冷卻塔供冷利用自然冷源,解決冬季、過渡季某些建筑的供冷需要,減少制冷機運行時間,從而得到顯著的節能效果。筆者針對冷卻塔供冷系統設計和運行中的幾個問題,如供冷形式的選擇、供水溫度的選擇、切換溫度的確定、冷水溫度的控制以及冷卻水泵與系統特性的匹配等進行了討論。
1 供冷形式的選擇
冷卻塔供冷大致有如下4 種形式:1) 開式冷卻塔加過濾器;2) 開式冷卻塔加熱交換器;3) 封閉式冷卻塔;4) 制冷劑的自然循環。這4 種形式各有特點,在供冷形式的選擇時應該加以考慮。
1. 1 開式冷卻塔加過濾器(直接供冷系統)
在夏季,系統的工作與常規空調的運行一致,但在過渡季,當環境溫度足夠低時,從冷卻塔來的冷卻水就直接進入冷凍水系統進行循環,包括進入空調系統的末端調節裝置內,如風機盤管、誘導器等,如圖1 所示。從能源節約的角度來講,這樣的系統效果最好。不過,開式直接供冷系統需要將冷卻水系統與冷凍水系統相連通,這樣相對較臟的冷卻水會污染干凈的冷凍水系統,極易堵塞冷凍水系統中的末端空調裝置。
為減少冷卻水對管道的堵塞和腐蝕,系統采用專門的水處理設備和專門的過濾器。加過濾器的系統分為2 種:一種為全過濾系統,如圖1a 所示;一種為部分過濾系統,如圖1b 所示。全過濾系統意味著系統中所有的雜質將經過過濾器,從根本上消除閥門和換熱器堵塞的可能性,但是有些污物會留在濾料中,增加了水泵的揚程。部分過濾的優點是不增加系統的水泵揚程,可以在需要的時候回洗,而且不需要有過多的濾料,分流量的大小取決于水質的好壞,大約為泵額定流量的5 %～10 %。關于水處理方面的問題,應用直接供冷系統需要承擔較高的水處理費用,但是其換熱效果是最好的,僅1 個水泵運行,而且不需要增加任何換熱器,這是在選擇時所作的綜合考慮。
1. 2 開式冷卻塔加熱交換器(間接供冷系統)間接供冷系統的布置如圖2 所示,加裝一個板式換熱器與制冷機組并聯,從冷卻塔來的冷卻水通過換熱器與閉合環路中的冷卻水進行熱交換。因此冷卻水系統和冷凍水系統是隔離的,從而避免了冷凍水系統被污染、腐蝕和堵塞問題。板式換熱器在中溫低壓的水循環中是最適用的,體積小,換熱能力強,能夠最小程度地減小換熱溫差。但是間接供冷系統的缺點就是對能量的利用效率不及直接
供冷系統,換熱溫差加大,而且間接供冷時需要運行兩套水泵系統,另外熱交換器以及相應的閥門和控制系統也增加了初投資。
1. 3 封閉式冷卻塔
閉式系統(圖3) 與開式直接供冷系統的相似之處在于它也是用從冷卻塔供給的冷卻水直接進行供冷。不同的是它的冷卻水系統是封閉的,冷卻水未暴露在大氣或灰塵中,這樣解決了堵塞問題。但冷卻塔的出水溫度比開式冷卻塔高。在夏季正常運行時,降低了冷卻塔的效率,過渡季降低了冷卻塔供冷的節能效果,而且冷卻塔的盤管還需要另外的防凍保護。
1. 4 制冷劑的自然循環(圖4)
在夏季,此系統和傳統系統的運行是一樣的。在過渡季或冬季大氣溫度降低時,冷凝器和蒸發器之間的閥門被打開,允許制冷劑蒸汽進入冷凝器,同時液態制冷劑靠重力流到蒸發器,此時壓縮機不工作。由于熱交換受到制冷劑相變的限制,實際負荷能力往往低于25 % ,因此只能在一年中很少的時間內才能采用,滿負荷對于制冷劑遷移循環式冷卻塔是不可能的。
從上面的分析可以看出,這4 種方式各有優缺
點,在選擇時要綜合考慮正常運行和冷卻塔供冷運行兩種情況,根據地區氣候差異、建筑功能差異、初投資和運行費用來決定冷卻塔供冷形式。一般說來采用開式直接供冷和間接供冷的較多,因此筆者將重點分析這2 種形式。
2 供水溫度和切換溫度的選擇
2. 1 供水溫度的選擇
供水溫度的選擇需根據如下因素加以綜合考慮。
1) 潛在的冷量需求和可以允許的相對濕度的限制;
2) 過渡季或冬季顯熱負荷的大小;
3) 建筑物空調系統末端裝置的運行特性。
4) 在變風量系統中,由于冷凍水溫度上升所導致的風機能量的消耗與增加。
2. 2 切換溫度的選擇
切換溫度是指從常規的機械制冷切換到冷卻塔供冷時的大氣濕球溫度。切換溫度與供水溫度關系密切,供水溫度越高,其相應的切換溫度也越高,能利用冷卻塔供冷的時間就越長。供水溫度要求的限制決定了切換溫度。另外需要說明的一個定義是冷幅,也就是冷卻塔供水溫度與大氣濕球溫度的差值,切換溫度根據供水溫度與冷幅之差而得到。一些文獻中以及一些暖通設計人員將冷幅看作一定值,而且認為冷幅是按照夏季冷卻塔正常工作時的工況來確定,這樣的做法是不對的。
從冷卻塔工作原理可以看出,冷卻塔能將水溫降低的原因在于,水在蒸發過程中需要吸收熱量從而使沒有蒸發的水溫度降低,水溫降低的程度取決于蒸發水量,蒸發水量取決于空氣的飽和程度。當空氣的含濕量飽和后,沒有水的蒸發,只有空氣和水的顯熱交換就很難再降低水的溫度,供水溫度的極限是空氣濕球溫度,即冷幅為零時,當然這是理想情況,冷卻塔需要無限大。夏季空氣溫度高,空氣含濕量較高,因此冷幅較小,當濕球溫度為28 ℃時,一般的冷卻塔的冷幅為4 ℃,即供水溫度為32 ℃。但是當空氣溫度下降后,空氣的飽和含濕量會減小,水分的蒸發會減少,水溫的下降也會減少,冷幅會變大。對于上述的冷卻塔,當空氣濕球溫度為7 ℃時,冷幅增加到8 ℃,出水溫度為15 ℃,將無法滿足設計者設想的11 ℃供水溫度的要求。所以,在確定切換溫度時要考慮到冷幅變化影響。計算過程為:
1) 根據冷卻塔生產廠家的試驗數據,可以回歸得到冷幅Δ T 關于濕球溫度Ts 的方程Δ T = f ( Ts) ,按照一次函數或二次函數的形式就能滿足精度要求;
2) 根據供水溫度Tw = Ts +Δ T ,得到Tw =Ts + f ( Ts) ,求解此方程就能得到供水溫度Tw 時的切換溫度Ts。
如上海地區,冷卻塔的供水溫度設為13 ℃,對某品牌逆流強迫通風型冷卻塔上海冬季運行的試驗數據回歸,可得冷幅與濕球溫度的關聯式為ΔT= - 0. 19 Ts + 9. 33 。然后可得供水溫度與切換溫度的關系為Tw = 0. 81 Ts + 9. 33 。最后,將供水溫度13 ℃輸入上式,可計算出切換溫度為4. 5 ℃。
通過上述計算發現,如果供水溫度設為13 ℃,切換溫度是4. 5 ℃。對于間接供冷系統中,還需要
考慮板換的換熱溫差(一般為2 ℃) ,也就是設定水溫13 ℃時,冷卻塔的出水溫度只能有11 ℃,帶入上式計算可知切換濕球溫度為2 ℃,供冷時間減少。解決這個問題的方法有三個,一是盡可能的選擇較高的供水溫度。另一是改變冷卻塔設計標準,也就是說冷卻塔的設計將遵守過渡季節或冬季的標準,而不是夏季標準。如設計標準定濕球溫度為7 ℃時,冷卻塔的冷幅為4 ℃,這樣能增加過渡季的使用時間。但是這樣設計的冷卻塔對于夏季工況來說就會很大,冷卻水溫度太低,使得制冷機組的冷凝溫度太低,也不利于系統的穩定,并且成本也會大幅上升。第三種方法就是充分利用冷幅,在冷卻塔供冷時,將在夏季時作為備用的冷卻塔加以利用。
3 冷水溫度的控制
冷卻塔供冷系統運行時,采用供水溫度盡可能高,并能滿足需要的冷水供給系統,增加冷卻塔的供冷時間,為了實現最大程度的節能效果,就需要對冷水水溫進行控制。用三通閥控制冷卻盤管,并且反饋一個位置信號給控制系統。控制系統通過一個簡單的控制方式來定期檢查所有閥門是否全部開啟,如果所有閥門未全部開啟,冷水的設定溫度就能升高一個單位步長的調節溫度,如0. 25 ℃。一段時間后(具體時間由系統的反應時間來確定) 再次檢查閥門的開啟度,如果仍然沒有全部開啟,那么冷水溫度的設定值就再升高一個步長。相反,如果控制系統檢測到系統的所有閥門全部開啟,那么將設定溫度降低一個步長。
這種控制方法在制冷系統中經常使用,但對于冷卻塔供冷來說,就顯得尤為重要,因為能夠增加冷卻塔的供冷時間,從而使節能效果更加顯著。
4 水泵特性分析
對于間接供冷系統,在冷卻塔供冷和夏季正常工作時均為兩套水泵各自工作,水泵的工作特性沒有大的改變,因此對于按照夏季工況設計的水泵在過渡季供冷運行時將不會產生較大的問題。但對于直接供冷系統,則只采用一套水泵工作,通常情況下,由于蒸發回路的阻力要小于冷凝回路的阻力,并且冷凍水泵經常被用來作變流量供給,控制系統也很復雜,會出現冷卻塔的流量低于最小流量的情況。因此,選擇冷卻水泵而不是冷凍水泵作為直接供冷系統的水泵。由于阻力特性的差別,可能會出現下面幾種情況:
1) 冷卻水泵的額定流量大于系統要求,但其額定揚程比系統要求要低。冷卻水泵將會降低流量提高揚程,這種情況下只需檢查流量是否滿足冷卻塔的最低流量要求。
2) 冷卻水泵的額定流量小于系統要求,但其額定揚程比系統要求高。冷卻水泵將會降低揚程、增大流量。當流量變化較大時,必須檢查大流量時電機功率的增加是否在允許范圍之內,否則水泵將出現過載而燒毀,同時還要確定冷卻塔是否能承擔所增加的流量。
3) 冷卻水泵的額定揚程低于系統要求,流量與系統要求大體一致。這種情況下檢驗是否有用回路較多的冷凝器的可能性,來減少系統的阻力,并且還能提高制冷機的效率。如果無法改變,另外一種辦法是將冷卻水泵的出口和冷凍水泵進口相連接,串聯兩套水泵系統運行。
4) 冷卻水泵的額定揚程和流量都低于系統要求,此時可以考慮加裝多臺冷卻水泵或將備用水泵也投入運行,變化開啟臺數以適應冷卻塔供冷時系統揚程和流量的要求。
冷卻塔供冷系統設計中應該注意的問題
