冬季冷却塔供冷系统设计应用

摘要 为节约行成本，降低能耗。在冷却水系统设计中，冬季利用冷却塔冷却水冷源代替制冷机制冷，实现关闭制冷机的条件下为工艺设备供冷。在某工程项目中，根据业主要求和暖通专业的配合讨论，在本项目的厂房1500m3/h（300*5）的冷却水系统设计中增加了冬季制冷的设计内容。

关键字 冷却塔；冬季供冷；节能。

中图分类号： TE08 文献标识码： A

Abstrct In order to reduce engergy consumption and operation cost, in cooling water system design, Utilizing cooling water from cooling tower substitute chilled water for process equipment cooling. Thus realize the turn-off of the chiller in winter season. In one project, according to owner’s requirement and HVAC engineer cooperation, add winter-cooling system in the 1500m3/h（300*5）cooling water system in the production building.

Key words Cooling tower; Winter-cooling; engergy saving.

1 冷却塔供冷原理

一般空调工程中，冷水机组的冷水供水温度不低于5℃，常为7℃。在冬季，当室外空气湿球温度达到一定条件时，经冷却塔的冷却水出水温度就可达设备末端冷水供水温度的要求。所以冷却塔供冷系统就是指在原有常规空调水系统基础上增设部分管路和设备，当冬季室外空气湿球温度达到特定值时，关闭冷水机组，以流经冷却塔的循环，冷却水直接或间接向设备末端供冷，提供设备所需要的冷负荷，从而达到节能的目的[1]。

2. 冷却塔供冷形式[2]

目前，冷却塔供冷通常按冷却水是否直接进入设备末端设备分为直接和间接供冷系统两种形式：直接供冷系统包括闭式冷却塔系统、开式冷却塔加全过滤系统和开式冷却塔加部分过滤系统，间接供冷系统包括板式换热器系统。

一、 闭式冷却塔直接供冷

闭式冷却塔直接供冷系统是指通过旁通管道将冷水环路和冷却水环路接通，从而使冷却塔制得的冷却水直接代替冷水送入末端设备系统（如图1）。利用闭式冷却塔供冷保证了水质，使得冷却水可直接进入设备末端而不存在水处理的问题。但是与开式冷却塔相比，其冷却效率较低，减少了冷却塔供冷时间，降低了节能效果。而且由于采用盘管热交换方式，冬季还需要采取一定的防冻措施。闭式冷却塔也比开式冷却塔的价格贵。

图1 闭式冷却塔直接供冷 图2 全过滤直接供冷

二、开式冷却塔全过滤和部分过滤系统直接供冷

针对上述的闭式冷却塔的一些问题，开式冷却塔也被应用到冷却塔直接供冷系统中，但这其中要涉及到水处理问题。由于进入设备末端的冷水在冷却塔内与室外空气直接接触，水质易被污染，所以应在冷却塔和管路之间设置过滤装置。

全过滤系统将过滤器与冷却塔和冷却水泵串联（如图2），所有的冷却水都要经过过滤器，消除阀门和设备末端换热器堵塞的可能性。部分过滤直接供冷系统在冷却塔和冷却水泵之间旁通，并联设置过滤器及小型循环水泵（如图3）。与全过滤直接供冷系统相比，部分过滤系统只对总冷却水流量5%～10%的水量进行过滤。

图3 部分过滤直接供冷 图4 板式换热器间接供冷

三、板式换热器间接供冷

冷却塔间接供冷与直接供冷的区别在于冷却水不直接进入设备末端。当冷却塔供冷系统运行时，冷水机组停止工作，冷却水经管道流至板式换热器进行换热（如图4）。冷水系统不会受冷却水的水质的影响造成腐蚀和堵塞等现象[1]。

3. 冷却塔供冷形式的选择

在某项目冷却水系统的设计中基于项目造价的分析，以及保障系统运行可靠性考虑，在业主和暖通专业工程师共同讨论下，选择了以开式冷却塔加板式换热器供冷系统。冷却水系统流程如图5:厂房冷却水流程图，

系统在冬季运行工况为：当室外空气湿球温度约为3℃时，停止运行工艺冷冻机，冷却塔直接为工艺用板交提供工艺冷冻水（冷冻水要求150m3/h，冷冻水（冬季冷却塔提供）出水温度6℃，供回水温差2.5℃）。达到系统节能的要求。

3.1 冷却塔供冷工况切换分析

冷却塔供冷是利用大气冷源，解决建筑在冬季时的供冷需求，其经济性主要体现在该系统能减少冷水机组运行时数上，而该系统的运行与当地气候条件密切相关。冷却塔供冷模式的室外转换温度点的选择直接关系到系统的供冷时数。

由于冬季温度较低,冷却塔中水与空气的蒸发传热和总传热量都减小,与夏季运行工况有很大区别。冷却塔免费供冷的设计需要得到冷却塔全年湿球温度范围对应的热工曲线。根据冷却塔工作特性，冷却塔在小于其额定流量时可获得比额定工况更低的冷却水温度或更大的温差。所以在冷却塔按夏季额定工况已选取的情况下,可采用小于其额定流量运行和缩小冷却水温差的的办法以延长免费供冷时间(在更高的湿球温度下实现冷却塔供冷)。设计中选取设计工况的切换点为室外空气湿球温度为3℃。冷却水出水温度6℃。冷却水供回水温差2.5℃

该工况与冷冻机供冷工况进行比较，冷冻机供冷工况下，冷冻水供回水温差取5 ℃，冷冻水泵流量可相应减小。冷却塔供冷工况下，冷冻机停止运行，虽然冷却水供回水温差在2.5℃，水量相应增大，水泵运行功率会增大，但如果能实现冷却塔供冷,所省的压缩机耗电量远大于小温差时冷却水泵带来的耗电量增加。根据业主其他项目的运行经验和一些同类项目的对比，冷却水供水温度取6℃，冷却水温差取2～3 ℃,室外空气湿球温度为3℃工况点切换至冷却塔供冷是较经济可行的[3]。

实际运行过程中，冷却塔供冷模式是否启动，需要根据室外气象条件、设备的要求、设备末端设备的供冷能力等因素综合分析，在运行中不断摸索停开冷水机组、使用冷却塔供冷的转换条件。

3.2 冷却水泵和板式热交换器的选取

本次设计中，在夏季运行条件下，冷却水水泵为300m3/h,30m每台（5用1备）。为节约设备初期投资，冬季运行条件根据设备对冷负荷的要求，调整冷冻水的流量和温差。设计中选取冬季供冷冷水要求为2*150 m3/h，冷水（冬季冷却塔提供）出水温度6℃，供回水温差2.5℃。实现利用夏季供冷的冷却水泵和冷冻水泵的目的。冷却塔供冷系统增加的只有，根据冷水量和温差要求设置的板式换热器、相应的阀门和管件、空调水泵变频器等较少设备节约了成本。

3.3应注意的问题

（1）冷却水系统的水处理问题。由于开式冷却塔直接与空气接触，为保证冷却循环水水质，采用化学加药、冷却水旁滤、夏季及时清洗板式换热器等措施避免板式换热器堵塞，防止板式热换器未得到维护清洗而使换热量下降。

（2）由于冷却塔供冷主要在冬季运行，对循环冷却水系统的室外设置必需采取必要的防冻设施，如设置旁管、增设加热器等，冷却塔要考虑防冻除雪功能。

（3）确定适宜的技术措施保障供冷系统在冷夏季过渡时，冷水机组供冷和冷却塔供冷两种运行工况间的平稳转换。为此应配置适宜的阀门、仪表和可靠的自控系统。在冬季，随室外气温下降室外空气环境供冷能力增加，空调末端冷水供水温度下降，为使冷水系统况维持稳定状态，冷却塔供冷量必须通过自控系统进行可靠适时的调节，调节手段包括冷却水量调节，冷却塔通风量调节等。

图5:厂房冷却水流程图

参考文献：

[1] 季阿敏,刘玮,李杰.冷却塔供冷节能技术应用研究[J].哈尔滨商业大学(自然科学版),2009,25(2):214-217

[2] 杨光，祁影霞，蒋慧. 冷却塔供冷系统应用及节能设计分析[J].制冷与空调,2010,24(4):43-48

[3] 王翔. 冷却塔供冷系统设计方法[J]. 暖通空调,2009,39(7):99-104