冷季冷却塔供冷技术

1、冷季冷却塔供冷技术 摘要 冷季需供冷的空调和工艺冷却系统，利用冷却塔代替制冷机供冷是利用可再生能源以降低人工能源损耗的好办法，具有明显的节能效果。本文对这项技术的运用作了全面分析阐述，并结合工程实例概略说明其节能效果。关键词 冷季 冷却塔 供冷 1 我国能源消耗巨大，能源需求已成为我国经济持续快速协调健康发展的严重制约因素。当前社会普遍存在的能源粗放型利用和能源利用率偏低已是不争的事实。由于我国是能源和资源相对短缺的发展中大国，能源问题不仅是经济和社会发展的重要问题，而且已对国家安全产生了极为不利的影响。抓紧解决我国能源问题已经是国家和社会迫不及待的要求。解决能源问题一靠开源，二靠节流，需要国

2、家战略、国家计划和国家调控的有利支撑。党和政府已经开始并将继续采取许多重大措施，其中有大量技术开发、技术创新、技术评估和技术推广工作需加紧进行。冷季利用冷却塔冷却水作冷源代替制冷机制冷的节能技术(以下简称为“冷却塔供冷技术)在工程实践中是一项可行的节能技术，应该研究推广。这里讲的冷季主要是指冬季，同时也包括秋末、冬初一段时日，就是说冷季应该比冬季的时段更长一些。这项技术是在一定室外气象条件下，利用室外大气做冷源，因此应该属于可再生能源利用范畴，所以亦可称为利用可再生能源的节能技术。其可行性分析简述如下：（1）工程上应用的水冷冷水机组供冷的空调系统，其冷冻水温度通常为712，许多空调厂房内的工艺

3、冷却系统冷却水温度，除极个别情况也按此温度设定，例如许多电子行业就是如此。从理论上讲，在一定的室外气象条件下，来自冷却塔的水温在接近或低于7的条件下，利用冷却塔的冷却水代替制冷机作为冷源应该是可能的；（2）水冷冷水机组构成的完善的冷冻水系统中，冷却塔提供的冷却散热量通常应大于空调和工艺冷却的冷负荷，所以冷季在适宜的室外气象条件下，由冷却塔冷却水供冷在量上应该能够满足补偿冷负荷要求；（3）冷却塔提供的冷却散热量包括冷却水与空气换热的冷却显热量，也包括冷却水蒸发带走的潜热散热量，在炎热夏季温度和相对湿度比较高的条件下，冷却塔的冷却量能够满足水冷冷水机组生产一定冷量的要求，那么在冷季室外气温和相对湿

4、度都比较低的条件下，由冷却塔冷却水作冷源应该是可靠的；（4）对于均由水冷冷水机组作统一冷源的空调和工艺冷却系统，其最大冷负荷发生在炎热的夏季，这个季节空气温度和相对湿度都较高，到了冷季，其冷负荷会明显低于其最大冷负荷，这样的条件下还存在适当提高冷冻水供水温度的可能性，一方面供冷量可以小一些，另一方面冷冻水供水温度可以适当高一些，这均为冷季利用冷却塔冷却水作冷源，代替冷冻机制冷提供了更为有利的条件；（5）在我国按地区气候条件划分的建筑热工设计分区有五个，即严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、温和地区和夏热冬暖地区，各区域的气候条件均不相同。本文阐述的这项技术是以处于寒冷地区的天津地区的气象条件为基

5、础进行分析评价的。如果将其推广到其它设计分区的不同地域，应重新分析评价；（6）寒冷季节，随着室外温度降低，室外大气提供的冷量会大大超过设计的冷负荷值，为保证系统正常运行，必须考虑到防冻问题，因此，可靠的监测自控技术和可靠的防冻技术措施是非常重要的。冷却塔供冷的系统模式有两种：直接供冷式和间接供冷式系统.1直接供冷式系统 图1冷却塔直接式供冷系统1.冷却塔；2.冷凝器；3.蒸发器；4.冷冻水泵；5.冷却水泵；6.电动三通阀；7.空调或工艺冷却盘管；8.膨胀水箱图1为冷季可以用冷却塔冷却水直接供冷的图示。当冷季利用冷却塔供冷时，冷冻水泵停止工作，三个电动三通阀换向，直通部分关闭，冷却水绕过冷凝器，

6、经冷却水泵直接送到冷冻水系统，图中箭头指示了冷却水流动方向。这种系统主要特点是：（1）系统相对比较简单。若原有系统没有考虑冷季利用冷却塔供冷，现在欲改造成为冷却塔供冷方式，相对投资可能省一些。（2）直接供冷系统是将冷却塔冷却水直接引入冷冻水系统，没有中间换热过程，因此在相同室外气象条件下可利用的水温低于间接式系统。（3）直接供冷是开式系统，冷却水受大气污染，这样的水进入冷冻水系统会造成系统内腐蚀或结垢，不但会缩短系统使用寿命，也会影响系统运行的稳定性。（4）若原设冷却塔位置低于冷冻水系统高度，利用原有冷却水泵在冷季供冷，由于扬程不够则无法实现，势必需再配水泵；同时还存在当停泵时会出现系统倒空和

7、冷却塔溢水问题，为此需设防止系统倒空的自动阀门。冷却塔高于冷冻水系统时亦需校核水泵性能是否匹配。（5）原冷冻水系统膨胀水箱必须隔开。2.2 间接式供冷系统 图2冷却塔间接供冷式系统1.冷却塔；2.冷水机组；3.换热机组；4. 空调或工艺冷却盘管；5.膨胀水箱；6.冷却水泵；7.冷冻水泵；V1V8.阀门图2为冷季可以用冷却塔冷却水间接供冷的图示。当冷季利用冷却塔供冷时，阀V1V4关闭，阀V5V8开启，冷却塔冷却水由冷却水泵6输往换热器3的一次侧，冷冻水经冷冻水泵7输往换热器3的二次侧，经换热器3换热后使冷冻水系统获得必要的冷量。这种系统的主要特点是：（1）由于是间接式系统，冷却塔经大气污染的冷却

8、水不会污染冷冻水系统。（2）增加了换热设备和较多管道，相对投资比较高。（3）由于冷凝器与换热器一次侧，蒸发器与换热器二次侧的阻力可能不同，对此需复核，以确定冷却水泵和冷冻水泵性能是否需要调整。（4）与直接式供冷系统相比因为存在有一个换热过程，达到同样效果要求冷却水温度应该低一些，一般情况下差12，亦即该系统冷季可利用时间比直接式供冷系统可能稍短些。目前一些正规的空调和工艺冷却系统欲采用冷却塔供冷技术，为保障系统运行的可靠性，多选择间接式供冷系统。3 冷却塔供冷系统的设计计算3.1 冷却塔的冷却能力通常使用比较广泛的逆流冷却塔的冷却能力可以近似用下式计算 （kJ/h） （1）式中：Qc冷却塔冷却

9、能力，（kJ/h）；冷却塔填料部分总焓移动系数；冷却塔断面积，（m）；填料层高度，（m）；MED对数平均比焓差，（kJ/kg）； 其中：tw1、tw2冷却塔冷却水进出口水温，（）； ts1、ts2冷却塔室外空气进出口的湿球温度，（）；iw1、iw2对应于tw1、tw2饱和空气比焓，（kJ/kg）； is1、is2对应于ts1、ts2饱和空气比焓，（kJ/kg）。K值的计算，可用下式 （2）式中：G冷却塔水量，kg/h； L冷却塔风量，kg/h； 、系数，分别为0.45和0.60；C冷却塔性能系数，与塔的构造和填料有关，C值是通过试验决定的，可参考下表表1填料C值（试验结果）形状材质波间距（mm

10、）波高（mm）水平间距（mm）总高（m）蜂窝板树脂加工成的纸200.15x41.22200.15x21.40200.152.24波形板塑料16150.31.6716150.61.1016150.15x41.6016150.31.6522150.31.4528260.31.41这里需要注意以下问题（1）冷却塔种类很多，按通风方式分有自然通风冷却塔、机械通风冷却塔和混合通风冷却塔；按冷却水与空气接触方式分有湿式冷却塔、干式冷却塔和干湿式冷却塔；按冷却水和空气流动方向分有逆流式、横流式、混流式和喷流式冷却塔等。不同形式冷却塔的冷却水与空气换热不同，因此其冷却能力计算也不同，因此在“冷却塔供冷”系统设

11、计时必须充分注意其热工性能分析计算，为此全面收集和详细分析冷却塔技术资料至关重要。只有在能够确切判断冷却塔热工性能基础上，才能正确计算出其可靠的冷却能力。（2） 冷却塔的冷却能力与所处地区气象条件密切相关，当冷却塔的实际使用气象条件与设备样本数据不同，而样本又缺乏相应资料时，则应进行必要的修正。 3.2 室外气象参数的确定前文所说的“冷季”应从什么时间算起？对于一般舒适性空调来讲，按文献给出的资料，通常选择在室外空气焓值Iw20 kJ/kg。对于冷却塔供冷技术来讲，Iw=20 kJ/kg意味着什么？下面予以简要分析。湿空气的焓值、温度和含湿量的热力学公式为 （3）式中：Iw室外空气的焓，（kJ

12、/kg）；t室外空气温度，（）；d室外空气的含湿量，（g/kg）。按（4）式，根据天津地区气象参数，当冬季空调室外计算相对湿度=53%时，Iw=20 kJ/kg条件下的空气含湿量为3.98g/kg，按（3）式计算，这时的空气温度为ts1=9.88；冷却水经冷却塔喷淋，有一部分水蒸发从而散热，通过冷却塔的空气达到饱和状态，同样在Iw=20 kJ/kg条件下饱和空气含湿量为5.6 g/kg，按（3）式计算的空气温度为ts2=5.88。这样的结果表明（1）如果冷冻水温度为712，冷却塔进出口水温分别达到9.88和5.6时，直接式供冷系统用冷却塔供冷在温度上是能够满足要求的。间接系式统由于换热器两侧还

13、应有一个对数温差，尚不能完全满足供冷要求。（2）一定的冷冻水量，在712温差下满足供冷量需要，通常冷却水量大于冷冻水量，那么在5.889.88温差下，由于冷季时存在着冷负荷量降低和冷冻水进口温度可以适当提高（7）的可能性，故在Iw20 kJ/kg条件下，应用冷却塔做间接式供冷在技术上也是可行的。（3）天津地区的气象参数见下表 天津地区19162003年有关气象参数 表2月份参数1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月平均干球温度（）-3.7-0.75.814.219.924.426.224.92013.14.6-1.5平均相对湿度（%）4444464653617577686157

14、49平均湿球温度（）-6.4-3.81.78.514.019.022.721.816.19.21.5-4.2平均焓值（kJ/kg）-0.63.212.425.939.454.267.363.945.327.612.12.6表2的数据说明每年11月、12月和翌年的1-3月在天津地区用冷却塔供冷是可行的。3.3 设计应注意的问题（1）系统设计必须经过详细的计算分析，从工程角度适当考虑保险系数确定合理可靠的方案。（2）确定适宜的技术措施保障供冷系统在热季过渡到冷季和从冷季过渡到热季时，冷水机组供冷和冷却塔供冷两种运行工况间平稳转换，为此应配置适宜的阀门、仪表和可靠的自控系统。（3）在冷季运行时，随室

15、外气温下降室外空气环境供冷能力增加，冷却水温度和冷冻水温度要下降，为使冷冻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测水量调节，冷却塔通风量调节等。（4）必须采取可靠的防冻技术措施，包括报警，调控和必要的应急加热防冻措施。4 工程实例这里简要介绍某电子产品生产企业选择冷却塔供冷的间接式系统对原有非冷却塔供冷系统进行改造的技术方案，该工程当前已经顺利运行。该工程主要数据如下：夏季最大负荷时 7台 1300 TR 冷水机组运行，冷冻水量约3686 m3/h冬季平均负荷时 3台 1300 TR 冷水机组运行，冷冻水量约1600 m3/h 据统计

16、冬季平均负荷为1台1300TR冷水机组的220%，故其负荷量为2860TR，冷冻水量约1158 m3/h冷冻水温度 冷水机组出口 44.7ºF（7.06） 冷水机组入口 58ºF（14.5）根据统计冬季冷负荷为1300x3.5x220%=10010KW。按业主要求，按二用一备设置换热机组，每台机组容量为5005KW。拟选换热机组3台，考虑5%裕量，每台机组容量为5250KW。循环泵性能： 流量Q=753CMH 扬程H=12.2m 功率N约计45KW冷却塔冷却量随气候而变化，设置自控系统满足不同气候条件下的调控要求。（1）由热季过度到冷季（如从11月份开始），换热机组投入运行

17、，随着天气变冷，冷水机组逐渐减载直至全部停运；（2）当冷水机组全部停运后，气温进一步下降，冷却水温也随之下降，导致冷冻水供水温度降至（8-1）及其以下时，冷却塔通风机通过调频降低转速，以保证冷冻水温度控制在要求范围内；（3）当冷却塔通风机停运后，冷冻水温度仍降至（8-1）以下时，应减少换热机组一次侧进水量，从而达到冷冻水温度符合要求；（4）由冷季过度到热季（如从3月份开始），随着天气转暖冷却水温度上升导致冷冻水温度上升至（8+1）及其以上时，增加换热机组一次侧进水量，当该水量增至额定值时仍不能满足要求，则开启冷却塔通风机；（5）当冷却塔通风机达到额定转速时，仍然不能满足要求，则需冷水机组投入运行；（6）当冷水机组承担的负荷量达到冷季额定值时，则换热机组停止运行，冷冻水和冷却水进入热季运行状态。冷却塔冬季运行应有切实的防冻报警和可靠的调控、防冻措施。节能效果初步分析（1）按冷却塔的蒸发量计算该系统的冷却效果平均值约2000kW，相当于总计冷负荷量的21%，冷却水温差为5的冷却效果为10,465kW，说明该系统用于补偿冷负荷量是充裕的。（2）当室外平均温度为5，相对湿度为40%以下时该系统就有明显的节能效果，按天津市历年气候估计，约有123天。考虑到气候变化因素，按85%计算为105天，即在这105天