中央空調(diào)冬季冷卻塔供冷節(jié)能實踐

康乳國*1，張 宏1，顧德俊2

（1- 寶鋼發(fā)展有限公司工廠維護部, 上海 201900；2- 寶鋼工程技術(shù)有限公司, 上海 200437）

中央空調(diào)冬季冷卻塔供冷節(jié)能實踐

康乳國*1，張 宏1，顧德俊2

（1- 寶鋼發(fā)展有限公司工廠維護部, 上海 201900；2- 寶鋼工程技術(shù)有限公司, 上海 200437）

對于全年供冷的中央空調(diào)系統(tǒng)，冬季采用冷卻塔代替冷水機組為空調(diào)供冷水，是非常理想的節(jié)能措施之一。本文根據(jù)不同工程實踐，分析了不同冷卻水系統(tǒng)的可行方案及注意事項，可供設(shè)計及管理人員參考。

中央空調(diào) 冷卻塔 冬季供冷 節(jié)能

*康乳國（1965-），男，工程師，主要從事空調(diào)制冷設(shè)備維護。聯(lián)系地址：上海市寶山區(qū)湄浦路360號丙1，寶鋼發(fā)展有

限公司工廠維護部，郵編：201900，電話：021-26646241，電子郵箱：yukey219@hotmail.com。

1 問題的由來

大型現(xiàn)代化企業(yè)，工藝復(fù)雜、自動化程度高，電氣設(shè)備多，往往一條工藝生產(chǎn)線設(shè)置了多個電氣室。電氣設(shè)備發(fā)熱量較大時，一般均采用單冷空調(diào)。當生產(chǎn)線規(guī)模大、電氣室又多，尤其適用集中制冷分散式中央空調(diào)。管理方便、運行費用低、安全可靠。其工藝流程如圖1所示。這個工藝流程，實質(zhì)是通過多級換熱設(shè)備，將電氣室的熱量排到大氣中。一般設(shè)計中，換熱設(shè)備一級比一級大，往往冷卻塔總換熱能力比空調(diào)箱的總換熱能力至少大1.8～2.0倍。每個換熱循環(huán)，系統(tǒng)設(shè)備消耗了大量的能源。其中以冷水機組能耗最大。

、圖1所示工藝流程常用節(jié)能方案是，在氣象條件合適的季節(jié)，空調(diào)箱切換成通風換氣運行方式，可節(jié)省所有換熱循環(huán)。這是最理想的節(jié)能方案，在大型公共建筑的中央空調(diào)設(shè)計中已被廣泛采用。然而對于工業(yè)性、量大且分散的中央空調(diào)，往往因管理不便、溫度無法保證而難以被采納。

圖1 典型中央空調(diào)工藝流程

圖2 冷卻塔供冷節(jié)能方案

由于停止冷水機組運行，節(jié)能效果仍相當可觀，相對而言，管理則要方便得多，運行可靠。

2 冷卻塔直接供冷水的可行方案

2.1 閉式冷卻塔

當空調(diào)冷卻水系統(tǒng)采用（蒸發(fā)式）閉式冷卻塔時，冷水及冷卻水兩個系統(tǒng)，不但水質(zhì)相似，而且冷卻塔的冷卻盤管的水阻力與冷水機組蒸發(fā)器的水阻力基本相當，因而實現(xiàn)圖2所示冷卻塔供冷節(jié)能方案，只需在兩個水系統(tǒng)之間增設(shè)兩個閥門，在冬季通過相應(yīng)閥門切換，將蒸發(fā)式冷卻塔當作蒸發(fā)式制冷設(shè)備，仍由冷水泵為空調(diào)箱提供冷水，新的冷水系統(tǒng)與原冷水系統(tǒng)運行條件完全相似，這是最佳的冷卻水直接供冷節(jié)能方案。寶鋼電廠主廠房、鋼管廠主電室等空調(diào)水系統(tǒng)多年來冬季的運行實踐表明，運行穩(wěn)定，運行期至少有3-4個月，效益顯著。

2.2 開式冷卻塔

采用開式冷卻塔，要實現(xiàn)冷卻塔供冷，相對而言要復(fù)雜得多。其復(fù)雜程度與冷卻水系統(tǒng)穩(wěn)壓補水點位置、冷水機組處于冷水泵正壓還是負壓端、是否設(shè)置大水池等因素有關(guān)。

2.2.1 高位穩(wěn)壓補水冷卻水系統(tǒng)

當冷卻水及冷水兩個系統(tǒng)的穩(wěn)壓補水點絕對值相近時（開式冷卻塔安裝在冷水機房屋頂，并在水盤補水），如果冷水機組又處于冷水泵的負壓端，則冷卻塔供冷節(jié)能方案與閉式冷卻塔完全相似，見圖3。只需在兩個水系統(tǒng)之間增設(shè)兩個閥門，冬季仍是冷水泵運行，但建議關(guān)閉原冷水穩(wěn)壓補水裝置。

圖3 開式冷卻塔供冷節(jié)能方案（冷水機組處于冷水泵負壓端）

如果冷水機組處于冷水泵的正壓端，則冷卻塔供冷方案必須增設(shè)4個閥門。見圖4。其中一個閥門串接在原冷水系統(tǒng)中，在其他季節(jié)運行，則增加了永久阻力，增加了冷水泵的能耗。

圖4 開式冷卻塔供冷節(jié)能方案（冷水機組處于冷水泵正壓端）

可見，為實現(xiàn)冬季冷卻塔供冷功能，設(shè)計時，冷水機組應(yīng)處于冷水泵的負壓端。

2.2.2 低位穩(wěn)壓補水冷卻水系統(tǒng)

冷卻塔或冷卻水池處于冷水泵同一水平，甚至更低（如地下室）。如果冷水機組又處于冷水泵正壓端，要實現(xiàn)冬季冷卻塔供冷節(jié)能方案則更為復(fù)雜。因為此時，新水系統(tǒng)的穩(wěn)壓補水點（原冷水穩(wěn)壓補水裝置已關(guān)閉）已不符合系統(tǒng)要求，系統(tǒng)維護時，水系統(tǒng)有進氣的危險。特別當水池在地下室時，僅使用冷水泵供冷方案難以成立，必須借助冷卻水泵為冷水泵供水。即兩個水系統(tǒng)必須串級同時投運。此時還得增設(shè)4個閥門及相應(yīng)管道，如圖5所示。

圖5 開式冷卻塔供冷節(jié)能方案（低位穩(wěn)壓補水點）

值得注意的是，由于冷卻水與冷水系統(tǒng)沒計流量不同，一般冷卻水流量是冷水流量的1.5～2倍，且泵的特性也不同。要使2個水系統(tǒng)能正常串級運行，必須由兩臺冷水泵配合l臺冷卻水泵同時運行。顯然，圖5所示的方案節(jié)能效益是以上方案中最差的。

如果冷卻水系統(tǒng)中還存在大水池，那冷卻水供冷實用方案，更復(fù)雜。

2.2.3 配置大水池的冷卻水系統(tǒng)

冷卻水系統(tǒng)設(shè)置大水池，往往又在地下室。大水池對水系統(tǒng)運行穩(wěn)定及安全有好處。但由于大水池的存在，如圖5所示方案在切換時，將會遇到很大困難。

如秋/冬季切換，即冷卻塔代替冷水機組切換。切換初期，供水溫度將是水池溫度，一般高于20℃。隨著水池內(nèi)的水被置換，溫度逐漸下降，到滿意的供水溫度，要有一段時間，時間的長短與水池容量及流量有關(guān)。顯然，這段時間會對用戶室內(nèi)溫度產(chǎn)生不利影響。但畢竟切換尚能順利完成。

然而冬/春季切換，即由冷卻塔切換回冷水機組。當冷卻水供冷水溫度較低（如10℃左右），由于冷卻水水池溫度無法滿足冷水機組啟動的條件，冷水機組難以立即啟動。

寶鋼2050熱軋電氣室空凋冷水站水系統(tǒng)就是這種型式的典型例子。在2002年12月熱軋廠大修期間，順利完成了水系統(tǒng)節(jié)能改造，并在投運前進行試驗，效果令人滿意。但因沒能確定返回啟用冷水機組的可靠方案，最終放棄了當年就采用冷卻水供冷節(jié)能運行。

可行的方案，是在水池之間增設(shè)一些閥門，見圖6所示。其中冷卻塔旁通閥V1一般在原水系統(tǒng)中本應(yīng)設(shè)置的。這樣根據(jù)不同季節(jié)切換調(diào)節(jié)相應(yīng)閥門水流量比例，就能實現(xiàn)即時切換，減少供水溫度波動，又能在長期運行期間發(fā)揮水池的原有功能。不同季節(jié)切換時，相應(yīng)閥門操作見表l。

圖6 大水池供冷節(jié)能方案（低位穩(wěn)壓補水點）

表1 不同切換季節(jié)時閥門操作過程

上述方案操作畢竟太復(fù)雜，不實用。實用方案是在切換前，開啟冷卻塔旁通閥V1，利用電氣室余熱，使串級運行的水系統(tǒng)升溫，到合適的溫度時再實施切換。寶鋼熱軋廠2003年年修時，又認真進行了試驗，證實這種方案完全可行，并找到了合理的切換溫度。寶鋼實踐已經(jīng)證明，雖然，冷水升過程，會使空調(diào)房間溫度波動，房間溫度有所升高時，水已滿足冷水機組啟動條件，切換能順利進行[4]。

可見，當冷卻水系統(tǒng)設(shè)置大水池，雖也能實現(xiàn)冬季冷卻塔供冷節(jié)能，但水系統(tǒng)季節(jié)切換操作比較復(fù)雜。

3 注意事項

3.1 節(jié)能運行模式切換溫度

當冷卻塔結(jié)構(gòu)形式及數(shù)量確定后，其供水溫度與室內(nèi)負荷及室外空氣參數(shù)有關(guān)，室外濕球溫度是供水溫度的理淪極限度。

供水溫度越高，除濕效果越差。當室內(nèi)濕負荷很小時，采用較高供水溫度完全可行。但用戶性質(zhì)不同，供水溫度應(yīng)有差異。

3.2 定壓點的選擇

對于圖2所示方案。新的水系統(tǒng)定壓點，無論采用原冷卻水系統(tǒng)或冷水系統(tǒng)的定壓點，原則上均可運行。但兩個定壓點只能保留一個，不可同時存在。從新水系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及切換操作方便考慮，建議仍采用原冷水系統(tǒng)的穩(wěn)壓補水裝置，關(guān)閉冷卻水的膨脹水箱。對于開式冷卻塔水系統(tǒng)，只能采用原冷卻水系統(tǒng)的穩(wěn)壓補水裝置。

3.3 開式冷卻水水池的容積

早期采用的地下室大水池，盡管對系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及安全性有好處，但對實現(xiàn)水系統(tǒng)節(jié)能方案造成極大的麻煩。好在這種設(shè)計現(xiàn)在已很少被采用。

3.4 開式冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)

盡管冬季昆蟲、落葉、藻類繁殖等污染水質(zhì)問題比其他季節(jié)要好得多。但風沙、尤其是沙塵暴對水質(zhì)的污染仍值得重視。因為冷水機組冷凝器受污染，可以抽管清洗，而空凋表冷器一旦受污染，處理就相當困難。因而，冬季節(jié)能方案中串級水系統(tǒng)的兩個過濾器等水處理設(shè)備仍應(yīng)同時投運。

3.5 新水系統(tǒng)的自控

采用冷卻塔供冷水后，原有的自動控制程序必須重新修改。增設(shè)冬季運行程序，根據(jù)氣象條件和供水溫度來決定冷卻塔投運數(shù)量及運行狀態(tài)。

3.6 冷卻塔防凍

冬季氣溫較低，尤其晚間或負荷較小時，一般只需l臺冷卻塔投運就可以滿足供冷要求。當氣溫降到冰點或冰點以下時，則必須將不會投運的冷卻塔內(nèi)的水放空，以防凍壞設(shè)備。如果氣溫長期處于冰點之下，為防意外，建議水系統(tǒng)中添加防凍劑，以防停修期間凍壞外露管道、設(shè)備。

4 結(jié)語

（1） 對于全年供冷的中央空調(diào)系統(tǒng)，冬季采用冷卻塔代替冷水機組為空調(diào)箱供冷水，是非常理想的節(jié)能措施之一，效益顯著。

（2） 中央空調(diào)水系統(tǒng)要實現(xiàn)冬季冷卻塔供冷水，冷卻水系統(tǒng)采用閉式（蒸發(fā)式）冷卻塔是最佳選擇。相對而言，開式冷卻塔要復(fù)雜得多。

（3） 設(shè)計具有冬季冷卻塔供冷節(jié)能功能水系統(tǒng)時，應(yīng)注意新水系統(tǒng)的定壓點選擇，自控程序增沒冬季節(jié)能運行程序，冷卻水系統(tǒng)應(yīng)避免采用大水池及注意防凍等問題。

[1]馬最良等.冷卻塔供冷技術(shù)的原理及分析[J]. 暖通空調(diào)，1998；28（6）：27-30

[2]潘云鋼. 高層民用建筑空調(diào)設(shè)計[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999：176

[3]蔣維香等. 開式制冷循環(huán)水系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 暖通空調(diào)，2002；32（6）

[4]康乳國等.寶鋼2050熱軋電氣室空調(diào)冬季冷卻水供冷節(jié)能改造[J]. 寶鋼技術(shù)，2004；（1）：11-13

Energy saving analysis of cooling tower for supplying cooling water for central air-conditioning in winter

Kang Ruguo.1，Zhang Hong1，Gu Dejun2
（1- Factory maintance department，Baosteel developing company，Shanghai 201900，China；2- Baosteel engineering & technology group Co., Ltd.，Shanghai 200437，China）

Cooling water supply for the central air-conditioning by the cooling tower instead of the chiller in winter is one of the ideal energy saving methods for the air-conditioning system which provide whole-yearly cold supply.According to different engineering practice, the feasible options of different cooling water systems were analyzed and the key points were set forward which need to be take into consideration by the designers and managers.

central air-conditioning；cooling tower；winter cold supply；energy saving