高层建筑冷却塔供冷技术的应用

　　随着我国城市建设的发展，大型建筑、高层建筑、超高层建筑的数量迅速增长，本文主要探讨冷却塔供冷技术的应用。

　　《建筑施工》(月刊)创刊于1979年，由上海建工(集团)总公司主办。其内容套萃精英、博采众长,凸现中华建筑施工之大成,是中国自然科学建筑类核心期刊,近期又被评为"中国期刊方阵"的社会效益、经济效益好的"双效"科技期刊。

　　目前很多进深较大的建筑物均区分内、外区，这类建筑物存在着大面积的内区(无外围结构和传热负荷)，内区中有人员、照明设备的散热，并常有电脑和其他具有高显热的电气设备(如传真机、复印机等)散热形成冷负荷，因此内区往往需要全年供冷以维持舒适的室内环境温度。对于除夏季仍需供冷的建筑物来说，可以在过渡季节和冬季利用室外的自然冷源来实现对室内的供冷，避免开启制冷机组以节省空调系统的耗电量，这就需要使用到冷却塔供冷技术。

　　2005年7月1日实施的GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》第5.4.13条明确提出，对冬季或过渡季存在一定量供冷需求的建筑，经技术经济分析合理时应利用冷却塔提供空气调节冷水。冷却塔提供空气调节冷水是指在原有常规空调水系统基础上增设部分管路和设备，当室外空气湿球温度达到一定条件时，可以关闭水冷式制冷机组，以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调系统供冷，提供建筑物空调所需的冷负荷，这就是冷却塔供冷技术。

　　在本人实施的沈阳中街大悦城商场，由于内区有大量灯光照射，发热设备多，且人员流动量大，因此设计了一套在过渡季节使用的小型冷冻机组和冷却塔制冷系统，冷负荷为2100KW。本人在理解冷却塔供冷的原理，针对过渡季节和冬季的特点，讨论了冷却塔供冷技术的适用条件，提出在完善系统的基础上，增加水箱等辅助设备，防止系统运行时设备及管道内存水结冰，保证系统正常运行。

　　以开式冷却塔加板换器的间接冷却塔供冷系统为例，该系统的主要用能部件有冷却塔(风机)、冷却水泵、冷冻水泵、末端空气处理设备(详见下图)。

　　如上图所示，在原有的空调系统中增设了一个热交换器(通常会使用板式换热器)与制冷机组并联，从冷却塔来的冷却水通过板式换热器与封闭的冷冻水循环进行热交换。这样，冷却水循环与冷冻水循环是两个独立的循环，冷冻水系统和冷却水系统是隔离的，并不直接接触，从而避免了冷冻水管路被污染、腐蚀和堵塞问题。在冷却水间接供冷系统中多采用板式换热器，是因为板式换热器在中温低压的水循环中是最适用的，体积小、换热能力强，能够最小程度地减小换热温差。

　　值得一提的是，在系统中还需在室内增加了一个过渡水箱(不会出现冰冻现象)。这个水箱的功能是当系统停止运行后，冷却塔集水盘及冷却塔至水箱段的水会因重力全部流至该水箱内，避免室外管道存水结冰冻坏管道。当水泵再次启动时，水箱内的存水又能重复利用于系统循环。水箱的体积如何确定，下面我们来具体分析下。

　　水箱的体积由两部分组成，第一部分，因为冷却塔及冷却塔至水箱段内无水，水泵启动瞬间，水箱应有足够水量弥补该部分水体保证出水管的水能流经冷却塔和空管道到达水箱，使系统恢复供水与回水同步的稳定状态，此体积为V1。第二部分，水泵停止运行后，水箱应有足够空间储存冷却塔及冷却塔至水箱段管道内存水的体积，此体积为V2。过渡水箱的总体积应为V=V1+V2。

　　V1和V2的体积大小是一样的，都是冷却塔存水体积及冷却塔至水箱段管道内存水体积的总和。以大悦城为例，冷却塔DN300回水管出水口至水箱的高差为h=13米，水平管道长度为L1=12米，冷却塔尺寸L×W×H为5550×3360×3850，集水盘存水深度约为200mm。

　　冷却塔集水盘体积V塔=L长×W宽×H水高=5.55×3.36×0.2=3.74m3

　　管道体积V管=管截面积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

　　因此水箱的有效容积应为V=V1+V2=5.51+5.51=11.02m3，在此选用容积为12m3的水箱，其尺寸L×W×H为2000×2000×3000。为了保证第一部分水量V1的基本水量，水箱按此水量设置固定补水，补水点的标高H1=V1/水箱截面积S水箱=5.51÷2÷2=1.38m。即在水箱的1.38米至1.4米高处设置自来水补水装置，由浮球阀自动控制，而冷却塔就不需要再设置补水装置。考虑到第二部分的水量太大，且具有瞬时性的特点，因此水箱的泄水存在风险，应将泄水管道直接通过立管接至室外可靠排水点，防止发生冒水事故。

　　当冬季室外温度低于零度时，系统内的水存在结冰的可能，因此与空气直接接触的设备、管道存在冻坏风险，对系统应增加以下辅助设施：1、室外管道全部设置电伴热，并加设保温，以防止管道结冰;2、在冷却塔集水盘内设置电加热器，防止集水盘内水体结冰;3、系统内加注乙二醇，降低冷却水冰点，防止结冰。

　　通过此冷却塔供冷技术的应用，合理选用相关辅助设施，保障了环境的舒适，成功解决了内区的散热、外围结冰防护等问题，节约了电能，取得了较好的效果。

　　冷却塔供冷并不是绝对意义上的免费，因为利用冷却塔产生低温冷却水供入空调系统末端仍需消耗冷却塔、水泵等设备运行消耗电能。但其避免了开启制冷机组所产生的相对较大的能耗，因此可以相对地将冷却塔供冷视为“免费”的供冷方式。以沈阳为例，自秋分时节(9月23日)开始，气温基本保持在0℃-15℃左右，早晚温差大。在每日商业开业前期不开启冷冻机组，而只使用冷却塔加板换系统供冷，待中午气温超过10℃再启用制冷机组。而当下午气温低于10℃后，停止制冷机组，再启用冷却塔加板换系统供冷。这样按商场营业11小时计算，启用冷冻机组的时间大致为4小时，启用冷却塔加板换的时间约为7小时。且随着时间的推移，每日的气温会逐步下降，这样冷却塔供冷就能发挥更大的优势。以2110KW(600RT)的离心式冷水机组为例，功率为394KW，按每日能少运行制冷机组7小时来计算，则每日能节省的耗电量为394千瓦×7小时=2758(千瓦时)，一个月能节省耗电量为82740千瓦时，合计节约电能约68000(商业电费0.83元/度)。如果是冬季的话，则能节省的耗电量为394千瓦×11小时=4334(千瓦时)，一个月能节省耗电量约为130020千瓦时，合计节约电能约108000(商业电费0.83元/度)。

　　在我国，适合于冷却塔供冷技术条件的大型超市、商场、办公建筑、具有高显热的大中型计算机房、要求空调系统全年供冷的建筑越来越多，这为冷却塔供冷技术在我国的应用与推广提供了机遇。