空調水系統中的冷卻塔節能性研究論文
摘 要：通過(guò)分析不同因素對冷卻塔冷卻能力的影響，從運行過(guò)程中節約風(fēng)機、水泵等能耗的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，總結了利用冷卻塔節能的各種實(shí)施方法。室外空氣濕球溫度，入口水溫，及冷卻水量的變化都將引起冷卻塔冷卻能力的變化。為了用戶(hù)的最大限度節能，冷卻塔的生產(chǎn)廠(chǎng)家在設計與制造過(guò)程中應多考慮冷卻塔的自控功能，并且提供冷卻塔在冬夏兩種工況的熱工參數。
關(guān)鍵詞：冷卻塔；溫度調節器；節能；冷卻塔供冷
冷卻塔被廣泛地應用于制冷空調系統及工業(yè)設備的冷卻水系統。對于空調用戶(hù)而言，冷卻塔的功耗在整個(gè)空調系統的能耗中也占有一定的比例，而且由于其使用頻率高，累計能耗是十分可觀(guān)的。從節能的角度講，我們應當對空調系統中冷卻塔的耗能給予同樣的重視，系統節能應整體考慮。為了適應越來(lái)越高的節能要求，我們應該分析影響冷卻塔冷卻能力的因素，從運行過(guò)程中節約風(fēng)機、水泵等能耗的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，找出冷卻塔節能的各種實(shí)施方法，在能源日趨緊張的今天，是一項十分有意義的工作。
當前，國內外冷卻塔的節能研究(以機械通風(fēng)濕式塔為主)主要集中在以下幾個(gè)方面：
(1)改進(jìn)冷卻塔體的結構，優(yōu)化冷卻塔內部構件的布置，使氣、水分布均化，減少阻力，提高效率；
(2)改進(jìn)冷卻塔運行方式，減少能耗；
(3)高溫水在進(jìn)入冷卻塔之前，先進(jìn)行一定的“預處理”，使水進(jìn)入冷卻塔后能增大與空氣的接觸面積和接觸時(shí)間，以達到節水和節能的目的。
1.冷卻塔性能
在制冷空調系統中，冷卻塔起著(zhù)非常重要的作用。從熱力學(xué)方面考慮有3種基本形式的冷卻塔：濕式(蒸發(fā)式)、干式、濕干混合式。目前應用較廣泛的是濕式(蒸發(fā)式)冷卻塔。冷卻水通過(guò)冷卻塔與外界空氣同時(shí)進(jìn)行著(zhù)熱量和質(zhì)量的交換，熱量分為顯熱和潛熱兩部分。冷卻水通過(guò)冷卻塔與外界空氣同時(shí)進(jìn)行著(zhù)熱量和質(zhì)量的交換，熱量分為顯熱和潛熱兩部分。假若換熱量全部為水的.潛熱，則冷卻水降低6℃，蒸發(fā)的水量不及供水量的1/100。冷卻塔的性能與溫度范圍和接近度有關(guān)。溫度范圍是指冷卻塔出水與進(jìn)水的溫度差。冷卻塔的選擇與以下幾個(gè)因素有關(guān)：需冷卻的熱負荷，冷卻的溫度范圍，接近度，濕球溫度。
2.冷卻塔的冷卻能力
冷卻塔的冷卻作用是通過(guò)水與空氣進(jìn)行直接或間接的熱、質(zhì)交換來(lái)實(shí)現的。為了達到節能的目的，首先我們應該清楚影響冷卻塔冷卻能力的各個(gè)因素，以便在運行過(guò)程中采取適當的措施，使冷卻負荷與冷卻能力相匹配，盡可能地節省能耗。對結構已經(jīng)確定的冷卻塔而言，影響冷卻塔的冷卻能力的主要因素有：室外空氣(濕球)溫度、冷卻水入口溫度、冷卻水量及誘導風(fēng)量等。
(1)室外空氣(濕球)溫度
冷卻塔出口水溫度的理論極限值為室外空氣的濕球溫度。因此，當水量一定，入口水溫一定時(shí)，室外空氣的濕球溫度越低，與入口水溫之差越大，冷卻塔冷卻能力就越強。但是我們必須注意的是冷卻水溫度太低的話(huà)，制冷機組的冷凝壓力會(huì )大幅度降低。因為對于制冷機冷凝器冷凝壓力有一個(gè)低限，冷凝溫度也有一個(gè)低溫限制，所以冷凝溫度過(guò)低，將導致制冷機組運行容易出現故障。
(2)入水口溫差
當冷卻水量一定，室外空氣濕球溫度一定時(shí)，隨著(zhù)冷卻塔入口水溫的增加，入口水溫及出口水溫與空氣濕球溫度之差都將增加，促進(jìn)了冷卻，因此冷卻能力會(huì )增加。但是對于某一結構形式已確定的冷卻塔而言，由于冷卻能力的限制，可能使出水口水溫有較大的升高，這樣可能導致制冷機組的冷凝壓力過(guò)高，使機組制冷量不足。
(3)冷卻水量
當冷卻水入口水溫、空氣濕球溫度一定時(shí)，冷卻水量增加，冷卻塔的總容積傳熱系數也會(huì )增加，雖然冷卻水溫降有所減少，但總的效果還會(huì )使制冷能力增加。但也要注意的是，由于水量的增加，將使配管內的腐蝕、管內壓力損失增加。因此必須在檢驗循環(huán)水泵，制冷機組及冷卻塔等設備的使用條件后才能確定。
3.冷卻塔的運行與節能途徑
由上所述，室外空氣濕球溫度，入口水溫，及冷卻水量的變化都將引起冷卻塔冷卻能力的變化。因此，如果在運行過(guò)程中，當室外空氣(濕球)溫度變化或冷卻負荷發(fā)生改變時(shí)，充分利用上述特性，采用適當的措施必然能做到使冷卻塔的冷卻能力與冷卻負荷相匹配，從而節省運行能耗。
(1)通過(guò)溫度調節器控制風(fēng)機的啟、停
當冬季室外空氣(濕球)溫度降低時(shí)，冷卻塔的冷卻能力增加，出口水溫降低，由溫度調節器感知水溫，停止風(fēng)機運轉，達到防止水溫過(guò)低及節能的目的。
(2)通過(guò)調速裝置改變風(fēng)機用電機的轉速
由于室外空氣濕球溫度的變化是隨機性的，采用調速裝置可以改變風(fēng)機用電機的轉速，可以使電機實(shí)現無(wú)級調速，從而獲得更好的節能效果，同時(shí)也可以減少風(fēng)機的啟、停次數，延長(cháng)風(fēng)機的使用壽命。根據生產(chǎn)的需要預先設定供水溫度，由氣候氣象環(huán)境對水溫的影響、系統換熱條件的改變對水溫的影響，用溫感探頭的實(shí)測值反應出來(lái)，最終通過(guò)調控降溫設備的能耗來(lái)穩定供水溫度，實(shí)現自控節能。
(3)風(fēng)機臺數控制
當空調系統有幾臺冷卻塔或每臺冷卻塔有幾臺風(fēng)機時(shí)，風(fēng)量的調節可以通過(guò)風(fēng)機臺數控制來(lái)實(shí)現，根據需要來(lái)確定風(fēng)機開(kāi)啟的臺數，因此這種調節手段更強，調節范圍更大，且水溫比較穩定，尤適合在制冷負荷變化不大而室外空氣參數變化大的情況下使用，工業(yè)用冷卻塔上最為實(shí)用。表3-1 為維持冷卻塔出水溫度32℃不變，室外空氣濕球溫度變化與風(fēng)機開(kāi)啟臺數變化對應表。風(fēng)機的開(kāi)與停，可以采用手動(dòng)，也可通過(guò)溫感來(lái)實(shí)現自動(dòng)控制。根據測量供水溫度的變化，自動(dòng)調節風(fēng)機的開(kāi)、停機數量達到控溫節能的目的，從而節省冷卻塔風(fēng)機能耗。
表 3－1
(4)封閉式冷卻塔灑水泵的運行控制
當室外空氣(濕球)溫度降低或者冷卻負荷減少時(shí)，可通過(guò)設置在冷卻塔內的溫控器關(guān)閉灑水泵，節約灑水泵的能耗。當灑水泵停止運行時(shí)，冷卻水僅僅靠與空氣的顯熱交換來(lái)冷卻。
(5)冷卻塔進(jìn)水控制
以往的研究基本上局限于冷卻塔本身，而對冷卻塔的處理對象——待冷卻高溫水卻涉及很少，如果讓高溫水在進(jìn)入冷卻塔之前，先進(jìn)行一定的“預處理”，改變氣、水之間的傳熱、傳質(zhì)性能，同樣也能達到節水和節能的目的。同濟大學(xué)[5]做法：以現有的冷卻塔為基礎，在進(jìn)水管裝上溶氣設備(溶氣罐或射流溶氣器)，利用一定的壓力將空氣溶于進(jìn)水中，然后再進(jìn)行冷卻。改進(jìn)后的冷卻塔的容積散質(zhì)系數比原來(lái)提高15％—20％，冷卻效率大大提高。
(6)冷卻塔直接供冷系統。
在前面已經(jīng)講到，在空調的水系統中，通常情況下，被冷卻塔冷卻的水流經(jīng)制冷機組的冷凝器，形成冷卻塔——冷凝器的冷卻水循環(huán)環(huán)路，系統的另一循環(huán)環(huán)路為蒸發(fā)器——用戶(hù)的冷凍水環(huán)路。如果當室外空氣濕球溫度下降到某一值時(shí)，制冷機組可以停止運行，由冷卻塔冷卻的冷卻水可直接送入用戶(hù)空調末端，形成冷卻塔——用戶(hù)的循環(huán)環(huán)路，即冷卻塔直接供冷的模式。這樣，設計通過(guò)兩個(gè)途徑節省能耗：1)停止制冷機組可以節省大部分能耗，2)系統的循環(huán)水泵由冷卻水泵與冷凍水泵同時(shí)運行變成只有冷卻水泵運行。
對空調用戶(hù)而言，所消耗電量為制冷機組、冷卻塔、水泵等系統各部分耗電量的總和。因此，節約各部分的耗電量對于用戶(hù)同等重要，這樣才有可能保證系統總體上節能。在空調系統中利用冷卻塔節能，可以從改變其自身的運行工況著(zhù)手，也可以從冷卻塔系統的角度，充分利用冷卻塔的冷卻能力。為了用戶(hù)的最大限度節能，冷卻塔的生產(chǎn)廠(chǎng)家在設計與制造過(guò)程中應多考慮冷卻塔的自控功能，并且提供冷卻塔在冬夏兩種工況的熱工參數。
4.結論
我國是個(gè)淡水嚴重短缺的國家，而經(jīng)濟確以驚人的速度增長(cháng)，人民生活水平的提高，使得空調的普及率迅速升高，因此對空調水系統的冷卻塔節水節能提出了更高的要求，雖然冷卻塔的運行節能往往被忽視，但筆者相信，隨著(zhù)控制技術(shù)的不斷提高和制造成本的不斷下降，冷卻塔的節能技術(shù)將會(huì )被用戶(hù)更多地接受和采用。冷卻塔的節能有多條途徑，而且隨著(zhù)研究工作的不斷深入，還會(huì )有各種新的方法不斷出現。各種方法、途徑之間不是孤立的，而是相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系。在實(shí)際操作中，既可以從某一角度對冷卻塔進(jìn)行節能改造，也可以從多方面綜合評價(jià)，最終目的都是為了使冷卻塔效率達到最優(yōu)，節能節水率達到最高，以緩解當前緊張的水資源和能源問(wèn)題。
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