冷却塔供冷系统设计方法

冷却塔供冷系统设计方法

上海中房建筑设计有限公司　王　翔☆

摘要　介绍了冷却塔免费供冷的原理,通过对工程设计中的一些方法和概念进行分析,提出开式冷却塔加板式换热器是冬季冷却塔供冷较实用的形式,探讨了冬季内区采用较高空调

供水温度的可行性、冷却塔冬季性能曲线、冷却塔供冷与冷水机组供冷工况切换点的取值、水泵的选取、冷水机组选用等问题。给出了冷却塔系统设计实例。

关键词　冷却塔供冷　经济性　冬季热工曲线　工况切换点　冷却水泵　冷水机组　水处理

De si g n m e t h o d of fre e c o oli n g s yst e m b y c o oli n g t o w e rs

By Wang X iang ★

Abs t r a ct Prese nts t he p rinciple of a t ower cooling syste m.Based on t he analysis of ways a nd concep ts in e ngineering ,considers t hat t he syste m of op en cooling t owers plus plate heat excha ngers is a more economical a nd p ractical mode in winter.Discusses t he issues such as t he f easibility of adop ting higher supply water temp erature f or inner zone in winter ,p erf or ma nce curve of cooling t ower in winter ,selection of switching p oint between cooling by t owers a nd ref rigerat ors ,selection of p umps a nd ref rigerat ors.

Provides a design exa mple.

Keywor ds t ower cooling ,economy ,perf orma nce curve in winter ,switching p oint ,cooling water p ump ,water chiller unit ,water t reat ment ★SHZF Architectural Design Co.,Ltd.,Shanghai ,China

0　引言

在《采暖通风与空气调节设计规范》

(第7.7.1条)、《公共建筑节能设计标准》(第5.4.13条)、《全

国民用建筑工程设计技术措施　暖通动力・节能

专篇》

(第6.1.7条)中均明确了对冬季存在供冷需求的建筑宜利用冷却塔提供空调冷水。作为一种节能技术,近来也有一些文献就其设计方法进行了交流[123]。这些文献的设计应用实例均在北京等寒冷地区(如文献[1]的冷却塔供冷工况设计转换点

是室外空气湿球温度1℃

)。实际上,近10年来上海地区已有少数建筑(如上海金光外滩中心等)设计中使用了此项技术,并能实现冬季节能运行。由于规范和设计手册中至今没有明确该系统的设计技术措施(即设计缺乏数据支持)等原因,目前各种图1是一个采用电动压缩式冷水机组的空调水系统,如果建筑(如大型电子计算机房,电子厂房,有大面积内区的商业、办公、酒店等)在冬季均有稳定的内部发热量,需要供冷,这时只要室外气温足够低(室外空气湿球温度也较低),系统配置的冷却塔便可以提供温度足够低的冷水,直

图1　冷却塔免费供冷原理

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接作为冷源来消除余热量。图1所示系统通过关闭制冷机,切换至板式换热器的方法,可以实现冷却塔供冷。由于冷水机组的耗电量在空调系统中占有极高的比例,利用冷却塔供冷节省了

大量的电费,所以常常被称为“免费供冷”(“free

cooling ”

)。2　冷却塔供冷系统设计方法分析

冷却塔供冷工程设计的一般程序如下:先计

算内区冷负荷(主要是照明、人员、电脑服务器等设备发热引起的冷负荷),对内外区分别设置空调系统,然后按冬季冷却塔的热工曲线确定关闭冷水机组的工况转换点:包括对应的室外湿球温度值及此时冷却水的供水温度、合理运行温差,空调系统的供水温度、运行温差,并选择免费供冷板式换热器或直接选用闭式冷却塔,再选择冷却水泵及空调水泵。

2.1　冷却塔免费供冷的系统设置形式及经济性2.1.1　冷却塔免费供冷系统按冷却水是否直接送

入空调末端设备可划分为两大类:间接供冷系统及直接供冷系统(必须采用闭式冷却塔)。文献[2]提出了利用闭式冷却塔直接供冷的经济性分析,并指

出约2年内可以收回投资,笔者对此有不同看法。

从某合资品牌冷却塔厂家了解到,一般开式冷却塔的价格约500元/(t/h )(冷却水流量),而闭式冷却塔的价格约2000元/(t/h )以上,即闭式冷却塔价格是开式冷却塔的4倍左右,这一点在文献[2]中

也得到了印证:设计实例中过渡季工况冷负荷为262kW ,夏季设计工况冷负荷为570kW ,而选用的闭式冷却塔(夏季用于冷水机组冷却,过渡季用于直接供冷)价格为28万元,基本相当于同样制冷量冷水机组价格的1.5倍。再看闭式冷却塔的投资回收期问题,该作者在计算冷水机组节电量时,采用了将主机功率142kW 乘以0.8再乘以105d (过渡季湿球温度连续5h 低于12℃的时间)的方法,而其过渡季工况冷负荷为262kW ,在此工况下,主机CO P 值只有262kW/(142kW ×0.8)=2.3,显然对水冷机组来说不可能这样低。按《公共

建筑节能设计标准》(G B 50189—2005)表5.4.5

的规定,相应容量的水冷机组CO P 应不小于4.3,考虑过渡季冷却水温低于32℃,其CO P 应大于4.3。如果按过渡季水冷机组部分负荷下CO P 为4.4,室外温度低于12℃的时间内平均冷负荷为

262kW 的0.8倍计算,投资回收期就大于5年。

从投资角度考虑,在舒适性空调工程设计中,采用

冷水机组+闭式冷却塔的组合可能性基本不存在,文献[2]也提出闭式冷却塔+开式冷却塔联合使用的方法还涉及到复杂的控制切换问题。笔者认为节能应同时考虑经济性,在没有实际工程证明闭式冷却塔直接供冷的投资回收期合理的情况下,舒适性空调工程中的冷却塔供冷形式应采取开式冷却塔(采用冷水机组已配的冷却塔)+板式换热器的方式(按上例,相同冷量对应的开式冷却塔+板式换热器的初投资不会超过闭式冷却塔价格的一半)。

2.1.2　间接供冷系统中换热器的经济性分析。与

其他换热器相比,板式换热器具有换热效率高、结构紧凑等特点。其投资回收期简单分析如下,某合资品牌的板式换热器价格约为1200元/m 2,冷热水侧温差按1℃计算,传热系数按6000W/(m 2・℃

),可换算得出每kW 换热量(即冬季供冷量)需增加的设备初投资约200元,另外板式换热器所接管道阀门及自控等以设备投资的50%估算,这样系统增加的初投资约为300元/kW 。如果冷水机组部分负荷的CO P =4.8,则每kW 供冷量所耗电量为0.21kW 。设电价为0.7元/(kWh ),每kW 供冷量的初投资回收时间约为T ,则每kW 换热量增加的初投资(板式换热器及接管道阀门等)=所节省的冷水机组耗电量×电价×初投资回收时间,即300=0.21×0.7T ,计算可得T =2041h 。

按上海地区的室外空气湿球温度年频率统计表[4]:空气湿球温度≤7℃的时间为2379h ,空气湿球温度≤6℃的时间为2080h 。这样,如果能在室外空气湿球温度≤6℃时实现冷却塔供冷,建筑功能为高级酒店(使用四管制水系统)和电脑机房时,空调系统24h 运行,所节省的压缩机耗电费用可以在1年内收回系统所增加的初投资。对于办公、商场的空调系统(日运行时间为8～10h ),估计可以在2年左右收回。

2.2　开式冷却塔免费供冷时的热工特性曲线、工

况切换点及各参数取值2.2.1　热工特性曲线

由于冬季温度较低,冷却塔中水与空气的蒸发传热和总传热量都减小,与夏季运行工况有很大区w w

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