管路及設(shè)備，當(dāng)室外濕球溫度降低至某個值時，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，以達(dá)到節(jié)能的目的[7,8]。我們知道冷卻塔是利用部分冷卻水蒸發(fā)吸熱來降低冷卻水溫的。冷卻水理論能降低到的極限溫度為當(dāng)時室外空氣的濕球溫度。隨著過渡季及冬季的到來，室外氣溫逐漸下降，相對濕度降低室外濕球溫度也隨著降低，從而冷卻塔出口水溫也隨之降低。而此時建筑室內(nèi)濕負(fù)荷及冷負(fù)荷也在不斷的下降，空調(diào)末端所需除濕量減少，適當(dāng)提高冷凍水水溫，減少其除濕能力，完全能滿足空調(diào)系統(tǒng)舒適性的要求。若此時冷卻水出口水溫與空調(diào)末端此時所需冷凍水水溫相吻合，免費供冷就成為可能。目前，國內(nèi)新建和已建成的開敞式現(xiàn)代辦公樓中的空調(diào)方式多采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)。這些建筑物的內(nèi)區(qū)往往要求空調(diào)系統(tǒng)全年供冷，而在過渡季或冬季，當(dāng)室外空氣燴值低于室內(nèi)空氣設(shè)計焓值時又無法利用加大新風(fēng)量來進(jìn)行免費供冷。對此，應(yīng)該利用冷卻塔供冷技術(shù)，通過水系統(tǒng)來利用自然冷源。在空調(diào)系統(tǒng)中，冷水機(jī)組的能耗占有極高的比例，如用冷卻塔供冷技術(shù)可少開或不開冷水機(jī)組，其節(jié)能效果將會是顯著的。

2 冷卻塔供冷的系統(tǒng)形式

2.1 直接供冷系統(tǒng)

直接供冷系統(tǒng)是指在原有空調(diào)水系統(tǒng)中設(shè)置旁通管道，將冷凍水環(huán)路與冷卻水環(huán)路連接在一起的系統(tǒng)，如圖1。夏季按常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)運行，轉(zhuǎn)入冷卻塔供冷時，將制冷機(jī)組關(guān)閉，通過閥門打開旁通，使冷卻水直接進(jìn)入用戶末端。系統(tǒng)中冷卻塔開式閉式均可。采用開式冷卻塔時，冷卻水與外界空氣直接接觸易被污染，污物易隨冷卻水進(jìn)入室內(nèi)空調(diào)水管路，從而造成盤管被污物阻塞，故采用此種形式時要做好水質(zhì)處理。

虛線代表過渡季節(jié)運行，實線代表夏季運行

2.2 間接供冷系統(tǒng)

如圖2所示冷卻塔間接供冷系統(tǒng)是在原有空調(diào)水系統(tǒng)中附加一臺板式換熱器以隔離開冷卻水環(huán)路和冷凍水環(huán)路，在過渡季切換運行不會影響水泵的工作條件和冷凍水環(huán)路的衛(wèi)生條件。

虛線代表過渡季節(jié)運行，實線代表夏季運行

3 室外轉(zhuǎn)換溫度的確定

冷卻塔供冷的室外轉(zhuǎn)換溫度如何確定是此技術(shù)的關(guān)鍵點，它的確定直接關(guān)系到系統(tǒng)供冷時數(shù)，進(jìn)而直接影響到整個系統(tǒng)的節(jié)能效果。轉(zhuǎn)換溫度的確定主要根據(jù)過渡季節(jié)或冬季室內(nèi)的余熱量、余濕量及室內(nèi)參數(shù)，通過焓—濕圖確定供水溫度。同時考慮冷卻塔的特性來確定。

3.1 直接供冷時室外轉(zhuǎn)換溫度的確定

一般空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水環(huán)路進(jìn)出口水溫為7/12℃，溫差為5℃，選擇這樣的溫度的冷凍水主要是為了夏季空調(diào)除濕滿足舒適性要求。同時設(shè)備選型是按照最大設(shè)計熱負(fù)荷選定的，且留有余量，由于季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)荷的變化，實際空調(diào)熱負(fù)荷在絕大部分時間內(nèi)遠(yuǎn)比設(shè)計負(fù)荷低，一年中負(fù)荷率在50%以下的小時數(shù)約占全部運行時間的50%以上，故實際運行中冷凍水溫差要小于5℃，供水溫度也高于7℃，在系統(tǒng)流量固定的情況下，全年絕大部分運行時間溫差僅為1.0～3.0℃。

對于舒適性空調(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Δ減?。▋烧叱示€性關(guān)系）。

建筑冷負(fù)荷=c××Δ

假設(shè)水系統(tǒng)循環(huán)流量不變，水的比熱容c為常數(shù)。從冷卻塔冷卻特性曲線可以看出在溫差為3℃時（60%負(fù)荷下，此為典型的過渡季節(jié)舒適性空調(diào)負(fù)荷），冷卻塔供冷所需濕球溫度為9℃左右，同時供冷溫度可相應(yīng)提高到14℃左右。

由空調(diào)原理可知：

￠=/d（1）

式中，為室外空氣含濕量，kg/kg干空氣；d為室外干球溫度t下對應(yīng)的飽和空氣含濕量，kg/kg干空氣。

根據(jù)飽和濕空氣性質(zhì)表可擬合出公式（2）：

d=1(t) （2）

由室外干球溫度t，及公式（2）可以求出d，由公式（1）可求出，由公式（3）可求出室外空氣的焓。

=1.01t+(2500+1.84t) kJ/kg干空氣（3）

從空調(diào)原理可知，-圖上的等濕球溫度線和等焓線基本重合，因此可以把等焓線與=100%線交點的溫度當(dāng)作濕球溫度t，t可由擬合公式（4）計算出。

t=2() （4）

這樣，就可以根據(jù)測量到的室外干球溫度t和室外空氣相對濕度，用公式（1）～（4）很方便地求出室外濕球溫度t來。

所以，對于舒適性空調(diào)，室外轉(zhuǎn)換溫度可以定為室外濕球溫度9～10℃。

3.2 間接供冷時室外轉(zhuǎn)換溫度的確定

對于采用板式換熱器的間接供冷，考慮室外轉(zhuǎn)換溫度時，只需在直接供冷的基礎(chǔ)上考慮板式換熱器的換熱溫差，板換我們一般可按2～5℃溫差考慮。

4 過程控制

根據(jù)室外溫度的變化和室內(nèi)負(fù)荷的改變，在冷卻塔供冷期間可做如下調(diào)控：

（1）在冷卻塔供冷初期，由于室外溫度較高，此時可將冷卻塔串聯(lián)連接（冷卻塔冷幅隨冷卻填料尺寸增大而減小，故對于多臺套冷卻塔系統(tǒng)可采用串聯(lián)冷卻塔的方法來增加冷卻效果），同時風(fēng)機(jī)開到最大功率，以降低供水水溫度。

（2）隨著室外溫度的降低，冷卻塔分開運行，同時開風(fēng)機(jī)。

（3）隨著室外溫度的進(jìn)一步降低，可以關(guān)掉風(fēng)機(jī)，靠自然風(fēng)冷。

在室外溫度達(dá)到冷卻塔供冷的最低點后，再反之操作。即整個控制過程為：（1）-（2）-（3）-（2）-（1）。

5 冷卻塔供冷的經(jīng)濟(jì)性分析

現(xiàn)以大連市某大廈的空調(diào)改造為例，對冷卻塔供冷的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。為了分析的方便，假設(shè)該大廈需全年供冷。

5.1 工程概況

冷負(fù)荷：1178kW；

冷源：美國開力19XL冷水機(jī)組（制冷量400Rt）1臺；

冷凍水泵：流量=240m3/h，揚程=110mH2O，功率=55kW，1臺；

冷卻水泵：流量=312m3/h，揚程=34mH2O，功率=47kW，1臺；

冷卻塔：1臺。

由于該大廈存在南北分區(qū)，故南側(cè)的房間在冬季不供熱的情況下經(jīng)測試仍可達(dá)到27攝氏度左右。同時大廈對照明系統(tǒng)進(jìn)行了改造，增加了用電負(fù)荷，從而增加了照明冷負(fù)荷。具體情況如表1所示。

表1 照明溫升表

從表中可以看出在南向冬季的單人間溫度可以達(dá)到28.5℃，此時雖是冬季，但仍然需要供冷。

5.2 大連氣象概況

大連地區(qū)年平均氣溫10℃左右。8月最熱平均氣溫24℃，平均最高氣溫27.3℃，平均最底氣溫21.4℃。最冷月份為1月，平均氣溫為-4.7℃，平均最底氣溫是-7.7℃，平均最高氣溫-0.9℃。市區(qū)歷史最高氣溫35.3℃，最低氣溫-21.1℃。年平均相對濕度64-72%。

表2 大連氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

經(jīng)分析可知大連的冷卻塔供冷理論最大小時數(shù)為：直接供冷時達(dá)1000小時；間接供冷時達(dá)900小時。保守估計直接供冷時可達(dá)到900小時；間接供冷時可達(dá)800小時。

5.3 改造費用

直接供冷和間接供冷可選擇使用，在熱交換器加旁通。

表3 冷卻塔供冷改造設(shè)備安裝投資一覽表

續(xù)表3 冷卻塔供冷改造設(shè)備安裝投資一覽表

表4 間接供冷改造設(shè)備安裝投資一覽表

續(xù)表4 間接供冷改造設(shè)備安裝投資一覽表

5.4 每年節(jié)省費用

在冷卻塔供冷期間，冷水機(jī)組和冷卻水泵不工作，節(jié)約的費用主要是這兩部分的電費。計算時電價按0.9元/度計算。

直接供冷：節(jié)省費用=0.9×（654+30×2）×900 =578340（元）。

間接供冷：節(jié)省費用=0.9×（654+30×2）×800 =514080（元）。

5.5 經(jīng)濟(jì)分析

回收年限：對于直接供冷，回收年限為：280260÷578340=0.489。

對于間接供冷，回收年限為：436020÷514080=0.848。

從上面的分析可以看出，如果采用冷卻塔直接供冷方式時，改造成本可以在半年內(nèi)收回。采用冷卻塔間接供冷時，改造成本可在一年內(nèi)收回。

6 結(jié)論

綜上所述，冷卻塔供冷是一種既經(jīng)濟(jì)又實用的節(jié)能方式。在我國北方地區(qū)有著廣闊的應(yīng)用前景。是我們實現(xiàn)節(jié)能社會的一種具體的良好選擇。

[1] 馬最良,孫宇輝.冷卻塔供冷系統(tǒng)運行能耗影響因素的研究與分析[J].暖通空調(diào),2000,30(6):20-22.

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

[3] 馬最良,孫宇輝.冷卻塔供冷技術(shù)的原理及分析[J].暖通空調(diào),1998,(6):27-30.

[4] 許雙霜.武漢地區(qū)過渡季節(jié)和冬季冷卻塔供冷的適用性研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2011.

[5] 王在峰.冷卻塔供冷系統(tǒng)在既有建筑空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[6] 王菊花,方宇.重慶地區(qū)商業(yè)內(nèi)區(qū)冷卻塔免費供冷性能研究[J].發(fā)電與空調(diào),2013,34(2):49-53.

[7] 張寶建.冷卻塔供冷系統(tǒng)在電子廠空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造中的應(yīng)用研究[D].上海:東華大學(xué),2016.

[8] 漆海兵.冷卻塔供冷系統(tǒng)設(shè)計研究[J].制冷技術(shù),2013,33(2):57-61.

Application of Cooling Tower Free Refrigeration System in Dalian

Zhang Dianguang1,2Gao Xing2Zhang Ning2

( 1.Dalian Ocean University, Dalian, 116023; 2.Liaoning fishery equipment Engineering Technology Research Center, Dalian, 116023 )

This paper studies the cooling tower in the transition season how to realize refrigeration principle and implementation and application conditions, analyzes the feasibility of application of cooling tower cooling system in Dalian area, and to transform the Shangri-La Hotel air-conditioning system as an example, analyzed the economy and energy efficiency of the system, provide a useful reference for the application of cooling the tower free refrigeration system in building energy saving in Dalian.

cooling tower; free; energy saving

TU831.6

A

1671-6612（2018）02-131-06

張殿光（1977.11-），男，博士，副教授，E-mail：56147962@qq.com

2017-09-26