空调水系统中的冷却塔节能性研究

摘　要：通过分析不同因素对冷却塔冷却能力的影响，从运行过程中节约风机、水泵等能耗的观点出发，总结了利用冷却塔节能的各种实施方法。室外空气湿球温度，入口水温，及冷却水量的变化都将引起冷却塔冷却能力的变化。为了用户的最大限度节能，冷却塔的生产厂家在设计与制造过程中应多考虑冷却塔的自控功能，并且提供冷却塔在冬夏两种工况的热工参数。

关键词：冷却塔；温度调节器；节能；冷却塔供冷
冷却塔被广泛地应用于制冷空调系统及工业设备的冷却水系统。对于空调用户而言，冷却塔的功耗在整个空调系统的能耗中也占有一定的比例，而且由于其使用频率高，累计能耗是十分可观的。从节能的角度讲，我们应当对空调系统中冷却塔的耗能给予同样的重视，系统节能应整体考虑。为了适应越来越高的节能要求，我们应该分析影响冷却塔冷却能力的因素，从运行过程中节约风机、水泵等能耗的观点出发，找出冷却塔节能的各种实施方法，在能源日趋紧张的今天，是一项十分有意义的工作。
　　当前，国内外冷却塔的节能研究(以机械通风湿式塔为主)主要集中在以下几个方面：
　　(1)改进冷却塔体的结构，优化冷却塔内部构件的布置，使气、水分布均化，减少阻力，提高效率；
　　(2)改进冷却塔运行方式，减少能耗；
　　(3)高温水在进入冷却塔之前，先进行一定的“预处理”，使水进入冷却塔后能增大与空气的接触面积和接触时间，以达到节水和节能的目的。
1.冷却塔性能
　　在制冷空调系统中，冷却塔起着非常重要的作用。从热力学方面考虑有3种基本形式的冷却塔：湿式(蒸发式)、干式、湿干混合式。目前应用较广泛的是湿式(蒸发式)冷却塔。冷却水通过冷却塔与外界空气同时进行着热量和质量的交换，热量分为显热和潜热两部分。冷却水通过冷却塔与外界空气同时进行着热量和质量的交换，热量分为显热和潜热两部分。假若换热量全部为水的潜热，则冷却水降低6℃，蒸发的水量不及供水量的1/100。冷却塔的性能与温度范围和接近度有关。温度范围是指冷却塔出水与进水的温度差。冷却塔的选择与以下几个因素有关：需冷却的热负荷，冷却的温度范围，接近度，湿球温度。
2.冷却塔的冷却能力
　　冷却塔的冷却作用是通过水与空气进行直接或间接的热、质交换来实现的。为了达到节能的目的，首先我们应该清楚影响冷却塔冷却能力的各个因素，以便在运行过程中采取适当的措施，使冷却负荷与冷却能力相匹配，尽可能地节省能耗。对结构已经确定的冷却塔而言，影响冷却塔的冷却能力的主要因素有：室外空气(湿球)温度、冷却水入口温度、冷却水量及诱导风量等。
　　(1)室外空气(湿球)温度
　　冷却塔出口水温度的理论极限值为室外空气的湿球温度。因此，当水量一定，入口水温一定时，室外空气的湿球温度越低，与入口水温之差越大，冷却塔冷却能力就越强。但是我们必须注意的是冷却水温度太低的话，制冷机组的冷凝压力会大幅度降低。因为对于制冷机冷凝器冷凝压力有一个低限，冷凝温度也有一个低温限制，所以冷凝温度过低，将导致制冷机组运行容易出现故障。
　　(2)入水口温差
　　当冷却水量一定，室外空气湿球温度一定时，随着冷却塔入口水温的增加，入口水温及出口水温与空气湿球温度之差都将增加，促进了冷却，因此冷却能力会增加。但是对于某一结构形式已确定的冷却塔而言，由于冷却能力的限制，可能使出水口水温有较大的升高，这样可能导致制冷机组的冷凝压力过高，使机组制冷量不足。
　　(3)冷却水量
　　当冷却水入口水温、空气湿球温度一定时，冷却水量增加，冷却塔的总容积传热系数也会增加，虽然冷却水温降有所减少，但总的效果还会使制冷能力增加。但也要注意的是，由于水量的增加，将使配管内的腐蚀、管内压力损失增加。因此必须在检验循环水泵，制冷机组及冷却塔等设备的使用条件后才能确定。
3.冷却塔的运行与节能途径
　　由上所述，室外空气湿球温度，入口水温，及冷却水量的变化都将引起冷却塔冷却能力的变化。因此，如果在运行过程中，当室外空气(湿球)温度变化或冷却负荷发生改变时，充分利用上述特性，采用适当的措施必然能做到使冷却塔的冷却能力与冷却负荷相匹配，从而节省运行能耗。
　　(1)通过温度调节器控制风机的启、停
　　当冬季室外空气(湿球)温度降低时，冷却塔的冷却能力增加，出口水温降低，由温度调节器感知水温，停止风机运转，达到防止水温过低及节能的目的。
　　(2)通过调速装置改变风机用电机的转速
　　由于室外空气湿球温度的变化是随机性的，采用调速装置可以改变风机用电机的转速，可以使电机实现无级调速，从而获得更好的节能效果，同时也可以减少风机的启、停次数，延长风机的使用寿命。根据生产的需要预先设定供水温度，由气候气象环境对水温的影响、系统换热条件的改变对水温的影响，用温感探头的实测值反应出来，最终通过调控降温设备的能耗来稳定供水温度，实现自控节能。
　　(3)风机台数控制
　　当空调系统有几台冷却塔或每台冷却塔有几台风机时，风量的调节可以通过风机台数控制来实现，根据需要来确定风机开启的台数，因此这种调节手段更强，调节范围更大，且水温比较稳定，尤适合在制冷负荷变化不大而室外空气参数变化大的情况下使用，工业用冷却塔上最为实用。表3-1 为维持冷却塔出水温度32℃不变，室外空气湿球温度变化与风机开启台数变化对应表。风机的开与停，可以采用手动，也可通过温感来实现自动控制。根据测量供水温度的变化，自动调节风机的开、停机数量达到控温节能的目的，从而节省冷却塔风机能耗。
　　表 3－1

(4)封闭式冷却塔洒水泵的运行控制
　　当室外空气(湿球)温度降低或者冷却负荷减少时，可通过设置在冷却塔内的温控器关闭洒水泵，节约洒水泵的能耗。当洒水泵停止运行时，冷却水仅仅靠与空气的显热交换来冷却。
　　(5)冷却塔进水控制
　　以往的研究基本上局限于冷却塔本身，而对冷却塔的处理对象——待冷却高温水却涉及很少，如果让高温水在进入冷却塔之前，先进行一定的“预处理”，改变气、水之间的传热、传质性能，同样也能达到节水和节能的目的。同济大学[5]做法：以现有的冷却塔为基础，在进水管装上溶气设备(溶气罐或射流溶气器)，利用一定的压力将空气溶于进水中，然后再进行冷却。改进后的冷却塔的容积散质系数比原来 提高15％—20％，冷却效率大大提高。
　　(6)冷却塔直接供冷系统。
　　在前面已经讲到，在空调的水系统中，通常情况下，被冷却塔冷却的水流经制冷机组的冷凝器，形成冷却塔——冷凝器的冷却水循环环路，系统的另一循环环路为蒸发器——用户的冷冻水环路。如果当室外空气湿球温度下降到某一值时，制冷机组可以停止运行，由冷却塔冷却的冷却水可直接送入用户空调末端，形成冷却塔——用户的循环环路，即冷却塔直接供冷的模式。这样，设计通过两个途径节省能耗：1)停止制冷机组可以节省大部分能耗，2)系统的循环水泵由冷却水泵与冷冻水泵同时运行变成只有冷却水泵运行。
　　对空调用户而言，所消耗电量为制冷机组、冷却塔、水泵等系统各部分耗电量的总和。因此，节约各部分的耗电量对于用户同等重要，这样才有可能保证系统总体上节能。在空调系统中利用冷却塔节能，可以从改变其自身的运行工况着手，也可以从冷却塔系统的角度，充分利用冷却塔的冷却能力。为了用户的最大限度节能，冷却塔的生产厂家在设计与制造过程中应多考虑冷却塔的自控功能，并且提供冷却塔在冬夏两种工况的热工参数。
4.结论
　　我国是个淡水严重短缺的国家，而经济确以惊人的速度增长，人民生活水平的提高，使得空调的普及率迅速升高，因此对空调水系统的冷却塔节水节能提出了更高的要求，虽然冷却塔的运行节能往往被忽视，但笔者相信，随着控制技术的不断提高和制造成本的不断下降，冷却塔的节能技术将会被用户更多地接受和采用。冷却塔的节能有多条途径，而且随着研究工作的不断深入，还会有各种新的方法不断出现。各种方法、途径之间不是孤立的，而是相互联系、相互制约的关系。在实际操作中，既可以从某一角度对冷却塔进行节能改造，也可以从多方面综合评价，最终目的都是为了使冷却塔效率达到最优，节能节水率达到最高，以缓解当前紧张的水资源和能源问题。
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