程控机房闭式冷却塔供冷节能技术研究——学位论文

硕 士 学 位 论 文程 控 机 房 闭 式 冷 却 塔 供 冷节 能 技 术 研 究STUDY ON THE TECHNOLEGY OFENERGY SAVING BY CLOSEDCOOLING TOWER TO COOL SPCEXCHANGER ROOM李 志 统哈 尔 滨 工 业 大 学2008 年 6 月国 内 图 书 分 类 号 ： TU831.6国 际 图 书 分 类 号 ： 697工 学 硕 士 学 位 论 文程 控 机 房 闭 式 冷 却 塔 供 冷节 能 技 术 研 究硕 士 研 究 生 ： 李 志 统导申 请师 ： 张 吉 礼学 位 ： 工 学 硕 士教 授学 科 、 专 业 ： 供 热 、 供 燃 气 、 通 风 及 空 调 工 程所 在 单 位 ： 市 政 环 境 工 程 学 院答 辩 日 期 ： 2008 年 6 月授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index: TU831.6U.D.C.: 697Dissertation for the Master Degree of EngineeringSTUDY ON THE TECHNOLEGY OFENERGY SAVING BY CLOSED COOLTOWER TO COOLING SPCEXCHANGER ROOMCandidate:Supervisor:Academic Degree Applied for:Specialty:Affiliation:Date of Defence:Degree-Conferring-Institution:Li ZhitongProf. Zhang JiliMaster of EngineeringHeating, Gas Supplying, Ventilatingclosed cooling tower; energy saving; airconditioning energy conservation哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文符号表A面 积 ；G流 量 ；P压 力 ；K传 热 系 数 ；Q热 量 ；N必 要 管 排 数 ；W填 料 宽 度 或 热 容 ；H水 泵 扬 程 ；D盘 管 管 径 ；P间 距 ；B冷 却 塔 的 宽 度 ；C比 热 ；V流 速 ；U总 传 热 系 数 ；L长 度 ；T温 度 ；E能 耗 ；Re雷 诺 数 ；E节 电 量 ；Pr普 朗 特 数 ；Nu努 谢 尔 特 数 ；Eu欧 拉 数 ；d含 湿 量 ；r污 垢 热 阻 ；v风 速 ；t时 间 ；u流 速 ； 管 材 的 导 热 系 数 ； 比 例 ；h焓 值 ； 动 力 粘 性 系 数 ；m微 元 质 量 流 量 ； 运 动 粘 度 系 数 ； 厚 度 ；t 对 数 平 均 温 差 ； 单 位 宽 度 喷 淋 水 量 ；b间 距 ；c汽 化 潜 热 ；k换 热 系 数 ；密 度 ；n每 排 管 管 数 ；l长 度 ；a单 位 容 积 的 传 热 面 积 ；符 号 表下角标a空 气 ；c冷 却 介 质 ；i内 部 ；s喷 淋 水 ；w水 或 溶 液 ；f流 体 ；mass物 质 ；2出 口 。o外 部 ；e蒸 发 ；sn显 热 ；l潜 热 ；m对 数 平 均 ；b管 外 水 膜 ；1进 口 ；哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文目 录摘 要 . IAbstract II符 号 表 IV第 1 章 绪 论 11.1 课 题 背 景 及 研 究 意 义 . 11.2 国 内 外 研 究 现 状 与 分 析 . 31.2.1 程 控 机 房 的 空 调 设 计 要 求 . 31.2.2 闭 式 冷 却 塔 供 冷 技 术 发 展 概 况 . 51.2.3 程 控 机 房 利 用 自 然 冷 源 供 冷 技 术 发 展 概 况 . 71.2.4 本 文 的 主 要 研 究 内 容 7第 2 章 现 有 程 控 机 房 空 调 系 统 能 耗 分 析 . 92.1 建 筑 环 境 能 耗 模 拟 . 92.1.1 DeST 简 介 92.1.2 DeST 软 件 结 构 102.2 指 定 程 控 机 房 的 全 年 能 耗 模 拟 132.2.1 指 定 程 控 机 房 模 型 建 立 132.2.2 DeST 能 耗 模 拟 相 关 参 数 的 设 置 152.2.3 模 拟 结 果 及 其 分 析 162.3 现 有 程 控 机 房 空 调 系 统 能 耗 分 析 172.3.1 机 房 空 调 系 统 设 备 状 况 182.3.2 机 房 空 调 系 统 全 年 运 行 能 耗 计 算 . 182.4 本 章 小 结 .第 3 章 闭 式 冷 却 塔 数 学 模 型 及 设 计 计 算 .3.1 闭 式 冷 却 塔 供 冷 技 术 的 可 行 性 分 析 3.2 闭 式 冷 却 塔 供 冷 技 术 原 理 .3.3 闭 式 冷 却 塔 的 数 学 模 型 .3.3.1 热 平 衡 方 程 3.3.2 喷 淋 水 温 度 变 化 3.3.3 传 热 传 质 系 数 的 确 定 3.4 闭 式 冷 却 塔 供 冷 空 调 改 造 系 统 设 计 192020212223272731目 录3.4.1 闭 式 冷 却 塔 供 冷 改 造 系 统 的 特 点 .3.4.2 系 统 主 要 参 数 的 设 计 3.4.3 系 统 主 要 设 备 的 设 计 计 算 .3.5 本 章 小 结 .第 4 章 改 造 系 统 运 行 控 制 方 法 及 冬 季 防 冻 .4.1 改 造 系 统 运 行 控 制 方 案 .4.2 变 频 调 速 PID 闭 环 控 制 .4.3 闭 式 冷 却 塔 系 统 冬 季 运 行 的 防 冻 4.3.1 闭 式 冷 却 塔 结 冰 的 部 位 及 原 因 .4.3.2 防 止 闭 式 冷 却 塔 结 冰 的 措 施 .4.4 本 章 小 结 .第 5 章 改 造 系 统 技 术 经 济 分 析 及 推 广 应 用 .5.1 改 造 系 统 的 投 资 与 运 行 能 耗 分 析 5.1.1 系 统 改 造 设 备 总 投 资 5.1.2 闭 式 冷 却 塔 系 统 能 耗 计 算 .5.1.3 改 造 前 后 系 统 运 行 能 耗 对 比 .5.1.4 投 资 回 收 期 5.1.5 闭 式 冷 却 塔 系 统 在 黑 龙 江 省 应 用 的 节 能 效 益 .5.1.6 闭 式 冷 却 塔 系 统 与 新 风 供 冷 空 调 方 式 的 对 比 .5.1.7 闭 式 冷 却 塔 系 统 与 淋 水 式 空 冷 器 冷 却 塔 供 冷 空 调 方 式 的 对 比 5.2 程 控 机 房 闭 式 冷 却 塔 供 冷 改 造 方 案 的 推 广 应 用 5.2.1 闭 式 冷 却 塔 供 冷 地 域 划 分 指 标 体 系 .5.2.2 各 地 区 程 控 机 房 闭 式 冷 却 塔 供 冷 系 统 能 耗 分 析 .5.2.3 闭 式 冷 却 塔 供 冷 系 统 在 全 国 范 围 应 用 的 节 能 效 益 .5.3 本 章 小 结 .结 论 .参 考 文 献 哈 尔 滨 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 原 创 性 声 明 .致 谢 . 117H3232354445454647474849515151525353545455555661646567697374第 1 章 绪 论第 1 章 绪 论1.1 课 题 背 景 及 研 究 意 义由 于 我 国 经 济 、 社 会 的 持 续 不 断 发 展 ， 建 筑 和 交 通 领 域 成 为 能 源 消 耗 中最 大 的 两 个 领 域 ， 到 2020 年 ， 我 国 的 一 次 能 源 需 求 将 达 到 25 亿 到 33 亿 吨标 准 煤 1， 建 筑 和 交 通 领 域 的 能 耗 将 由 目 前 占 能 耗 总 量 的 35 上 升 到 75 ， 其 中 ， 建 筑 领 域 的 能 耗 将 达 到 46.7 2， 如 果 不 能 合 理 利 用 能 源 ， 能 源会 称 为 经 济 发 展 的 瓶 颈 3。在 经 济 社 会 方 面 ， 我 国 具 有 典 型 的 二 元 经 济 特 征 4， 加 快 人 口 城 市 化 进程 ， 使 农 民 通 过 向 城 市 转 移 并 最 终 实 现 市 民 化 是 解 决 三 农 问 题 、 促 进 经 济 快速 增 长 的 最 有 效 途 径 5。 这 就 意 味 着 在 我 国 快 速 的 城 市 化 进 程 不 可 避 免 。 国内 有 学 者 对 中 国 未 来 城 市 化 水 平 提 出 了 预 测 6。 杜 鹰 7（ 2001） 预 计 到 2010年 中 国 城 市 化 率 为 45 47 ， 2020 年 为 53 57 ， 2030 年 为 61 65 。 如 此 快 的 城 市 化 速 度 以 及 如 此 大 的 规 模 ， 都 对 中 国 的 房 屋 建 筑 提 出 了巨 大 挑 战 。近 几 年 ， 我 国 每 年 新 建 成 的 房 屋 达 16 亿 20 亿 平 方 米 8， 目 前 全 国 城乡 房 屋 建 筑 面 积 已 经 达 到 了 388 亿 平 方 米 ， 其 中 城 市 131.8 亿 平 方 米 ， 仅 目前 ， 如 此 巨 大 的 建 筑 规 模 ， 在 世 界 上 就 已 经 是 空 前 的 了 ， 更 不 用 说 将 来 。 但是 在 全 面 建 设 小 康 社 会 目 标 的 指 引 下 ， 建 筑 业 仍 将 快 速 发 展 ， 预 计 到 2020年 ， 全 国 房 屋 建 筑 面 积 将 达 686 亿 平 方 米 ， 其 中 城 市 为 261 亿 平 方 米 。实 际 上 ， 我 国 建 筑 领 域 的 能 耗 远 没 有 达 到 顶 峰 ， 这 是 因 为 ， 我 们 居 住 的舒 适 度 远 远 没 有 达 到 健 康 的 需 求 ， 随 着 居 住 环 境 要 求 的 不 断 提 高 ， 能 源 消 耗问 题 还 会 进 一 步 凸 显 出 来 。 按 目 前 的 能 耗 水 平 发 展 ， 到 2020 年 ， 我 国 建 筑能 耗 将 达 到 10.89 亿 吨 标 准 煤 ， 空 调 高 峰 负 荷 将 相 当 于 10 个 三 峡 电 站 满 负荷 出 力 ， 所 以 问 题 非 常 严 重 ， 节 能 万 分 紧 迫 。 我 国 的 建 筑 能 耗 让 人 忧 心 ， 单位 建 筑 面 积 采 暖 能 耗 是 发 达 国 家 建 筑 的 3 倍 以 上 ， 随 着 近 年 建 筑 功 能 的 提升 ， 更 是 加 剧 了 能 源 消 耗 ， 我 国 一 年 新 增 的 空 调 达 1600 万 台 ， 耗 电 量 相 当于 一 个 三 峡 电 站 ， 我 国 建 筑 能 耗 量 现 以 占 全 国 能 源 总 耗 量 的 27.47 ， 成 为全 社 会 能 源 消 耗 中 的 大 户 9。随 着 我 国 社 会 经 济 的 发 展 ， 人 们 生 活 水 平 的 提 高 ， 通 信 产 品 的 需 求 是 越-1-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文来 越 大 。 根 据 国 家 信 息 产 业 部 公 布 的 信 息 ， 早 在 2002 年 ， 中 国 电 信 业 就 实现 了 向 世 界 第 一 大 网 的 跨 越 ， 电 话 用 户 总 数 跃 居 世 界 第 一 位 ， 达 4.21 亿户 ； 互 联 网 上 网 人 数 跃 居 世 界 第 二 位 ， 达 5000 多 万 户 10。 而 在 2005 年 9月 底 发 布 的 信 息 显 示 ， 中 国 电 话 用 户 总 数 7.1 亿 户 ， 移 动 电 话 3.7 亿 户 ， 普及 率 28 部 /百 人 ， 首 次 超 过 了 世 界 平 均 水 平 ， 固 定 电 话 3.4 亿 户 ， 普 及 率 26部 /百 人 ， 互 联 网 上 网 用 户 总 数 1.03 亿 户 ， 境 内 网 站 数 量 超 过 67 万 个 。 截止 2004 年 底 ， 中 国 电 信 业 局 用 交 换 机 容 量 42102 万 门 ， 移 动 交 换 机 容 量39747 万 门 11。中 国 目 前 城 市 化 进 程 加 快 ， 我 国 城 市 化 以 每 年 1.3 个 百 分 点 的 速 度 增长 着 ， 这 意 味 着 每 年 新 增 至 少 2000 万 的 城 镇 人 口 ， 由 此 可 以 看 出 电 信 产 业的 增 长 的 潜 力 。与 电 信 业 发 展 速 度 相 适 应 ， 我 国 交 换 机 需 求 的 增 长 也 非 常 快 。 随 着 半导 体 器 件 和 计 算 机 技 术 的 诞 生 与 迅 速 发 展 ， 交 换 机 结 构 逐 渐 走 向 电 子 化 ， 发展 到 目 前 普 遍 使 用 的 程 控 交 换 机 ， 即 存 储 程 序 控 制 交 换 机 。 放 置 程 控 交 换 机的 专 门 建 筑 称 为 程 控 机 房 。程 控 机 房 是 通 讯 系 统 的 心 脏 ， 就 是 通 过 机 房 的 设 备 来 为 大 家 服 务 的 ，通 信 质 量 的 好 坏 ， 工 作 稳 定 性 ， 和 机 房 专 用 空 调 有 着 密 切 的 关 系 。 由 于 通 讯设 备 由 大 量 电 子 元 、 器 件 组 成 ， 而 这 些 元 、 器 件 对 环 境 温 湿 度 要 求 很 严 格 ，因 而 ， 程 控 机 房 对 机 房 空 调 的 要 求 也 是 非 常 高 12 。 一 般 要 求 室 内 温 度 为20 26 ， 精 度 为 2 ， 夏 季 242 ， 冬 季 202 ； 相 对 湿 度 为50%10%； 洁 净 要 求 为 空 气 中 的 含 尘 量 50g/ m3， 送 风 温 度 不 低 于 露 点 温度 。 其 室 内 温 湿 度 和 洁 净 度 的 等 环 境 参 数 对 程 控 机 房 来 说 意 义 重 大 ， 因 此 ，程 控 机 房 空 调 的 运 行 管 理 是 通 信 系 统 的 重 点 工 作 之 一 1315。根 据 资 料 ， 每 万 门 程 控 交 换 机 （ 存 储 程 序 控 制 的 电 子 交 换 机 16） 的 耗电 量 为 40 50kW ， 按 照 一 般 机 房 的 排 列 ， 机 房 的 发 热 量 约 为 0.1670.22kW/m2， 发 热 强 度 是 纵 横 制 交 换 机 （ 传 统 机 电 式 ） 房 的 3.5 3.8 倍 。 程控 机 房 的 耗 电 量 与 其 话 务 量 的 关 系 不 大 ， 因 此 ， 程 控 交 换 设 备 在 一 天 24 小时 中 的 发 热 量 都 很 大 ， 白 天 夜 晚 的 空 调 负 荷 变 化 不 大 。 程 控 设 备 的 发 热 量 为240 358W/m2， 即 使 在 北 方 地 区 ， 也 远 远 高 于 建 筑 供 暖 负 荷 。 所 以 ， 程 控机 房 在 冬 季 仍 需 制 冷 17。资 料 显 示 ， 目 前 程 控 机 房 空 调 多 采 用 电 制 冷 专 用 空 调 ， 这 种 电 制 冷 专 用空 调 在 运 行 的 过 程 中 需 要 消 耗 大 量 的 电 能 。 因 此 ， 在 全 国 电 力 紧 张 ， 能 源 相对 紧 缺 的 情 况 下 ， 针 对 寒 冷 地 区 气 候 特 征 ， 程 控 机 房 空 调 要 求 以 及 电 信 部 门-2-第 1 章 绪 论降 低 运 行 成 本 的 需 求 ， 研 究 利 用 自 然 冷 源 冷 却 程 控 机 房 具 有 广 阔 的 应 用 前 景和 巨 大 的 节 能 空 间 。程 控 机 房 利 用 闭 式 冷 却 塔 供 冷 节 能 技 术 具 有 以 下 优 点 ：(1) 在 部 分 地 区 ， 闭 式 冷 却 塔 利 用 室 外 的 自 然 冷 量 ， 可 以 部 分 或 全 部 的负 担 机 房 专 用 空 调 的 负 荷 ， 降 低 机 房 专 用 空 调 对 电 能 的 消 耗 ， 节 能 效 果 显著 。(2) 间 接 的 利 用 室 外 冷 量 ， 能 有 效 避 免 在 换 热 过 程 中 出 现 结 露 现 象 ， 严格 控 制 住 对 机 房 加 湿 的 成 本 。(3) 系 统 采 用 闭 式 循 环 的 模 式 ， 避 免 大 量 的 水 在 机 房 出 现 ， 能 严 格 控 制住 空 调 系 统 对 机 房 的 安 全 问 题 。(4) 闭 式 冷 却 塔 节 能 技 术 的 运 行 成 本 比 机 房 专 用 空 调 要 低 很 多 ， 能 产 生巨 大 的 经 济 效 益 。综 上 所 述 ， 在 中 国 大 部 分 地 区 的 春 秋 季 和 冬 季 ， 充 分 利 用 闭 式 冷 却 塔 供冷 节 能 技 术 ， 具 有 显 著 的 节 能 效 果 ， 很 高 的 安 全 性 ， 对 降 低 程 控 机 房 的 能耗 ， 促 进 社 会 的 可 持 续 性 发 展 具 有 重 大 的 意 义 。1.2 国 内 外 研 究 现 状 与 分 析1.2.1 程 控 机 房 的 空 调 设 计 要 求程 控 交 换 机 有 着 复 杂 的 电 子 元 、 器 件 ， 由 于 这 些 电 子 元 器 件 的 特 性 ， 对程 控 机 房 环 境 有 着 严 格 的 ， 全 方 位 的 要 求 ， 其 中 温 度 、 湿 度 以 及 洁 净 度 作 为主 要 的 指 标 。对 于 电 子 设 备 来 说 ， 温 度 超 过 要 求 的 范 围 会 降 低 其 性 能 及 绝 缘 性 能 ， 缩短 使 用 寿 命 ； 温 度 低 于 要 求 则 会 改 变 电 容 ， 电 感 的 参 数 ， 影 响 电 子 设 备 工 作的 稳 定 性 。湿 度 的 要 求 对 于 电 子 设 备 和 温 度 同 样 重 要 ， 湿 度 超 过 要 求 的 范 围 会 腐 蚀金 属 材 料 ， 降 低 绝 缘 材 料 的 绝 缘 性 ； 低 于 要 求 则 容 易 产 生 静 电 ， 使 电 子 设 备出 现 随 机 故 障 ， 甚 至 击 穿 毁 坏 某 些 元 器 件 。 尤 其 在 干 燥 的 地 区 ， 更 容 易 发 生事 故 。 而 程 控 机 房 里 面 所 放 置 的 都 是 电 子 设 备 ， 所 以 湿 度 对 程 控 机 房 来 说 ，其 重 要 性 不 言 而 喻 。电 子 设 备 对 空 气 的 洁 净 度 有 着 很 高 的 要 求 ， 空 气 中 漂 浮 的 尘 埃 以 及 一 些-3-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文腐 蚀 性 气 体 一 旦 停 留 到 电 子 元 器 件 上 ， 很 容 易 引 起 其 接 触 不 良 ， 会 严 重 损 坏电 子 元 器 件 的 寿 命 。在 程 控 机 房 的 空 调 设 计 中 ， 一 般 要 求 温 度 控 制 精 度 为 2 ； 相 对 湿 度控 制 精 度 为 10%；洁 净 度 控 制 精 度 为 空 气 中 含 尘 量 50 g/m3， 目 前 国 内 对程 控 交 换 机 房 的 设 计 标 准 如 表 1-1、表 1-2 所 示 。表 1-1 程 控 电 话 局 机 房 温 湿 度 设 计 标 准Table 1-1 Design standard of temperature and humidity for DSE room温 度 范 围 （ ） 相 对 湿 度 范 围 温 度 采 用 值 湿 度 采 用 值机房名程 控 交 换 机 室控制室建 议范 围18281828允 许范 围10351035（ %） （ ） （ %）建 议 允 许 夏 季 冬 季 夏 季 冬 季范 围 范 围3075 1090 24 24 55 553075 1090 24 24 55 55注 :表 中 温 湿 度 采 用 值 室 值 S-150 型 程 控 交 换 机 房 而 言 ;2.允 许 范 围 是 指 连 续 不 超 过48h， 每 年 累 计 不 超 过 15d 的 范 围 ;3.表 中 所 列 的 温 湿 度 值 是 指 在 地 板 上 2m,交 换 机 前 高0.4m 处 的 测 量 值 。表 1-2 程 控 交 换 机 房 尘 埃 要 求Table 1-2 Requirements about degree of cleanness of DSE room参 数 数 值尘 埃 颗 粒 的 最 大 直 径 ( m) 0.5 1.0 3.0 5.0尘 埃 颗 粒 的 最 大 密 度 (粒 子 数 /m3) 1.4107 7105 2.4105 1.3105部 分 程 控 交 换 机 对 机 房 环 境 温 湿 度 和 洁 净 度 的 要 求 如 表 1-3 所 示 。表 1-3 部 分 程 控 交 换 机 对 机 房 温 湿 度 的 要 求Table 1-3 Requirements about temperature and humidity of DSE建议范围 允许范围 备 注生产厂家贝 尔 公 司（ 比 利 时 ）NEC 电 气 公 司（日本）型10-CD-10号 温 度()20 301830湿 度(%)50 705065温度()15 451040湿 度(%)40 703080处理机-4-第 1 章 绪 论LM 爱 立 信 公 司（瑞典）北电公司（加拿大）日立公司（日本 ）CIT 公 司（法国）松下公司（日本 ）AXE-10DMS-100HDX-10E10BKX-TD510CN1525103018301530182440652055506030704580530548545变 化 率5/h040208020802085变 化 率10%/h2080交换机交换机1.2.2 闭 式 冷 却 塔 供 冷 技 术 发 展 概 况闭 式 冷 却 塔 的 应 用 技 术 开 始 于 20 世 纪 中 期 ， 随 着 化 工 、 冶 金 、 电 子 工业 的 发 展 ， 相 应 发 展 出 闭 式 冷 却 塔 应 用 技 术 ， 也 叫 蒸 发 式 冷 却 技 术 。 尤 其 是80 年 代 以 来 ， 发 现 空 调 制 冷 剂 对 人 类 生 存 构 成 的 巨 大 危 害 后 ， 利 用 自 然 冷源 取 冷 的 蒸 发 式 冷 却 技 术 得 到 了 迅 速 发 展 。 美 国 ASHRAE 为 此 成 立 了 名 为“蒸 发 冷 却 ”的 技 术 委 员 会 ， 还 制 定 了 一 个 新 的 标 准 额 定 间 接 蒸 发 冷 却 器的 试 验 方 法 18。随 着 对 环 保 和 节 能 工 作 的 重 视 ， 以 及 电 子 、 食 品 、 化 工 、 建 筑 等 行 业 的发 展 ， 市 场 对 开 式 冷 却 器 /闭 式 冷 却 塔 的 需 求 量 也 随 之 增 长 ， 面 对 广 阔 的 市场 需 要 ， 据 统 计 ， 国 内 生 产 企 业 已 达 3500 家 以 上 19， 市 场 规 模 也 达 到 十 几个亿。1802 年 ， 道 尔 顿 在 综 合 考 虑 空 气 温 度 、 湿 度 、 温 度 对 水 蒸 发 的 影 响下 ， 提 出 了 道 尔 顿 定 律 。 由 于 表 面 蒸 发 换 热 过 程 中 设 计 多 相 流 ， 包 含 传 热 和传 质 ， 传 热 机 理 比 较 复 杂 。1927 年 ， Merkel 最 先 提 出 蒸 发 式 换 热 器 的 传 热 理 论 ， 并 成 为 相 关 研 究的 理 论 基 础 。 在 Merkel 的 理 论 中 ， 忽 略 水 的 蒸 发 损 失 ， 将 焓 差 作 为 空 气 与水 膜 的 换 热 驱 动 力 ， 并 认 为 饱 和 边 界 层 热 值 交 换 的 Lewis 数 相 等 20。1962 年 ， Parker 和 Treyball21研 究 了 蒸 发 冷 却 器 的 管 内 介 质 传 热 、 传 质机 理 ， 通 过 对 关 内 外 流 体 不 同 的 组 合 试 验 ， 得 到 了 传 热 系 数 的 关 联 式 ， 建 立完 整 的 数 学 模 型 。 这 个 模 型 基 于 如 下 假 设 ： 忽 略 蒸 发 到 空 气 中 的 水 量 ； 在 常温 下 把 饱 和 空 气 的 焓 看 做 温 度 的 线 性 函 数 。1967 年 ， Mizushina et al 对 3 种 常 用 的 闭 式 冷 却 器 管 径 进 行 一 系 列 测试 ， 其 管 径 为 12.7， 19.05 和 40mm， 得 出 结 论 ： 传 质 系 数 可 以 由 空 气 雷 诺-5-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文数 和 喷 淋 水 雷 诺 数 构 成 的 方 程 表 示 22。1968 年 ， Mizushina et al 将 闭 式 冷 却 塔 内 喷 淋 水 温 度 作 为 变 量 考 虑 ， 并设 定 闭 式 冷 却 塔 的 设 计 极 限 23。1967 年 和 1969 年 期 间 ， Niitsu et al 对 一 系 列 普 通 光 管 和 翅 片 管 进 行 测试 ， 得 出 光 管 的 管 外 传 热 系 数 方 程 2426。1984 年 ， Finlay 和 Harris 给 出 一 个 只 有 空 气 流 量 作 为 变 量 的 管 外 换 热系 数 公 式 ， 排 除 紊 流 情 况 ， 估 计 结 果 在 30%的 误 差 范 围 内 27。1995 年 ， Koschenz 建 立 了 作 为 吊 顶 冷 却 的 闭 式 冷 却 塔 模 型 ， 他 做 了 两个 假 设 ： 第 一 ， 塔 内 喷 淋 水 温 度 不 变 ； 第 二 ， 喷 淋 水 温 度 等 于 冷 却 塔 出 水 温度 。 但 实 际 上 ， 喷 淋 水 温 度 是 变 化 的 28。1997 年 ， Zalewski 和 Gryglaszewski29给 出 一 个 闭 式 冷 却 塔 传 热 传 质 的数 学 分 析 模 型 ， 应 用 传 热 和 传 质 的 相 似 性 推 出 流 体 流 过 管 束 时 传 质 系 数 与 传热 系 数 的 关 系 。20 世 纪 80 年 代 以 来 ， 随 着 计 算 机 应 用 技 术 的 高 速 发 展 和 蒸 发 式 冷 却 器的 需 求 的 增 加 ， 对 蒸 发 式 冷 却 理 论 与 模 拟 的 研 究 也 有 了 很 大 的 发 展 。Webb30较 早 推 出 统 一 的 冷 却 塔 、 蒸 发 式 冷 凝 器 的 理 论 模 型 。 采 用 不 同 的 相关 系 数 来 区 分 水 膜 的 传 热 系 数 和 通 过 水 膜 传 递 给 空 气 流 的 传 质 系 数 。 在 模 拟冷 凝 单 元 时 ， 用 添 加 的 因 子 来 界 定 管 内 流 体 的 传 热 系 数 。 水 膜 的 传 热 系 数 符合 重 力 条 件 下 以 及 没 有 空 气 流 的 水 膜 流 。Maclaine-Cross 和 Banks31， Kettleborough 和 Hsieh32， Chen 等 33对间 接 式 蒸 发 冷 却 塔 模 型 进 行 了 发 展 。 他 们 提 出 的 模 型 合 理 的 反 应 了 室 外 空 气的 影 响 。 然 和 对 于 那 些 包 括 了 混 合 装 置 和 排 气 装 置 的 系 统 ， 这 些 模 型 在 一 定条 件 下 过 高 估 计 了 系 统 的 冷 却 效 果 。Pascal Stabat34基 于 Merkel 在 1927 年 提 出 的 蒸 发 理 论 发 展 了 闭 式 冷 却塔 的 简 化 模 型 ， 引 入 换 热 器 的 E-NTU(效 率 单 元 数 法 )来 评 价 换 热 效 果 ， 在 将模 拟 值 与 厂 家 提 供 的 参 数 进 行 了 比 较 ， 结 果 表 明 误 差 在 工 程 应 用 许 可 范 围内 。 该 简 化 模 型 可 以 用 来 评 价 不 同 风 量 和 运 行 条 件 下 的 冷 却 塔 性 能 和 评 估 冷却 塔 的 耗 水 量 。随 着 商 业 数 值 模 拟 软 件 的 发 展 ， Mansour 等 人 35用 CFD 软 件 模 拟 了 吸风 式 气 流 的 蒸 发 式 冷 却 塔 ， 模 拟 结 果 可 以 与 以 为 有 限 差 分 模 型 获 得 的 结 果 媲美 。 G. Gan 和 Riffat36采 用 Fluent 软 件 对 冷 却 吊 顶 提 供 低 温 水 的 闭 式 冷 却 塔冷 却 能 力 和 压 力 损 失 特 性 进 行 了 模 拟 研 究 ， 结 果 表 明 ， CFD 可 以 用 于 预 测闭 式 冷 却 塔 的 特 性 ， 基 本 可 以 满 足 冷 却 塔 的 设 计 和 运 行 优 化 要 求 。-6-第 1 章 绪 论由 于 闭 式 冷 却 塔 的 传 热 性 能 受 换 热 器 结 构 、 环 境 、 风 量 、 喷 淋 水 量 等 多种 因 素 的 影 响 ， 目 前 还 难 以 用 数 学 模 型 精 确 表 达 这 一 过 程 ， 因 此 在 理 论 分 析的 同 时 ， 国 内 外 许 多 学 者 通 过 大 量 的 试 验 测 试 来 拟 合 传 热 过 程 关 联 式 ， 并 用试 验 关 联 式 来 指 导 设 计 和 运 行 控 制 。Lakdar Kairouan 等 人 37通 过 现 场 测 试 和 理 论 分 析 ， 提 出 闭 式 冷 却 塔 的关 系 式 ， 并 对 位 于 突 尼 斯 6 台 不 同 型 号 的 横 流 式 闭 式 冷 却 塔 进 行 了 试 验 验证 ， 测 试 表 明 理 想 的 喷 淋 水 与 气 流 的 质 量 流 率 为 1： 2 左 右 ， 实 际 水 的 蒸 发率 占 喷 淋 水 量 的 4%。 我 国 的 谭 文 胜 等 人 对 密 闭 式 冷 却 塔 的 优 化 设 计 提 出 自己 的 看 法 。1.2.3 程 控 机 房 利 用 自 然 冷 源 供 冷 技 术 发 展 概 况我 国 在 1995 年 随 着 国 产 大 型 程 控 交 换 机 的 开 发 ， 我 国 的 通 信 才 进 入 腾飞 阶 段 ， 到 2002 年 我 国 电 话 用 户 达 到 世 界 第 一 。 在 通 信 机 房 的 空 调 设 计中 ， 安 全 是 放 在 第 一 位 的 ， 所 以 近 年 来 设 计 机 房 空 调 系 统 的 时 候 基 本 上 都 采用 机 房 专 用 空 调 ， 但 是 随 着 这 两 年 能 源 价 格 的 不 断 上 涨 ， 随 着 我 国 电 信 规 模的 不 断 的 膨 胀 ， 小 问 题 乘 上 大 规 模 就 成 了 大 问 题 ， 程 控 机 房 的 空 调 系 统 节 能必 须 受 到 重 视 。 程 控 机 房 设 备 散 热 量 大 ， 我 国 大 部 分 地 区 的 冬 季 有 着 丰 富 的自 然 冷 源 。陈 育 伟 17对 寒 冷 地 区 程 控 机 房 利 用 自 然 冷 源 的 节 能 问 题 提 出 自 己 的 观点 ， 并 针 对 几 种 不 同 的 自 然 冷 源 利 用 方 式 进 行 分 析 比 较 。尹 贞 勤 38根 据 程 控 机 房 的 工 艺 要 求 ， 根 据 新 风 供 给 方 式 提 出 冬 季 可 以利 用 室 外 新 风 作 为 冷 源 。2005 年 陈 鹏 飞 39针 对 程 控 机 房 在 寒 冷 地 区 利 用 室 外 新 风 为 机 房 供 冷 的具 体 方 法 进 行 了 研 究 ， 提 出 程 控 机 房 新 风 供 冷 的 运 行 方 案 ， 并 对 新 风 供 冷 方式 的 节 能 性 进 行 分 析 并 推 广 。2007 年 李 志 勇 40提 出 在 程 控 机 房 中 ， 把 淋 水 式 空 冷 器 与 冷 却 塔 结 合 ，间 接 的 利 用 室 外 自 然 冷 源 为 程 控 机 房 供 冷 ， 并 对 该 方 案 的 节 能 性 进 行 分 析 并推广。1.2.4 本 文 的 主 要 研 究 内 容本 课 题 的 研 究 目 的 是 在 保 证 机 房 温 湿 度 、 空 气 洁 净 度 及 安 全 运 行 的 前 提下 ， 最 大 限 度 地 利 用 室 外 冷 量 ， 达 到 节 能 和 节 约 费 用 的 目 的 。 研 究 内 容 如-7-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文下 ：(1) 现 有 程 控 机 房 空 调 系 统 能 耗 分 析利 用 DeST(建 筑 能 耗 软 件 ), 对 指 定 的 哈 尔 滨 某 个 程 控 机 房 进 行 全 年 能 耗模 拟 ， 对 原 有 的 空 调 系 统 进 行 调 研 和 现 场 测 试 ， 分 析 该 空 调 系 统 的 全 年 能耗 ， 为 下 文 整 个 程 控 机 房 的 空 调 系 统 改 造 提 供 依 据 ；(2)闭 式 冷 却 塔 供 冷 空 调 改 造 方 法 研 究介 绍 了 闭 式 冷 却 塔 供 冷 技 术 的 工 作 原 理 和 应 用 的 具 体 形 式 ， 在 现 有 程 控机 房 空 调 系 统 上 提 出 最 符 合 实 际 改 造 工 程 的 改 造 方 式 ， 对 本 文 选 用 的 闭 式 冷却 塔 供 冷 系 统 ， 建 立 有 效 的 数 学 模 型 ， 从 热 工 计 算 、 传 热 计 算 等 方 面 分 别 进行 了 分 析 ；(3)节 能 改 造 系 统 运 行 控 制 方 法 研 究对 于 闭 式 冷 却 塔 供 冷 节 能 系 统 ， 分 析 了 循 环 水 温 度 ， 节 能 系 统 的 启 动 条件 ， 运 行 过 程 中 的 水 冷 和 空 冷 切 换 条 件 ， 提 出 使 系 统 有 效 应 对 室 外 环 境 变 化的 控 制 方 案 。(4)闭 式 冷 却 塔 冬 季 防 冻 方 法 研 究为 了 闭 式 冷 却 塔 系 统 在 冬 季 更 有 效 的 运 行 ， 分 析 了 闭 式 冷 却 塔 在 冬 季 运行 时 结 冰 的 可 能 性 和 应 该 采 取 的 防 冻 措 施 ；(5)技 术 经 济 分 析分 析 闭 式 冷 却 塔 供 冷 节 能 系 统 在 哈 尔 滨 的 投 资 与 回 收 期 ， 确 定 该 节 能 改造 系 统 产 生 的 经 济 效 益 ， 研 究 该 系 统 在 全 国 不 同 地 区 的 适 用 性 ， 分 别 计 算 在不 同 地 区 的 全 年 空 调 能 耗 和 经 济 效 益 ；-8-第 2 章 现 有 程 控 机 房 空 调 系 统 能 耗 分 析第 2 章 现 有 程 控 机 房 空 调 系 统 能 耗 分 析目 前 的 程 控 机 房 主 要 依 靠 机 房 专 用 空 调 来 去 除 室 内 冷 负 荷 ， 由 于 程 控 交换 机 散 热 量 大 ， 机 房 空 调 需 要 常 年 运 行 ， 在 严 格 的 温 湿 度 限 制 下 ， 即 使 在 寒冷 的 冬 季 ， 也 不 能 随 意 引 进 室 外 冷 空 气 来 减 少 空 调 负 担 ， 这 就 是 现 存 的 矛盾 。 本 文 以 中 国 黑 龙 江 省 通 信 公 司 的 某 个 程 控 交 换 机 房 为 研 究 对 象 ， 利 用 建筑 环 境 设 计 模 拟 工 具 包 DeST， 分 析 其 空 调 系 统 的 能 耗 。2.1 建 筑 环 境 能 耗 模 拟建 筑 环 境 变 化 是 由 众 多 因 数 所 决 定 的 一 个 复 杂 过 程 ， 因 此 只 有 通 过 计 算机 模 拟 计 算 才 能 有 效 地 预 测 建 筑 环 境 在 没 有 环 境 控 制 系 统 时 和 存 在 环 境 控 制系 统 时 可 能 出 现 的 状 况 ， 包 括 室 内 温 湿 度 随 时 间 的 变 化 、 空 调 系 统 的 逐 时 能耗 以 及 建 筑 物 全 年 环 境 控 制 所 需 要 的 能 耗 41。不 同 的 建 筑 特 性 如 外 墙 保 温 、 外 窗 性 能 、 维 护 结 构 等 都 会 导 致 建 筑 物 不同 的 室 内 热 环 境 和 能 源 消 耗 。 然 而 对 这 些 特 性 与 建 筑 环 境 及 建 筑 物 全 年 能 耗之 间 的 关 系 很 难 进 行 直 接 准 确 的 分 析 ， 只 有 通 过 逐 时 的 动 态 模 拟 才 能 得 到 。因 此 在 分 析 评 价 一 个 建 筑 设 计 方 案 将 造 成 的 环 境 状 况 和 能 耗 时 ， 一 半 都 采 用模 拟 计 算 的 方 法 。建筑( 空调) 负 荷 的 计 算 时 能 耗 模 拟 计 算 的基础 ， 能 耗 模 拟 计 算 发 展 到 现在 ， 其 计 算 方 法 主 要 分 为 两 大 类 ： 静 态 模 拟 方 法 和 动 态 模 拟 方 法 。 静 态 模 拟方 法 计 算 能 耗 比 较 简 单 ， 但 是 结 果 也 很 粗 略 ； 动 态 模 拟 方 法 则 比 较 精 确 ， 它是 伴 随 着 计 算 机 的 发 展 而 产 生 ， 能 模 拟 全 年 逐 时 能 耗 变 化 ， 主 要 用 于 建 筑 能耗 系 统 的 能 耗 分 析 及 评 估 、 经 济 性 分 析 及 优 化 等 。DEST， DOE-2， EnergyPlus 和 ESP-r 为 目 前 用 于 建 筑 能 耗 模 拟 的 软 件代 表 ， 此 类 软 件 主 要 用 于 建 筑 和 系 统 的 动 态 模 拟 分 析 。2.1.1 DeST 简 介DeST（ designers simulation toolkits） 软 件 的 研 发 开 始 于 1989 年 ， 是在 认 识 到 当 时 各 种 建 筑 模 拟 软 件 的 特 点 与 不 足 的 基 础 上 ， 开 发 并 不 断 发 展 完善 而 形 成 的 建 筑 动 态 模 拟 工 具 。 它 基 于 “分 阶 段 模 拟 ”的 理 念 ， 实 现 了 建 筑物 于 系 统 的 连 接 ， 使 之 既 可 用 于 详 细 地 分 析 建 筑 物 的 热 特 性 ， 又 可 以 模 拟 系-9-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文统 性 能 ， 较 好 地 解 决 了 建 筑 物 和 系 统 设 计 耦 合 的 问 题 。 如 今 DeST 已 陆 续 在我 国 内 地 、 香 港 ， 以 及 欧 洲 、 日 本 等 地 得 到 应 用 。目 前 DeST 主 要 有 两 个 版 本 ， 应 用 于 商 业 建 筑 的 商 建 版 （ DeST-c） 和 应用 于 住 宅 建 筑 的 住 宅 版 本 （ DeST-h） 。DeST 的 基 础 算 法 是 基 于 清 华 大 学 江 亿 院 士 在 80 年 代 提 出 的 用 于 分 析建 筑 热 状 况 的 状 态 空 间 法 ， 该 算 法 是 对 建 筑 各 个 热 工 部 件 建 立 热 平 衡 方 程 的基 础 商 ， 在 空 间 上 将 其 离 散 ， 时 间 上 保 持 连 续 的 一 种 求 解 方 法 。 通 过 该 算法 ， 可 以 对 建 筑 的 热 状 况 进 行 动 态 的 模 拟 ， 反 映 处 建 筑 热 状 况 随 着 时 间 的 变化过程。2.1.2 DeST 软 件 结 构为 了 实 现 “分 阶 段 模 拟 ”的 理 念 ， DeST 的 软 件 结 构 是 由 多 个 单 独 的 模块 相 互 连 接 构 成 的 。 图 2-1 为 DeST 的 整 体 框 架 结 构 示 意 图 。LightingVentPlusEAMBAS Scheme AHU CPSNedphaBShadow DNACABD图 2-1 DeST 整 体 框 架 结 构 示 意 图Fig.2-1 Framework of DeST2.1.2.1 Medpha（ meteorological data producer for HVAC analysis） 空 调 领域 开 展 的 系 统 动 态 分 析 、 动 态 模 拟 的 研 究 ， 需 要 一 个 月 、 一 个 季 度 乃 至 一 年的 逐 日 、 逐 时 气 象 参 数 。 DeST 深 入 研 究 气 象 环 境 的 客 观 规 律 ,建 立 了 利 用实测的逐日气象数据模拟生成全年逐时气象数据的气象模型 Medpha。 Medpha 的 基 础 数 据 来 源 于 我 国 194 个 气 象 台 站 自 建 站 以 来 约 50年 的 实 测 逐 日 数 据 (包 括 气 温 、 湿 度 、 太 阳 辐 射 、 风 速 风 向 、 日 照 小 时 数 和大 气 压 力 ) 。 根 据 空 调 负 荷 计 算 中 的 典 型 年 选 取 方 法 ， Medpha 首 先 选 出 具有 代 表 性 的 年 份 ， 之 后 利 用 各 气 象 参 数 的 日 变 化 规 律 ， 模 拟 生 成 逐 时 的 气 象- 10 -第 2 章 现 有 程 控 机 房 空 调 系 统 能 耗 分 析数 据 ， 并 以 典 型 气 象 年 作 为 DeST 的 全 年 模 拟 基 础 数 据 。2.1.2.2