閉式冷卻塔在嚴寒地區(qū)冬季制冷中的應(yīng)用

金瑋濤

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，哈爾濱 150090）

0 引言

現(xiàn)代商場、醫(yī)院、辦公樓等公共建筑的規(guī)模越來越大，內(nèi)區(qū)房間面積占比隨之增大。在冬季，這些區(qū)域沒有了外圍護結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的熱負荷，但工藝設(shè)備、照明與人體等室內(nèi)熱源散熱量所形成的冷負荷依然很大。這就造成了冬季內(nèi)區(qū)房間，冷負荷大于熱負荷的現(xiàn)象出現(xiàn)。為使在這些區(qū)域工作生活的人具有良好的熱舒適性，即使在冬季，也需要對其進行制冷。

針對這一現(xiàn)象，李丹以北京某辦公樓為例，采用新風(fēng)供冷的方式來消除冬季內(nèi)區(qū)冷負荷，并對使用效果進行了分析［1］；董濤以南京某劇場建筑為例，針對其內(nèi)區(qū)主要功能房間全年具有供冷需要的情況，采用新風(fēng)供冷的方式，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果［2］；姜紅以煙臺某辦公大樓為例，詳細介紹了冷卻塔供冷系統(tǒng)設(shè)計，并重點分析了內(nèi)區(qū)房間室溫的選擇、最高冷水溫度的計算等，以充分利用冷卻塔的制冷功效［3］；邵海以某醫(yī)院門診樓為例，對比多種內(nèi)區(qū)常年供冷空調(diào)冷源方案，最終選擇冷水機組作為內(nèi)區(qū)供冷方案［4］。

結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有研究成果及工程實例可以發(fā)現(xiàn)，冬季內(nèi)區(qū)空調(diào)冷源的常見方案有3種，分別是冷水機組供冷，新風(fēng)供冷及冷卻塔供冷。結(jié)合哈爾濱市醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院門診外科樓項目實例，對比分析以上三種冬季內(nèi)區(qū)常見冷源方案。最終選擇閉式冷卻塔作為工程的冬季內(nèi)區(qū)房間空調(diào)冷源。并在文中對此系統(tǒng)的設(shè)備選型及系統(tǒng)構(gòu)成進行介紹。

1 設(shè)計原則

1.1 空調(diào)冷源方案確定

通過綜合對比分析上述3種方案。

方案1：采用冷水機組供冷。該系統(tǒng)為最常見的空調(diào)系統(tǒng)形式之一，經(jīng)無數(shù)工程案例驗證后運行可靠，且后期管理運行維護難度低。而缺點是若應(yīng)用工程要求冷水機組僅在白天運行，夜間停止運行。則在冬季夜間機組停機后，冷卻水水溫降低，當水溫低于機組要求的最低開機溫度后，第二天白天無法直接開啟冷水機組，需要一定的升溫措施，當溫度高于開機溫度后，才可運行機組，這勢必會造成能耗的增加。此外，嚴寒地區(qū)冬季室外溫度低，還需要采取防凍措施。

方案2：采用新風(fēng)供冷。根據(jù)內(nèi)區(qū)房間計算冷負荷以及室內(nèi)要求的溫濕度，確定送風(fēng)狀態(tài)點，將室外新風(fēng)引入新風(fēng)機組，并通過熱濕處理，集中讓新風(fēng)達到送風(fēng)狀態(tài)點的要求。相較于方案1，在保證冷負荷被有效消除的前提下，有節(jié)約能源的優(yōu)點。缺點是此方案受室外溫濕度影響較大，當溫度差與濕度差過大時，室內(nèi)熱舒適性會有所降低。且存在結(jié)露的風(fēng)險。

方案3：采用閉式冷卻塔進行供冷。由于嚴寒地區(qū)冬季室外溫度低，具有直接利用冷卻塔進行免費供冷的條件。避免了方案1中冷水機組的開機預(yù)熱能耗以及機組運行能耗。同時熱舒適性相較方案2有所增加。

傳統(tǒng)的開式冷卻塔，冷卻水直接與外界空氣在填料上進行接觸換熱，水量損耗大，且空氣中的污染物均可進入循環(huán)水系統(tǒng)中，使水質(zhì)不斷惡化，對管道及換熱設(shè)備造成破壞。而在閉式冷卻塔中，冷卻水在盤管中進行循環(huán)，不與空氣直接接觸，換熱是通過盤管管壁，以間接的方式傳遞給管外的噴淋水或空氣流。因此，閉式冷卻塔具有設(shè)備損耗小、占地面積少、運行費用低、節(jié)約水資源以及節(jié)能減排等優(yōu)勢。此外，閉式冷卻塔在冬季可以將外循環(huán)的水泄掉，采用風(fēng)冷模式運行，這一功能是開式冷卻塔不具備的。因此在3種方案中，選擇閉式冷卻塔作為冷源。

1.2 閉式冷卻塔的兩種運行模式

模式1：噴淋泵開啟，將水盤中的水噴淋到盤管上，通過噴淋水的蒸發(fā)換熱，將盤管內(nèi)冷卻水的熱量帶走。同時冷卻塔底端的風(fēng)機開啟，將蒸發(fā)后的濕蒸汽從塔頂吹出，進而將熱量排出冷卻塔，濕蒸汽經(jīng)脫水器處理，水從蒸汽中隔出，流回水盤。

圖1 閉式冷卻塔示意圖

模式2：噴淋泵關(guān)閉，將水盤中的水泄出，開啟風(fēng)機，干空氣從塔底流向塔頂，與盤管進行接觸換熱，進行風(fēng)冷式熱交換，將熱量帶出冷卻塔。

兩種運行模式分別適用于不同的氣象條件，空氣濕球溫度越高，冷卻效率越低，這對僅靠塔外空氣進行風(fēng)冷式冷卻的模式2影響更大，因此在夏季及過渡季，優(yōu)先選擇模式1。對于室外濕球溫度偏低的冬季，模式2的運行效率更高，同時可以保障冷卻塔的運行不受低溫影響，且更加節(jié)約水資源［5，6］。

1.3 閉式冷卻塔的優(yōu)化設(shè)計

為了能讓閉式冷卻塔在使用過程中充分發(fā)揮節(jié)能減排的優(yōu)勢，可以對一些參數(shù)進行優(yōu)化。理論上講，當內(nèi)循環(huán)過程中的工質(zhì)在進行熱交換，熱量被全部帶走時，空氣恰好達到飽和狀態(tài)，這個工況下的節(jié)能效果最好。為實現(xiàn)這一目的，可采取手段提高冷卻塔的傳熱傳質(zhì)性。

（1） 工質(zhì)流速：管內(nèi)工質(zhì)流速與管內(nèi)的壓降成正比關(guān)系，與盤管換熱面積成反比關(guān)系。因此，兩條關(guān)系曲線存在一個交點，當工質(zhì)流速達到這個交點流速時，盤管可以憑借較小的換熱面積得到較優(yōu)的換熱效果。

（2） 噴淋密度：工質(zhì)流速是通過影響內(nèi)循環(huán)，來對換熱效果進行干預(yù)，而噴淋密度則是通過影響盤管外、冷卻塔內(nèi)的外循環(huán)階段，來對換熱效果產(chǎn)生影響。當噴淋密度增大時，外掠管壓降增大，盤管面積減小。因此，兩條關(guān)系曲線同樣存在一個交點，當噴淋密度處于交點位置時，同樣可以實現(xiàn)以小換熱面積換得好的換熱效果的目的。

（3） 塔內(nèi)風(fēng)速：塔內(nèi)風(fēng)速同樣是影響外循環(huán)階段的主要因素，當風(fēng)速增大時，管內(nèi)壓降減小，外掠管壓降增大，盤管面積減小。因此同樣能找到一個中間點，在此風(fēng)速條件下，換熱效果與換熱面積之間達到一個最優(yōu)平衡點［7］。

除上述幾點外，盤管密度，盤管截面形狀等，都是影響閉式冷卻塔性能的關(guān)鍵因素，可以從這些方面入手進行調(diào)試研究，使閉式冷卻塔節(jié)能減排的優(yōu)勢發(fā)揮至最大。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

工程為哈爾濱市醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院門診外科樓項目，地上部分建筑總面積102976m2，建筑總高度95.5m，建筑總層數(shù)為24層。1～6層為門診區(qū)，建筑面積為49032m2，其中，內(nèi)區(qū)房間建筑面積為18180m2，占1～6層總面積的37.1%（2層建筑平面圖所示，陰影區(qū)域為內(nèi)區(qū)房間如圖2所示）；7層為設(shè)備夾層；8～24層為病房區(qū)。

圖2 二層建筑平面圖

經(jīng)負荷計算，工程空調(diào)系統(tǒng)夏季總冷負荷為11957kW。冬季總冷負荷為879kW。

2.2 設(shè)計難點

如文中所述，冬季1～6層的內(nèi)區(qū)房間由于人員、設(shè)備及燈光等影響因素，房間得熱量遠大于失熱量，為了維持醫(yī)生及患者的熱舒適性，需要進行適當制冷，這點也在負荷計算結(jié)果中得到印證。因此，項目的設(shè)計難點在于冬季內(nèi)區(qū)房間的制冷需求難以解決。

2.3 設(shè)計方案

結(jié)合醫(yī)院公共建筑的使用性質(zhì)，對上述3種方案進行綜合分析，方案1雖然系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，但能耗過高。此外，工程冬季內(nèi)區(qū)空調(diào)冷負荷為879kW，僅占夏季總冷負荷的7.4%。若內(nèi)區(qū)全年均采用冷水機組作為冷源，在節(jié)能性及經(jīng)濟性的前提下很難選出合理的機組配置方案。方案2雖然節(jié)能，但多個診室共用一套新風(fēng)系統(tǒng)，無法滿足不同功能科室之間的室內(nèi)溫濕度差異化控制，且由于嚴寒地區(qū)冬季的送風(fēng)溫度過低所導(dǎo)致的結(jié)霜問題很難解決。經(jīng)與建設(shè)方進行溝通后，決定采用方案3。閉式冷卻塔技術(shù)在冬季對該工程的內(nèi)區(qū)房間進行制冷。同時，在夏季及過渡季，全樓空調(diào)冷源來自地下一層制冷機房，冷卻塔選用方型橫流式冷卻塔，設(shè)在6層屋面。

項目冬季空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計工況，用戶側(cè)冷凍水供回水溫度為5/13℃，閉式冷卻塔供回水溫度為0/5℃。由于冷卻塔出水溫度低于冷凍水供水溫度，因此可以選擇不使用冷水機組，僅通過板式換熱器進行簡單換熱，即可實現(xiàn)制冷的目的［5］。根據(jù)上述思路，進行選型計算后，該冬季空調(diào)冷源主要設(shè)備配置情況如表1所示。

表1 主要設(shè)備材料

夏季及過渡季，進出制冷泵房的冷凍水管上的閥門關(guān)閉，每根冷凍水立管靠近地下一層冷凍水干管處的閥門打開；冬季，控制邏輯與夏季及過渡季相反。系統(tǒng)示意圖如圖3、圖4所示。

圖3 系統(tǒng)示意圖

圖4 系統(tǒng)示意圖

3 效果評價

系統(tǒng)從工程竣工后使用至今，經(jīng)使用方反饋，冬季，可以滿足內(nèi)區(qū)房間的制冷需求，且系統(tǒng)運行可靠，效果良好。

4 結(jié)語

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

（1） 醫(yī)院內(nèi)區(qū)主要功能房間具有室內(nèi)冷負荷穩(wěn)定，常年需要供冷，且不同科室間室內(nèi)溫濕度要求不同等特點，適合選擇閉式冷卻塔作為冬季內(nèi)區(qū)冷源。

（2） 根據(jù)工程實例后期運行反饋結(jié)果可知，此方案可有效解決嚴寒地區(qū)冬季內(nèi)區(qū)房間供冷問題，為其它類似工程設(shè)計提供了相應(yīng)參考。