北京市建筑設計研究院 孫敏生 諸群飛 萬水娥 王冷非

清華大學 王旭輝

特靈空調 張宇

近年來，為解決冬季或室外氣溫較低的過渡季建筑物內區過熱問題，常采用冷卻塔供冷技術。但實際工程設計時較普遍地存在一些盲目性，設計計算和系統配置存在一定的誤區。因此有必要對冷卻塔供冷技術的采用和設計中的關鍵問題進行分析。

本文僅以一次投資較低、系統簡單、滿足水質要求的開式冷卻塔通過板式換熱器間接供冷的方案為例論述。

采用冷卻塔供冷的節能效果，是相對于在冬季較長時間內必須開啟大功率的冷水機組而言的。但采用此項技術需增加換熱器等設備投資，冬季電需升啟冷卻水循環泵，并不是完全的所謂“免費供冷”。如不根據需要而盲目地在工程中采用，會出現雖增加了一次投資但節能不明顯、甚至不節能的后果。

首先，工程所在地區的氣候條件確定了冷卻塔供冷時間的長短，直接影響其節能效果和經濟性。假設供暖期的室外氣象條件能夠滿足冷卻塔供冷的水溫要求，例如，北京和上海的供暖期時間分別為122 d和40 d，顯然經濟性和節能量相差很大。對于供暖時間為零的地區，則不適于采用冷卻塔供冷。

即使是寒冷的北方地區，實際工程中也經常遇到采用冷卻塔供冷系統不當的實例，例如當空調面積很大的建筑物內區面積很小或內區發熱量不大時，在設計中既不考慮小負荷時制冷機等設備的匹配，又不為冷卻塔供冷配置相適用的循環泵和冷卻塔，在過渡季僅內區供冷時，不但制冷機開不起來，也很難實現冬季冷卻塔供冷。

對于風機盤管加新風系統，如果冬季冷負荷很小，可以考慮采用加大新風量；對于全空氣系統最簡單和節能的辦法是加大新風比；均為直接采用室外空氣做冷源，才堪稱“免費供冷”，節能效果和經濟性更優于冷卻塔供冷。

因此，采用冷卻塔供冷的設計條件是：工程所在地區的氣候條件應能較長時間滿足冷卻塔供冷所需的濕球溫度；且工程應存在面積和友熱量較大的內區，需全年送玲才能保證空調區域的舒適度基本要求。這些區域的空調系統還應有如下特征：1）采用風機盤管加新風空調系統；2）保證室內衛生條件和舒適度的新風量，或冬季和過渡季加大新風量后仍不能消除室內余熱；3)冬季內區風機盤管可單獨供應空調冷水，或可同時供應冷水和熱水。

冬季內區房間供冷計算溫度確定原則是保證舒適，但標準不宜太高，一般應比外區供暖房間的計算溫度高。例如，辦公用房的內區可設定為22～25℃；商場由于顧客一般無處更衣，內區室溫可設定在22～23℃。內區計算溫度僅為室外濕球溫度和室內負荷為最大值的短暫時刻能達到的溫度，一般情況下，室溫可比計算溫度低，舒適度會更好。

由于北方地區冬季房間濕度較小，露點溫度較低，冷卻塔供冷水溫條件下，風機盤管一般為于工況運行，因此冬季內區冷負荷可按顯熱負荷計算，不能直接采用夏季的全熱負荷數值。

理論上冬季可以采用低溫的新風作為內區房間的冷源，如果風機盤管為四管制雙盤管可以同時供冷供熱，新風溫度可以較低。風機盤管僅接單冷管道時，新風送風溫度應為在室內發熱量最小情況下，仍能保證房間舒適范圍的最低溫度，例如辦公用房室溫不得低于18℃，商場不得低于16℃。不論與外區合用還是分別設置新風系統，新風送風溫度電不應高于外區房間的空調計算溫度。冷卻塔供冷工況時風機盤管負擔冷負荷應按下式確定：

式中q_f為冬季供冷房間內單臺風機盤管負擔的冷負荷，W；α為冬季虜間溫度的保證系數，可取0. 80～1. 00；q_n為冬季供冷房間顯熱冷負荷，W；L_x為房間新風量，m³ /h；t_n為冬季內區供冷房間室內設計溫度，℃；t_x為冬季新風送風溫度，℃；n為房間內布置的風機盤管臺數。

確定能夠滿足內區供冷量的最高供水溫度是設計計算的關鍵問題之一。

風機盤管選型越大，供冷能力越強，在滿足冬季室內負荷的前提下，可提高所需要的空調水溫，延長冷卻塔供冷時間。但風機盤管選型過大不但增加了一次投資，且在夏季運行時使室內溫度控制產生振蕩，對舒適和節能都不利；因此，原則上風機盤管應基本按夏季工況選定。

夏季一般將新風處理至室內等濕狀態負擔一部分室內負荷，如果冬季采用冷卻塔制冷方案，夏季新風負擔的冷負荷可忽略不計，加之風機盤管布置和規格的限制，風機盤管實際供冷能力均高于房間計算冷負荷，即有一定的富余量。

夏季可按中擋風量下的制冷量選擇風機盤管，冬季在短時期供水溫度較高時如負荷較大，可采用高擋風量運行，以增大風機盤管的供冷能力。

冬季風機盤管負擔室內負荷的數值比夏季小，如果采用相同的供回水溫差，尤其是夏季采用大溫差水系統時，流經風機盤管的空調水量減少，盤管水側換熱殺數也減小，影響水溫要求和冷卻塔供冷時間。因此建議冬季風機盤管的水流量取風機盤管的標準流量（水溫差5℃），當夏季采用大溫差水系統時，冬季還可提高盤管水側換熱系數。

由于冬、夏季盤管風側的冷卻除濕工況不同，不能簡單地用盤管的標準冷卻量對盤管的冬季冷卻能力進行計算和修正。但冬季風機盤管在較干燥的室內回風和較高的冷水供水溫度運行時基本為干工況冷卻，與冬季加熱一樣，均為簡單的溫差傳熱；而且風機盤管標準工況時冬季供熱量和夏季供冷量采用的水流量相同^[1]，即在相同的標準（高擋）風量時，風機盤管不同水溫時的供冷能力m與樣本給出的標準供熱量q_r之比，接近2種工況下通過風側和水側的逆流對數平均溫差△t_f和△t_r，的比值（見式（2））。通過對式（2）和其中冷卻塔供冷工況時風機盤管對數平均溫差△t_f的展開和推導，得出式（3）。

 

式（2）～（7）中t_Ll，t_L2分別為空調冷水最高供、回水溫度，℃；c_p1，c_p2分別為水和空氣的比定壓熱容，J/（kg·K)；ρ₁，ρ₂分別為水和空氣的密度，kg/m³；G₁，G₂分別為水和空氣的流量，m³/s。

式(5)中風機盤管標準供熱工況時對數平均溫差△t_r，的各項均為已知數，展開從略。

根據已選定的風機盤管標準供熱量q_r和風機盤管需負擔冷量q_f，通過式（3），（4）求得各房間所需空調冷水的供、回水溫度t_L1和t_L2。可選用各典型房間中t_L1和t_L2的最小值（如允許個別房間不保證，也可選用較小值）作為系統的空調冷水供、回水計算溫度，并用對應的風機盤管負擔冷量與標準工況時的供冷量之比作為整個內區負荷的冷量比β_z。

已經按夏季工況選擇的風機盤管在標準工況時的供冷量為樣本給出的數據，標準總供冷量Q_b可按風機盤管標準冷量的疊加獲得，因此冬季的總冷量Q和空調冷水總流量G_L可以簡化為

 
式(8)，(9)中 Q為冬季內區所需總供冷量，kW；β_z為建筑物內需冬季供冷的房間風機盤管負擔總冷量與風機盤管在標準工況時的總供冷量之比；Q_b為冷卻塔供冷工況時內區各房間風機盤管標準工況供冷量的總和，kW。

3 1冷源水流量G_c和冷源水供回水溫差△t_c關系式

Q＝1.163G_c△t_c    (10)

對于同一冷卻塔，△t_c越小，要求冷卻塔溫降越小，可以在較高室外濕球濕度情況下使用，但水泵流量大需要電能較多；冷水機組功率遠大于水泵功率，一般應以前者的節能為主；但△t_c也不宜過小，一般以2℃為界。

計算中存在兩種情況：1）盡量采用為冷水機組配置的冷卻水泵作為冷源水循環泵，即已知冷源水總循環水量G_c，求冷源水供回水溫差△t_c。2）當冷卻水泵流量與冷源水不匹配時，另外設置專用冷源水循環泵，即人為確定冷源水供回水溫差△t_c，求冷源水總循環水量G_c。

冷源水和空調冷水在板式換熱器內的換熱過程如圖1所示。一次冷源水供水溫度t_c1可通過冷源水溫差△t_c求得，分為以下2種情況：1)當△t_c≤(t_L2－t_Ll)時，換熱器溫差較小端在冷源水的進口側，t_c1＝t_Ll－△t_x；2）當△t_c ＞（t_L2－t_Ll)時，換熱器溫差較小端在冷源水的出口側，t_c1＝t_L2－△t_x－△t_c。為防止冷卻塔供冷時間過短和冷源水凍結，限定t_c1≥5℃，當計算結果t_c1<5℃時，應在允許的情況下調整△t_x或△t_c。

水和空氣在逆流冷卻塔中的溫度關系見圖2，假設循環水量G_c為冷卻塔的額定水量，以圖中溫度條件為例：夏季水在冷卻塔內的冷卻陣溫主要靠水蒸發時吸收汽化潛熱，水和空氣的顯熱交換量很小，冷卻塔出水溫度與空氣濕球溫度接近，即夏季溫差逼近度△t_a較小。

冬季隨著氣溫的降低，水分子的運動動能和分子擴散能力降低，即水蒸發量和帶走的熱量減少。假設室外空氣濕球溫度為0℃，如想獲得與夏季相同的換熱量和水溫降△t_c，就必須加大空氣和水的溫差逼近度△t_a（如圖2中的△t_a1），靠顯熱交換獲得冷卻量，但出水溫度較高。

    如希望獲得較低的水溫，縮小溫差逼近度（見圖2中虛線和△t_a2），則冷卻塔內水溫降△t_c和冷卻量將減少。

原則上各冷卻塔生產廠應提供冷卻塔在各種不同工況時的冷卻特性資料。圖3為根據清華大學提供的冷卻塔模型（采用傳熱單元數法（ε-NTU)的逆流換熱器模型）數據繪制的冷卻塔實際流量與標準流量之比為100%和50%時的特性曲線。相同冷卻水量時流量比越小，相當于冷卻塔的換熱面積越大。根據已知的冷源水所需供水溫度，對應不同的水溫降△t，可得到對應的室外濕球溫度。

預測冷卻塔供冷運行時間的目的是為直觀地看出能夠利用冷卻塔供冷的大致季節、日期、供冷時間，為節能分析提供數據。根據上節得出的室外濕球溫度確定冷卻塔供冷運行時間，逐時室外濕球溫度的數據來源于文獻[3]，采用了用于建筑能耗分析的“典型氣象年”數據。

冷卻塔供泠一般在室內人員較多、負荷較高的時刻使用，例如辦公建筑的正常上班時間、商場娛樂場所的營業時間、冬季的其他時刻（少數人加班等）一般不考慮開啟制冷空調系統為風機盤管供冷。因此應根據工程的使用性質確定一天內的供冷時刻：辦公室一般為08:00～ 18:00，大型商場、娛樂場所等可取為09:00～22:00。表1為北京地區一般辦公建筑全年冷卻塔供冷時間的計算結果。

由于篇幅原因，僅以空調冷水采用二次泵系統為例。如圖4所示，空調水系統為分區兩管制，空調冷水二次泵為變頻變流量運行。此系統的負荷側僅為冬季冷卻塔供冷增加了板式換熱器，是較為經濟的配置。注意事項如下：

1)宜利用二次泵作為冬季空調冷水的循環泵使用，不再另外設置循環泵。

2)進行二次泵的臺數和規格配置時，應同時考慮夏季和冬季的冷負荷情況和調節范圍，l臺或幾臺泵的流量最好與內區風機盤管空調冷水支路的流量匹配，防止即使在冬季滿負荷時大流量泵也在低頻低效率下運行，且不能滿足小負荷時的調節范圍。如按夏季配置相同水泵時單臺水泵流量過大，或按冬季負荷配置相同水泵數量過多，可按大小泵同時并聯運行設計，考慮設置與冬季小負荷匹配的小泵。且應統一考慮在過渡季室外溫度已不能滿足冷卻塔供冷而需開啟冷水機組、而外區還不需供冷時的冷水機組大小匹配問題。

3)當夏季采用大于5℃ 的大溫差、冷卻塔供冷工況時，內區供冷管道和末端盤管的設計流量和阻力將大于夏季計算數值。由于內區流量遠小于空調水系統總流量，內外區合用總管道阻力比夏季工況小很多，水泵揚程應能夠滿足要求，但水泵的輸送能效比將大于夏季工況。在風機盤管滿足室內負荷時要求的水側平均水溫一定的情況下，較小的供回水溫差可使供水溫度提高，對延長冷卻塔供冷時間有利。因此冬季輸送能效比不高的不節能因素可以忽略。但設計時仍應注意板式換熱器阻力不應過大，訂貨時可提出限制要求，且應按水泵特性曲線校核設計工況下對二次泵流量揚程的影響。

    僅以圖5為例，采用低負荷時使用的小冷水機組對應的冷卻水循環泵作為冬季冷卻塔供冷的冷源水循環泵，適用于該水泵水量能夠滿足冬季所需供冷量的情況。此系統特點如下。

1)該冷卻塔冬季冷卻水量為夏季（額定）工況冷卻水量的100%。

2)有凍結危險的地區，冷源冷卻塔可以在室內設置集水箱，使塔底盤無積水，補水也設在室內水箱處，節省了塔底盤和補水管的電伴熱設施和冬季防凍用電量。如不設置集水箱，集水盤和管道應設置電伴熱。

3)冬季和較低溫度的過渡季使用的小冷卻塔供回水管道上設置旁通管和溫控電動閥。且應注意根據使用冷水機組還是使用板式換熱器，電動旁通閥的動作溫度設定值不同：使用冷水機組時，水溫應控制在冷凝器允許最低水溫以上；使用板式換熱器時，水溫應控制在不凍結溫度以上（一般為5℃）。

當冷水機組對應的冷卻永循環泵均不能與冬季冷負荷匹配時，應另外設置專用冷源水循環泵。可以選用任一冷卻塔作為冬季冷源，但應保證冷卻塔額定冷卻水量不能小于水泵流量，有凍結危險的地區也不應大于水泵流量的2倍，即該冷卻塔冬季冷卻水量與夏季冷卻水量之比應為l00%～50%。

通過對以上冷卻塔關鍵技術問題的分析，可知冷卻塔供冷技術是一項較復雜的系統工程，需要認真分析其采用的必要性，并按下列步驟進行設計計算。

1)計算冬季內區房間風機盤管負擔冷負荷；

2)根據夏季已選定的風機盤管和其冬季負掛冷負荷，計算確定空調冷水設計溫度；

3)確定系統總供冷量和流量，進行負荷側系統設備配置；

4)根據系統總供冷量，結合冷卻塔、冷源水循環泵的配置和冷卻塔冷卻特性，確定冷源側水流量、設計水溫和滿足水溫的室外濕球溫度；

5)預測冷卻塔供冷時間；

6)確定冷卻塔供冷的自動控制環節。