冷却塔供冷系统应用及节能设计分析

0 引言

在20 世纪80 年代，美国采暖、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）就提出了“water-side freecooling”水侧免费供冷，即冷却塔供冷的概念。

随后美国和欧洲大批学者对冷却塔供冷开展了大量的研究，并投入到实际工程应用中。到了90年代，该项技术在美国及欧洲地区工程应用已经十分广泛。我国从90 年代初引入了冷却塔供冷的概念，其后针对这一技术从系统原理、模拟与预测分析、系统能耗分析以及工程应用等多方面开展了大量的研究。尤其在21 世纪的前十年中，这一技术更是取得了突飞猛进的进展，相关业界对冷却塔供冷技术的研究与应用已经有了相当成熟的理论和经验，工程实践也证明了冷却塔供冷系统的节能潜力。

我国能源消耗巨大。据最新统计，采暖和空调的能耗已经占建筑总能耗的55%，随着社会发展这一比例将逐年增长。为了实现空调系统的节能，冰蓄冷、水蓄冷、热电联产等新技术都得到了大量的应用。空调领域的能源问题解决一靠开源，二靠节流。冷季利用冷却塔冷却水冷源代替制冷机制冷的节能技术应广泛推广，其在空调系统改造工程中更具优势。在《采暖通风与空气调节设计规范》、《公共建筑节能设计标准》等国家标准中均明确规定：“宜在冷季充分利用冷却塔冷却功能进行制冷”。

由于冷却塔供冷系统中所涉及的关键技术大多移植自美国和欧洲，某些节能设计细节没有被很好的重视和再思考。以工程设计实践经验来看，许多设计者还存在诸多设计误区（我国目前规范和设计手册没有明确该系统的技术措施）。本文详细阐述了冷却塔供冷系统应用的原理及类型。在借鉴各文献及工程设计者的经验基础上，文章深入探讨了冷却塔供冷系统节能设计应该注意的问题。

1 冷却塔供冷原理及形式

1.1 冷却塔供冷原理

相对于常规空调系统，冷却塔供冷系统只适用于冷季。冷季，主要是指冬季，同时也包括春秋过渡季节一段时日。一般空调工程中，冷水机组的冷水供水温度不低于5℃，常为7℃。在冷季，当室外空气湿球温度达到一定条件时，经冷却塔的冷却水出水温度就可达空调末端冷水供水温度的要求。

所以冷却塔供冷系统就是指在原有常规空调水系统基础上增设部分管路和设备，当冷季室外空气湿球温度达到特定值时，关闭冷水机组，以流经冷却塔的循环，冷却水直接或间接向空调末端供冷，提供建筑空调所需要的冷负荷，从而达到节能的目的。冷却塔供冷被称为“免费供冷”只是相对概念。

在冷却塔产生低温冷却水供入空调末端时，冷却塔和水泵等部件仍继续工作消耗电能，但与冷水机组所消耗的电能相比要小得多，所以，可以相对地将冷却塔供冷视为免费供冷。

1.2 冷却塔供冷形式

目前，冷却塔供冷通常按冷却水是否直接进入空调末端设备分为直接供冷系统和间接供冷系统两种形式。不同系统又有不同的实现方式：直接供冷系统包括闭式冷却塔系统（如图1）、开式冷却塔加全过滤系统（如图2）和开式冷却塔加部分过滤系统（如图3），间接供冷系统包括板式换热器系统（如图4）、制冷剂旁通系统（如图5）。

1.2.1 闭式冷却塔直接供冷

闭式冷却塔是由冷却盘管、风机、水泵、喷嘴、挡水板等部件组成。目前市面上有盘管逆流式、盘管横流式、“管排+填料”式等多种闭式冷却塔。

闭式冷却塔最大特点是冷却水不直接与空气接触，而是在冷却盘管中流动，通过将水喷淋在冷却盘管表面，再由风机鼓风使盘管表面的水蒸发带走热量。闭式冷却塔直接供冷系统是指通过旁通管道将冷水环路和冷却水环路接通，从而使冷却塔制得的冷却水直接代替冷水送入空调末端设备系统（如图1）。此时冷却水系统和冷水系统合二为一形成低温水系统。利用闭式冷却塔供冷保证了水质，使得冷却水可直接进入空调末端而不存在水处理的问题。

但是与开式冷却塔相比，其冷却效率较低，出口水温度较高减少了冷却塔供冷的时间，因而降低了节能效果。而且由于采用盘管热交换方式，在冬季还需要采取一定的防冻措施。

1.2.2 全过滤直接供冷图

针对上述的闭式冷却塔的缺点，开式冷却塔也被应用到冷却塔直接供冷系统中，但这其中要涉及到水处理问题。对于开式冷却塔来说，由于进入空调末端的冷水在冷却塔内与室外空气直接接触，水质易被污染，容易造成管路的腐蚀和堵塞，所以应在冷却塔和管路之间设置过滤装置。全过滤系统将过滤器与冷却塔和冷却水泵串联（如图2），所有的冷却水都要经过过滤器，消除阀门和空调末端换热器堵塞的可能性，但是有些污物会留在滤料中，增加了水泵的扬程。

1.2.3 部分过滤直接供冷

部分过滤直接供冷系统要在冷却塔和冷却水泵之间旁通并联设置过滤器及小型循环水泵（如图3）。与全过滤直接供冷系统相比，部分过滤直接供冷系统只对大约相当于总冷却水流量5%～10%的水量不断进行过滤。其优点在于不需要有过多的滤料，可以在需要时回洗，且不增加系统的水泵扬程。图1、图2 及图3 所示均为冷却塔直接供冷模式，直接将冷却水系统与冷水系统串联，避免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，是一种最节能的直接供冷模式。

1.2.4 板式换热器间接供冷

冷却塔间接供冷与直接供冷的区别在于冷却水不直接进入空调末端。当冷却塔供冷系统运行时，由冷凝器、蒸发器和压缩机组成的冷水机组停止工作，三通换向阀动作使冷却水和冷水经管道流至板式换热器进行换热（如图4）。冷却水和冷水是两个独立的循环系统，两者之间只存在热量的交换，所以冷水系统不会受冷却水的水质的影响造成腐蚀和堵塞等现象。这种间接供冷形式存在换热损失，要达到同样室内供冷效果，其供水温度要比直接供冷系统低1～2℃，因此该系统的可利用时间比直接供冷系统的短。此外，增设的板式换热器和三通阀门等部件也增加了该系统的初投资。

1.2.5 制冷剂旁通间接供冷

在夏季，此系统和常规空调系统的运行是一样的，压缩机正常工作；在冷季，冷水机组的压缩机停止工作，冷凝器和蒸发器之间的旁通阀被打开（如图5）。当冷却塔出水温度低于冷水温度时，冷凝器内的制冷剂压力比蒸发器内压力低，这种压差使蒸发器内制冷剂蒸汽流向冷凝器，在冷凝器内液化，又借助重力流回蒸发器。只要蒸发器和冷凝器间存在适当的压差，制冷剂的流动以及随之而来的冷却塔供冷就能持续。然而该系统需要改变制冷剂环路，换热仅局限于制冷剂的相变，它所能提供的自然冷却量较小，通常不超过冷水机组制冷量的25%；并且此系统对环境温度的要求高，要求室外湿球温度不高于4.5℃（冷却塔出水温度不高于7℃）才可以实现换热。诸多局限影响了其使用范围，全年只有很短一段时间可以利用此系统。

2 冷却塔供冷系统节能设计中应注意的问题

2.1 冷却塔供冷形式的选择

某一建筑空调系统设计，要考虑建筑空调系统改造是否合适采用冷却塔供冷系统，设计者应该在综合考虑该建筑利用此系统后节能量的预估及初投资的预算后做出判断。从上述五种形式的描述分析可知，各种形式都有自己的优缺点，在设计选择时要综合考虑冷水机组供冷和冷却塔供冷两种运行情况，根据地区气候差异、建筑功能差异、初投资和运行费用来决定冷却塔供冷形式。

制冷剂旁通间接供冷系统有较大的局限性，工程上一般很少采用。其他四种形式工程上都有应用，但基于保障系统运行的可靠性考虑，以开式冷却塔加板式换热器供冷系统居多。开式冷却塔加过滤供冷系统和闭式冷却塔供冷系统都是直接式供冷，系统形式简单，没有中间换热过程，在相同室外气候条件下空调末端获得的冷水温度较间接式系统低。不过前者要注意水处理及泵的扬程校核等问题，后者要注意闭式冷却塔较低的冷却效率问题。另外，闭式冷却塔比开式冷却塔的价格昂贵的多。

2.2 冷却塔供冷使用时限分析

冷却塔供冷是利用大气冷源解决建筑在冷季时的供冷需求，其经济性主要体现在该系统能减少冷水机组运行时数上，而该系统的运行与当地的气候条件密切相关。设计者在确定采用冷却塔供冷系统之前，首先要根据当地的建筑热工设计分区的气候条件来确定该系统的可行性和经济性。因此，对冷却塔供冷系统使用时限进行分析是十分必要的，这也就意味着需要找出适当的系统转换控制点。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的供冷时数。关于冷却塔供冷模式转换条件，一些文献和设计人员常提出“当室外空气湿球温度或比焓低到某个给定值以下时，即关闭冷水机组，以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调系统供冷”。但这只能作为理论转换点来参考，实际的情况并非如此简单。冷却塔供冷模式是否启动，需要根据室外气象条件、室内状态要求、室内冷负荷的实际大小、冷却塔与空调末端设备的供冷能力以及空调系统中对新风的处理方式等因素综合分析，同时需要在运行中不断摸索停开冷水机组、使用冷却塔供冷的转换条件。

在实际室内冷负荷小于设计值或者室内温度实际参数在人体舒适性所能允许的最高时限内时，会让冷却塔供冷系统的实际使用时限有所延长。文献对我国7 个典型城市冷却塔供冷系统和常规空调系统运行能耗进行了模拟分析比较，提出“对于舒适性空调，应将供冷温度定在人们舒适性所能允许的最高温度，越高越好。例如，供冷温度定在13℃比定在10℃节能率要高得多”。这是由于供冷温度定在13℃，冷却塔供冷运行时间比10℃有所延长所致。

文献的研究结论显示：需要全年供冷的建筑在冷季采用冷却塔供冷对我国多数地区是可行的，其中，有2/3 的城市冷却塔供冷运行时间可达约5个月，4/9 的城市可长达约7 个月。这说明冷却塔供冷系统在我国空调系统中的节能潜力很大。

2.3 冷却塔的选择及布置

冷却塔是冷却塔供冷系统的关键设备，应根据供冷的具体形式，合理选择冷却塔。总结设计者的经验，特给出以下建议：

（1）重视冷却塔热工特性的分析计算，全面收集冷却塔技术资料，最好是所选冷却塔制造厂商提供的直接测试数据。尽量选择具有权威认证（如CTI 认证）的冷却塔产品，确保有效可靠的性能和技术保障。提倡采用冷效高、噪声低、飘水率少的省电型冷却塔。配水要均匀，减少壁流和防止堵塞。收水措施要有效，减少水滴损失。一般来说，圆形冷却塔的气流组织比方形好，逆流式冷却塔的冷却效率相对横流式冷却塔要高。

（2）在空气湿球温度较低的干燥地区，据设计计算适当提高冷却水进出水温差，以减少循环水量和循环水泵的能耗，减小管道的管径。冷却塔的设置高度尽量靠近冷水机组或板式换热器，以减少管道的水头损失，达到节能的目的。

（3）冷却塔的安装位置应选择在通风良好、湿热空气回流影响小、最小频率风向上风侧的建筑物顶部，不宜布置在热源、废气和烟气排放口附近，也不宜布置在高大建筑物中间的狭长地带。如果冷却塔必须设置在地下或用遮挡物遮挡，设计单位应配合生产厂家进行冷却塔气流组织的计算，避免热空气的回流，确保有足够的进风面积，以便生产出能将高温气流送至远离冷却塔进风口的塔型。

（4）有多台冷却塔的供冷系统，要注意冷却塔之间的布置。宜单排布置，保证冷却塔之间的距离使其有良好的气流组织条件，避免影响冷却塔的散热效果。如需多排布置，塔排的间距应保证塔排的同时进风量。

（5）单侧进风塔的进风面宜面向夏季主导风向，双侧进风塔的进风面宜平行夏季主导风向。冷却塔进风侧离建筑物的距离宜大于塔进风高度的2倍。冷却塔的四周除满足通风要求和管道安装位置外，还应留有检修通道，通道净距不宜小于1 米。

（6）对需要加大特定室外湿球温度和建筑负荷下冷却塔冷幅时，也可采用串联冷却塔的方式来增加冷却效果（如图6），以提高冷却塔供冷模式的室外转换温度，从而增加供冷时数。

2.4 水泵的特性及其与系统匹配校核

对于间接供冷系统，在冷却塔供冷和冷水机组供冷时均为两套水泵各自工作，水泵的工作特性没有大的改变，但由于冷凝器和换热器一次侧，蒸发器和换热器二次侧的阻力、流量均可能不同，因此，对冷却泵和冷水泵进行校核也是十分必要的。

对于直接供冷系统，则只采用一套水泵工作，通常情况下，由于蒸发器回路的阻力要小于冷凝器回路的阻力，并且冷水泵经常被用来作为变流量供给，控制系统很复杂，会出现冷却塔的流量低于最小流量的情况。因此，选择冷却水泵而不是冷水泵作为直接供冷系统的循环水泵。

直接供冷时整个空调水系统管路发生较大变化，故水泵性能匹配校核工作十分复杂。文献根据阻力特性的差别，特总结出可能会出现的四种情况。第一，冷却水泵的额定流量大于系统要求，但其额定扬程比系统要求低。冷却水泵将会降低流量提高扬程，这种情况下只需检查流量是否满足冷却塔的最低流量要求。第二，冷却塔的额定流量小于系统要求，但其额定扬程比系统要求高。冷却水泵将会降低扬程增大流量。当流量变化较大时，必须检查大流量时电机功率的增加是否在允许范围之内，否则水泵将出现过载而烧毁，同时还要确定冷却塔是否能承担所增加的流量。第三，冷却水泵的额定扬程低于系统要求，流量与系统要求大体一致。这种情况下检查是否有用回路较多的冷凝器的可能性，来减少系统的阻力，并且还能提高制冷机的效率。如果无法改变，另外一种办法是将冷却水泵的出口和冷水泵的进口相连接，串联两套水泵系统运行。第四，冷却水泵的额定扬程和流量都低于系统要求，此时可以考虑加装多台冷却水泵或备用水泵也投入运行，变化开启台数以适应冷却塔供冷时系统扬程和流量的要求。

2.5 其他应注意的问题

（1）间接供冷系统中，换热器应选具有高效换热能力的板式换热器。在冷却塔水泵的设置上，需要考虑转换供冷模式下对循环冷却水泵扬程的复核。特别是在直接供冷系统中，冷却塔供冷时的循环冷却水泵，需要考虑冷水泵是否串联运行。直接供冷系统的设计中还应重视循环冷却水的除菌过滤，以防阻塞空调末端盘管。针对不同的循环冷却水水质，采用不同的专门水处理设备。常用的有化学（杀菌、水质稳定等）、物理（过滤、电子除垢器、静电除垢器、磁水器等）等方法。由于冷却塔供冷主要在冷季运行，对循环冷却水系统的室外设置必需采取必要的防冻设施，如设置旁管、增设加热器、管道保温（电伴热）等，冷却塔要考虑防冻除雪功能。

（2）在冷却塔供冷系统中，采用了三通阀来实现系统管路中水流方向的转换。三通阀有三通合流阀和三通分流阀。三通阀是控制阀的一种，可有效地控制水流的方向和进行流量的分配。管路系统中设置三通阀后，减少了阀门的数量，节省了安装空间，特别是增加了管道水流方向控制的灵活性。

在系统安装时，需要注意三通阀的方向性。

（3）确定适宜的技术措施保障供冷系统在冷夏季过渡时，冷水机组供冷和冷却塔供冷两种运行工况间的平稳转换，为此应配置适宜的阀门、仪表和可靠的自控系统。在冷季，随室外气温下降室外空气环境供冷能力增加，空调末端冷水供水温度下降，为使冷水系统热力工况维持稳定状态，冷却塔供冷量必须通过自控系统进行可靠适时的调节，调节手段包括换热器一次侧水量调节，冷却塔通风量调节等。

（4）冷却塔供冷系统在既有空调系统改造工程中优势突出，但不能盲目。改造时应注意系统所处的气候条件，全年冷季时间不长的地区建议不采用。相对湿度较小地区，可获得较大冷源水温降，其节能效果显著。改造时，应参考原始施工图纸和设计图纸；还要与原系统中制冷设备厂家售后人员联系协助改造，以免造成不必要的损失。

3 结语

冷却塔供冷系统作为一项节能空调系统已被广泛应用，取得了应用的节能降耗效果。目前，更多学者已将研究方向转向了如何将该技术与其他新型的暖通空调技术相结合，从而达到更好的节能效果及更理想的舒适性和工艺性效果。例如冷却塔供冷与辐射顶板末端相结合技术受到研究者的青睐。在面临能源资源严重短缺的今天，我国应该加大力度研究这一既节能又环保的技术，深入挖掘其可开发利用的节能潜力，并予以大力推广。相关部门应该尽早出台相关技术规范或措施，引导该技术在工程应用时更加科学化，更加规范化。

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