高層建筑冷卻塔供冷技術的應用

　　隨著我國城市建設的發展，大型建筑、高層建筑、超高層建筑的數量迅速增長，本文主要探討冷卻塔供冷技術的應用。

　　《建筑施工》(月刊)創刊于1979年，由上海建工(集團)總公司主辦。其內容套萃精英、博采眾長,凸現中華建筑施工之大成,是中國自然科學建筑類核心期刊,近期又被評為"中國期刊方陣"的社會效益、經濟效益好的"雙效"科技期刊。

　　目前很多進深較大的建筑物均區分內、外區，這類建筑物存在著大面積的內區(無外圍結構和傳熱負荷)，內區中有人員、照明設備的散熱，并常有電腦和其他具有高顯熱的電氣設備(如傳真機、復印機等)散熱形成冷負荷，因此內區往往需要全年供冷以維持舒適的室內環境溫度。對于除夏季仍需供冷的建筑物來說，可以在過渡季節和冬季利用室外的自然冷源來實現對室內的供冷，避免開啟制冷機組以節省空調系統的耗電量，這就需要使用到冷卻塔供冷技術。

　　2005年7月1日實施的GB50189-2005《公共建筑節能設計標準》第5.4.13條明確提出，對冬季或過渡季存在一定量供冷需求的建筑，經技術經濟分析合理時應利用冷卻塔提供空氣調節冷水。冷卻塔提供空氣調節冷水是指在原有常規空調水系統基礎上增設部分管路和設備，當室外空氣濕球溫度達到一定條件時，可以關閉水冷式制冷機組，以流經冷卻塔的循環冷卻水直接或間接向空調系統供冷，提供建筑物空調所需的冷負荷，這就是冷卻塔供冷技術。

　　在本人實施的沈陽中街大悅城商場，由于內區有大量燈光照射，發熱設備多，且人員流動量大，因此設計了一套在過渡季節使用的小型冷凍機組和冷卻塔制冷系統，冷負荷為2100KW。本人在理解冷卻塔供冷的原理，針對過渡季節和冬季的特點，討論了冷卻塔供冷技術的適用條件，提出在完善系統的基礎上，增加水箱等輔助設備，防止系統運行時設備及管道內存水結冰，保證系統正常運行。

　　以開式冷卻塔加板換器的間接冷卻塔供冷系統為例，該系統的主要用能部件有冷卻塔(風機)、冷卻水泵、冷凍水泵、末端空氣處理設備(詳見下圖)。

　　如上圖所示，在原有的空調系統中增設了一個熱交換器(通常會使用板式換熱器)與制冷機組并聯，從冷卻塔來的冷卻水通過板式換熱器與封閉的冷凍水循環進行熱交換。這樣，冷卻水循環與冷凍水循環是兩個獨立的循環，冷凍水系統和冷卻水系統是隔離的，并不直接接觸，從而避免了冷凍水管路被污染、腐蝕和堵塞問題。在冷卻水間接供冷系統中多采用板式換熱器，是因為板式換熱器在中溫低壓的水循環中是最適用的，體積小、換熱能力強，能夠最小程度地減小換熱溫差。

　　值得一提的是，在系統中還需在室內增加了一個過渡水箱(不會出現冰凍現象)。這個水箱的功能是當系統停止運行后，冷卻塔集水盤及冷卻塔至水箱段的水會因重力全部流至該水箱內，避免室外管道存水結冰凍壞管道。當水泵再次啟動時，水箱內的存水又能重復利用于系統循環。水箱的體積如何確定，下面我們來具體分析下。

　　水箱的體積由兩部分組成，第一部分，因為冷卻塔及冷卻塔至水箱段內無水，水泵啟動瞬間，水箱應有足夠水量彌補該部分水體保證出水管的水能流經冷卻塔和空管道到達水箱，使系統恢復供水與回水同步的穩定狀態，此體積為V1。第二部分，水泵停止運行后，水箱應有足夠空間儲存冷卻塔及冷卻塔至水箱段管道內存水的體積，此體積為V2。過渡水箱的總體積應為V=V1+V2。

　　V1和V2的體積大小是一樣的，都是冷卻塔存水體積及冷卻塔至水箱段管道內存水體積的總和。以大悅城為例，冷卻塔DN300回水管出水口至水箱的高差為h=13米，水平管道長度為L1=12米，冷卻塔尺寸L×W×H為5550×3360×3850，集水盤存水深度約為200mm。

　　冷卻塔集水盤體積V塔=L長×W寬×H水高=5.55×3.36×0.2=3.74m3

　　管道體積V管=管截面積S管×L管=3.14×0.15×0.15×25=1.77m3

　　V1=V2=V塔+V管=3.74+1.77=5.51m3

　　因此水箱的有效容積應為V=V1+V2=5.51+5.51=11.02m3，在此選用容積為12m3的水箱，其尺寸L×W×H為2000×2000×3000。為了保證第一部分水量V1的基本水量，水箱按此水量設置固定補水，補水點的標高H1=V1/水箱截面積S水箱=5.51÷2÷2=1.38m。即在水箱的1.38米至1.4米高處設置自來水補水裝置，由浮球閥自動控制，而冷卻塔就不需要再設置補水裝置。考慮到第二部分的水量太大，且具有瞬時性的特點，因此水箱的泄水存在風險，應將泄水管道直接通過立管接至室外可靠排水點，防止發生冒水事故。

　　當冬季室外溫度低于零度時，系統內的水存在結冰的可能，因此與空氣直接接觸的設備、管道存在凍壞風險，對系統應增加以下輔助設施：1、室外管道全部設置電伴熱，并加設保溫，以防止管道結冰;2、在冷卻塔集水盤內設置電加熱器，防止集水盤內水體結冰;3、系統內加注乙二醇，降低冷卻水冰點，防止結冰。

　　通過此冷卻塔供冷技術的應用，合理選用相關輔助設施，保障了環境的舒適，成功解決了內區的散熱、外圍結冰防護等問題，節約了電能，取得了較好的效果。

　　冷卻塔供冷并不是絕對意義上的免費，因為利用冷卻塔產生低溫冷卻水供入空調系統末端仍需消耗冷卻塔、水泵等設備運行消耗電能。但其避免了開啟制冷機組所產生的相對較大的能耗，因此可以相對地將冷卻塔供冷視為“免費”的供冷方式。以沈陽為例，自秋分時節(9月23日)開始，氣溫基本保持在0℃-15℃左右，早晚溫差大。在每日商業開業前期不開啟冷凍機組，而只使用冷卻塔加板換系統供冷，待中午氣溫超過10℃再啟用制冷機組。而當下午氣溫低于10℃后，停止制冷機組，再啟用冷卻塔加板換系統供冷。這樣按商場營業11小時計算，啟用冷凍機組的時間大致為4小時，啟用冷卻塔加板換的時間約為7小時。且隨著時間的推移，每日的氣溫會逐步下降，這樣冷卻塔供冷就能發揮更大的優勢。以2110KW(600RT)的離心式冷水機組為例，功率為394KW，按每日能少運行制冷機組7小時來計算，則每日能節省的耗電量為394千瓦×7小時=2758(千瓦時)，一個月能節省耗電量為82740千瓦時，合計節約電能約68000(商業電費0.83元/度)。如果是冬季的話，則能節省的耗電量為394千瓦×11小時=4334(千瓦時)，一個月能節省耗電量約為130020千瓦時，合計節約電能約108000(商業電費0.83元/度)。

　　在我國，適合于冷卻塔供冷技術條件的大型超市、商場、辦公建筑、具有高顯熱的大中型計算機房、要求空調系統全年供冷的建筑越來越多，這為冷卻塔供冷技術在我國的應用與推廣提供了機遇。