冷卻塔全年運(yùn)行適宜條件分析

陳超等

摘要：以橫流濕式冷卻塔為分析對象，基于冷卻塔熱濕交換原理，結(jié)合其熱濕傳遞四變量模型以及所構(gòu)建的冷卻塔熱濕交換性能評價指標(biāo)，以冷卻塔額定工況的熱濕交換能力為比較基準(zhǔn)，重點(diǎn)分析了季節(jié)和室外氣象參數(shù)（溫度、濕度等）變化，對冷卻塔熱濕交換性能的影響規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了南京、武漢、重慶三地區(qū)全年運(yùn)行的適宜條件.研究結(jié)果表明：基于冷卻塔變水量條件，三地區(qū)夏季負(fù)荷高峰期（7，8月份）冷卻塔運(yùn)行適宜的水氣比為μ=0.5～1，夏季負(fù)荷平谷期（6，9月份）適宜的水氣比為μ=0.3～1；過渡季節(jié)，重慶地區(qū)不適宜運(yùn)行，南京和武漢地區(qū)適宜運(yùn)行的月份為3月和11月，水氣比為μ=0.4～0.6；冬季（1，2和12月份），三地區(qū)適宜的水氣比為μ=0.5～0.76.

關(guān)鍵詞：冷卻塔；全年運(yùn)行；熱濕交換性能；評價指標(biāo)；適宜條件

中圖分類號：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

冷卻塔作為空調(diào)系統(tǒng)的重要冷卻設(shè)備之一，近年在帶有內(nèi)區(qū)且內(nèi)部發(fā)熱負(fù)荷大的辦公建筑、數(shù)據(jù)中心、商店建筑這類全年供冷期長的建筑物中，被越來越多地應(yīng)用于非夏季工況的建筑物免費(fèi)供冷系統(tǒng)中[1-3].然而，冷卻塔的熱濕交換能力直接受室外氣象參數(shù)變化的影響.季節(jié)的變化及室外空氣濕球溫度、干球溫度的變化，將使運(yùn)行在非額定工況條件下的冷卻塔熱濕交換能力偏離冷卻塔生產(chǎn)廠家技術(shù)樣本提供的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)（廠家一般僅給出夏季額定工況條件下的性能參數(shù)）.關(guān)于這一點(diǎn)，目前沒有引起大家足夠的注意，即使在非夏季工況運(yùn)行的情況下，人們也仍然習(xí)慣性沿用產(chǎn)品技術(shù)樣本給出的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)評價，致使冷卻塔的綜合運(yùn)行效率偏低或達(dá)不到預(yù)期的冷卻效果.

國內(nèi)外學(xué)者對冷卻塔熱濕交換性能方面開展了大量的研究工作，F(xiàn)isenko等[4-5]研究了水滴尺寸、氣水比、氣象參數(shù)和進(jìn)口水溫等因素對冷卻塔傳熱效率的影響規(guī)律，并通過分別建立噴淋區(qū)和填料區(qū)的邊界層數(shù)學(xué)模型，研究了水滴的蒸發(fā)過程和水膜的冷卻過程.Hajidavalloo等[6]建立了橫流式冷卻塔的數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)分析了濕球溫度對冷卻塔熱濕傳遞性能的影響.ASHRAE[7]給出了冷卻塔的性能曲線，并分別分析了逆流塔、橫流塔的冷卻特性.曾憲平等[8]基于焓差模型并以逆流濕式冷卻塔為對象，分析了循環(huán)水流量對冷卻塔效率的影響.楊露露等[9]根據(jù)某實際工程的橫流冷卻塔的實測數(shù)據(jù)以及所建立的數(shù)學(xué)模型，分析了影響冷卻塔出口水溫的影響因素及其變化規(guī)律.

為了把握非額定工況運(yùn)行條件下（特別是過渡季節(jié)、冬季），影響冷卻塔高效運(yùn)行的因素及其適宜的運(yùn)行條件，本文以橫流濕式冷卻塔為研究對象，結(jié)合冷卻塔的基本熱濕傳遞數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)分析季節(jié)和室外氣象參數(shù)、冷卻水進(jìn)口溫度、水量、風(fēng)量等參數(shù)變化，對冷卻塔熱濕交換性能（冷量、能效系數(shù)、出水溫度、冷卻效率以及潛熱比）的影響規(guī)律；并以冷卻塔額定工況熱濕交換能力為比較基準(zhǔn)，給出冷卻塔全年運(yùn)行（非額定工況）的適宜條件，以期為冷卻塔全年高效節(jié)能運(yùn)行與系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù).

1冷卻塔熱濕交換過程分析

以空調(diào)工程中常用的橫流濕式冷卻塔（圖1）為分析對象.圖2為反映了其熱濕交換過程的空氣水狀態(tài)變化hd圖.即溫度為tW1的高溫水通過上水管進(jìn)入冷卻塔后通過噴嘴噴向填料，水滴垂直通過填料層時，與進(jìn)入冷卻塔的較低濕球溫度tS1的初狀態(tài)空氣1（t1，tS1，h1）熱濕交換后冷卻到tW2落入塔底水池；與此同時，初狀態(tài)的進(jìn)口空氣1（t1，tS1，h1）水平穿過填料與垂直下落的水滴正交，熱濕交換后變成高溫高濕的終狀態(tài)空氣2（t2，tS2，h2）由風(fēng)筒排出.由圖2可知，冷卻塔出口水溫tW2越接近進(jìn)塔空氣濕球溫度tS1，說明冷卻塔的熱濕交換越充分、冷卻效果越好.

為分析橫流冷卻塔水空氣熱濕交換過程，建立關(guān)于圖1橫流冷卻塔填料體的物理模型如圖3所示.

2.2冷卻塔的相對冷量

冷卻塔生產(chǎn)廠家通常給出的是夏季額定工況條件下的額定冷量Q0，而實際工程中，由于季節(jié)和室外氣象參數(shù)的變化，冷卻塔的實際運(yùn)行工況大多是偏離其額定設(shè)計工況的，致使其實際冷量Q也不同于額定冷量Q0（經(jīng)常有人忽略了這點(diǎn)）.

為便于比較評價，本文認(rèn)為在實際工程中可用冷卻塔的相對冷量β（實際冷量與額定冷量的比值Q/Q0）評價冷卻塔實際冷卻能力接近額定工況的程度.

2.3冷卻塔的相對能效系數(shù)

同理，也可用冷卻塔的相對能效系數(shù)ω（實際綜合能效系數(shù)與額定綜合能效系數(shù)的比值EER/EER0）比較并評估非額定工況條件下冷卻塔綜合能效系數(shù)接近額定工況的程度.

2.4冷卻塔的潛熱比

如圖2所示，在冷卻塔的熱濕交換過程中，進(jìn)入冷卻塔的初狀態(tài)進(jìn)口空氣1（t1，tS1，h1）通過與冷卻塔水側(cè)初始溫度為tW1的冷卻水進(jìn)行熱濕交換并從中獲得汽化潛熱和顯熱后，以終狀態(tài)的出口空氣2（t2，tS2，h2）離開冷卻塔的空氣水熱濕交換過程中，進(jìn)出口空氣的顯熱量與潛熱量均已發(fā)生了變化.因此，可用冷卻塔的潛熱比ηq（冷卻塔空氣側(cè)獲得的潛熱量與其獲得的全熱量之比）評價冷卻塔熱濕交換過程中潛熱量所占的比例.ηq越大說明冷卻水溫的降低主要依靠水份蒸發(fā)，反之說明水溫的降低主要依靠與進(jìn)口空氣的接觸散熱.

3全年運(yùn)行熱濕交換性能影響因素分析

3.1計算條件

為便于分析，以南京地區(qū)氣象參數(shù)為分析條件，圖4為南京地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象年室外空氣狀態(tài)[12]在hd圖上的分布狀態(tài).作為計算冷卻塔的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

3.2計算結(jié)果分析

3.2.1夏季7，8月變水量對冷卻塔熱濕交換性能

的影響（Case1）

由圖5（a）可知：1）隨著水氣比μ從0.25增大到1.5（μ=W/G0，W=0.33W0～2.0W0），冷卻塔的相對冷量β也不斷增大、其增加率先大后緩，最大時β=1.5（超過了額定工況的50%），增大水量提高了冷卻塔的熱濕交換能力；2）隨著室外濕球溫度的增大，相對冷量β呈減小趨緩，這是因為進(jìn)口濕球溫度的增加、熱濕傳遞的動力差減小了，直接影響了冷卻塔的熱濕交換能力；3）水氣比μ=0.3時冷卻塔的相對能效系數(shù)ω達(dá)到最大值為2.2，隨后迅速減小，且這種變化趨勢不受室外濕球溫度變化的影響.分析結(jié)果表明，過量增大冷卻水量，雖增強(qiáng)了冷卻塔的熱濕交換能力，但同時也增大了水泵能耗、致使系統(tǒng)能效系數(shù)降低.

由圖5（b）可知：1）當(dāng)水氣比μ從0.25增大到1.5，冷卻塔的冷卻效率ε呈不斷下降趨勢，且這種變化趨勢不受室外濕球溫度變化的影響（tS1=23～28 ℃）.這是因為，根據(jù)式（9），單邊增加冷卻水量而風(fēng)量不變，導(dǎo)致冷卻水出口水溫tW2逐漸上升，式（9）的分子不斷減小，而室外濕球溫度變化對式（9）分母的影響不大所致.

圖5（c）反映了Case1條件下，變化冷卻塔水流量對冷卻塔潛熱比ηq的影響規(guī)律，隨著水氣比μ增大，潛熱比ηq逐漸減小并趨穩(wěn).計算結(jié)果表明，夏季室外濕球溫度高、含濕量大，冷卻塔熱濕交換過程中，潛熱交換所占比例非常大.

在夏季7，8月，綜合圖5分析結(jié)果，當(dāng)冷卻塔水氣比為μ=0.5～1（μ=W/G0，W=0.67W0～1.33W0）時，Case1計算條件下的相對冷量β=0.6～1.4，相對能效系數(shù)ω=0.4～2，進(jìn)出口水溫差Δt=3～7.5 ℃，潛熱比ηq=0.85～0.95，tW2- tS1=4.3～6.6 ℃，此時冷卻塔熱濕交換性能處于相對較高的水平.

3.2.2夏季7、8月變風(fēng)量對冷卻塔熱濕交換性能

的影響（Case2）

當(dāng)冷卻水量為額定工況，改變冷卻塔風(fēng)量G（μ=W0/G=0.25～1.5，G=0.5G0～3G0），夏季空調(diào)負(fù)荷高峰期（7，8月），隨著室外濕球溫度變化，冷卻塔冷卻效率ε，出口水溫tW2，潛熱比ηq等的變化規(guī)律基本同Case1（圖5）；但相對冷量β、相對能效系數(shù)ω的變化規(guī)律則正好相反，這是因為隨著水氣比（μ=W/G0）的增大，由于冷卻水量為額定工況，風(fēng)量的減小導(dǎo)致冷卻水出口水溫升高，進(jìn)而相對冷量減?。涣硗?，與Case1（圖5（a））比較，當(dāng)μ>0.76以后，改變風(fēng)量對提高冷卻塔相對能效系數(shù)的影響甚微，說明改變冷卻水量更利于提高冷卻塔的能源利用效率.

為此，本文以下重點(diǎn)分析變水量運(yùn)行對冷卻塔熱濕性能的影響.

3.2.3夏季6，9月變水量對冷卻塔熱濕交換性能

的影響（Case3）

夏季空調(diào)負(fù)荷平谷期（6，9月），隨著室外濕球溫度的變化，改變冷卻水量W（μ=W/G0= 0.25～1.5，W=0.33W0～2.0W0），對冷卻塔熱濕交換性能的影響規(guī)律雖與Case1（圖5）基本趨同，但隨著室外濕球溫度的逐漸下降，冷卻塔的相對冷量β、相對能效系數(shù)ω、出口水溫tW2均優(yōu)于Case1，但潛熱比ηq減小了，約為0.80～0.85.

在夏季6，9月，當(dāng)水氣比μ=0.3～1（μ=W/G0，W=0.4W0～1.33W0）時，Case3計算條件下的相對冷量β=0.6～1.4，相對能效系數(shù)ω=0.5～2.4，進(jìn)出口水溫差Δt=4～10 ℃、潛熱比ηq=0.8～0.9，tW2- tS1=2～8.8 ℃，此時冷卻塔熱濕交換性能處于相對較高的水平.

3.2.4過渡季節(jié)變水量對冷卻塔熱濕交換性能的

影響（Case4）

過渡季節(jié)（3，4，5，10，11月），隨著室外濕球溫度的變化，改變冷卻水量W（μ=W/G0=0.25～1.5， W=0.33W0～2.0W0），對冷卻塔熱濕交換性能影響的分析結(jié)果表明，過渡季節(jié)，增大冷卻水量、提高水氣比μ，對提高冷卻塔冷卻能力的作用非常有限，相反降低了綜合能效系數(shù)；另外，隨著室外濕球溫度的降低，潛熱比ηq也隨之減小，冷卻塔空氣與水的熱濕交換主要通過溫差換熱；再之，當(dāng)室外濕球溫度tS1≤9 ℃時，冷卻塔的出口水溫tW2可低于14 ℃.

過渡季節(jié)（3，4，5，10，11月），當(dāng)冷卻塔水氣比為μ=0.5～0.76（μ=W/G0，W=0.67W0～W0）時，Case4計算條件下的相對冷量β=0.4～0.75，相對能效系數(shù)ω=0.4～1.3，進(jìn)出口水溫差Δt=2.3～4.5 ℃，潛熱比ηq=0.65～0.87，tW2- tS1=3～7.5 ℃，此時冷卻塔熱濕交換性能相對比較好.

3.2.5冬季變水量對冷卻塔熱濕交換性能的影響

（Case5）

冬季（12月—2月）隨著室外濕球溫度變化，改變冷卻水量W（μ=W/G0=0.25～1.5，W=0.33W0～ 2.0W0），對冷卻塔熱濕交換性能影響的分析結(jié)果表明，南京地區(qū)的冬季低溫高濕，冷卻塔空氣與水的熱濕交換主要依靠溫差換熱，冷卻塔的潛熱比ηq約為0.55～0.75，且相對冷量明顯低于夏季，不過此時冷卻水出口水溫已接近制冷機(jī)的水平.

冬季12—2月，當(dāng)水氣比為μ=0.5～0.76 （μ= W/G0，W=0.67W0～W0）時，Case5計算條件下的相對冷量β=0.3～0.7，相對能效系數(shù)ω=0.4～1.2， 進(jìn)出口水溫差Δt=2～4.5 ℃，潛熱比ηq=0.55～0.75， tW2- tS1=3.7～8.8 ℃，此時冷卻塔熱濕交換性能相對比較好.

3.2.6室外氣象參數(shù)變化對冷卻塔熱濕交換能力

的影響

圖6反映了室外氣象參數(shù)變化對冷卻塔熱濕交換能力的影響關(guān)系.由圖6可見，夏季工況（7，8月），雖室外干、濕球溫度、以及冷卻水的進(jìn)口水溫都比較高，但最大理論焓差（Δh1）也大，并且潛熱換熱量是該季節(jié)冷卻塔熱濕交換的主體；隨著夏季向過渡季節(jié)、冬季的轉(zhuǎn)換，室外干、濕球溫度也隨著降低，冷卻水的進(jìn)口水溫也相應(yīng)在降低，此時，冷卻塔的最大理論焓差（Δh2）較夏季明顯減少，并且顯熱換熱量成為冷卻塔熱濕交換的主體，該季節(jié)冷卻塔可提供的冷量明顯低于夏季.夏季變水量工況，當(dāng)水氣比較小時（μ=0.25～0.50），甚至有潛熱比ηq>1的情況出現(xiàn)（圖5（c））；而過渡季節(jié)和冬季，溫差傳熱逐步成為冷卻塔熱濕交換的主體， 潛熱比ηq隨之下降.

4三地區(qū)冷卻塔全年運(yùn)行適宜條件分析

為了應(yīng)用第3節(jié)的研究結(jié)果，科學(xué)地制定冷卻塔全年運(yùn)行策略，本研究擬以南京、武漢、重慶地區(qū)為分析地區(qū)，進(jìn)行相關(guān)問題討論.

異，特別是冬季的差異性較大，其中南京地區(qū)室外月平均濕球溫度最低，武漢地區(qū)其次，重慶地區(qū)最高，冬季約高出其他兩地區(qū)4～6 ℃.

通常，室外濕球溫度tS1≤9 ℃時冷卻塔即有可能提供小于14 ℃的出口水溫.基于第3節(jié)的分析結(jié)果，在確保出口水溫≤14 ℃的前提下，本文以冷卻塔相對冷量β≥0.5，相對能效系數(shù)ω≥0.5作為判斷冷卻塔過渡季節(jié)非額定工況運(yùn)行適宜條件的判斷依據(jù).根據(jù)表1以及第1節(jié)關(guān)于冷卻水出口水溫的計算方法，比較分析得到南京、武漢、重慶三地區(qū)冷卻塔過渡季節(jié)和冬季高效運(yùn)行的適宜條件（表3）：南京、武漢地區(qū)適宜運(yùn)行的月份同為3月、11月、1月、2月、12月，此時對應(yīng)的水氣比分別是：3月和11月為μ=0.4～0.6，1月、2月、12月為μ=0.5～0.76；而重慶地區(qū)過渡季節(jié)因室外空氣濕球溫度偏高，不適宜冷卻塔運(yùn)行，冬季適宜的水氣比同前兩城市.

5結(jié)論

本文以橫流濕式冷卻塔為分析對象，根據(jù)冷卻塔熱濕交換原理并結(jié)合其熱濕傳遞四變量模型，以冷卻塔額定工況性能參數(shù)為比較基準(zhǔn)，對冷卻塔全年熱濕交換性能的影響規(guī)律及其全年運(yùn)行的適宜條件進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1）以冷卻塔額定工況性能參數(shù)為比較基準(zhǔn)，提出了關(guān)于冷卻塔全年運(yùn)行熱濕交換性能評價的指標(biāo)：冷卻塔的冷卻效率ε，相對冷量β，相對能效系數(shù)ω和潛熱比ηq.

2）計算結(jié)果表明，與變水量工況比較，當(dāng)水氣比μ>0.76，變風(fēng)量對提高冷卻塔相對能效系數(shù)ω的影響甚微.即變水量方式更利于冷卻塔冷卻效率的提高.

3）基于冷卻塔變水量運(yùn)行條件，南京、武漢、重慶三地區(qū)冷卻塔全年運(yùn)行的適宜條件：三地區(qū)夏季負(fù)荷高峰期（7，8月份）冷卻塔運(yùn)行適宜的水氣比為μ=0.5～1，夏季負(fù)荷平谷期（6，9月份）適宜的水氣比為μ=0.3～1；過渡季節(jié)，重慶地區(qū)不適于運(yùn)行，南京和武漢地區(qū)適宜運(yùn)行的月份為3月和11月，水氣比為μ=0.4～0.6；冬季（1，2，12月份），三地區(qū)適宜的水氣比為μ=0.5～0.76.

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