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摘要：我国是人口大国，能源消耗量惊人，在人居建筑领域的制冷、采暖能源消耗巨大。冷却塔供冷系统作为一项节能空调系统已被广泛应用，取得了应用的节能降耗效果。目前，更多学者已将研究方向转向了如何将该技术与其他新型的暖通空调技术相结合，从而达到更好的节能效果及更理想的舒适性和工艺性效果。本文就生活中常见的密闭式冷却塔的设计与应用展开探讨，论证应用冷却塔供冷技术在我国的发展前景。
关键词：冷却塔；供冷技术；设计应用
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
冷却塔供冷概述
1、冷却塔供冷系统的形式
冷却塔供冷按冷却水是否直接进入空调末端设备来划分可分为:冷却塔直接供冷系统和冷却塔间供冷系统。
2、冷却塔直接供冷系统
冷却塔直接供冷系统是一种通过旁通管道将冷水环路和冷却水环路连在一起的系统。在夏季,系统在常规空调水系统条件下工作,在过渡季和冬季,当室外湿球温度下降到某个值时,就可以通过阀门打开旁通,同时关闭制冷机,转入冷却塔供冷模式。
3、冷却塔供冷的可行性分析
(1)工程上应用的水冷冷水机组供冷的空调系统,其冷水温度一般为7~12e,从理论上讲,当湿球温度降低到某个值以下时,利用冷却塔的冷却水代替冷水机组作为冷源应该是可能的;
(2)冷却塔提供的冷却散热量通常大于空调和工艺所需要的冷负荷,所以,由冷却塔冷却水供冷在量上应该可以满足冷负荷要求;
(3)在冬季和过渡季节,一方面空调冷负荷减少,另一方面冷水供水温度提高,这就为冷却塔冷却水供冷提供了有利条件。
4、冷却塔供冷的经济性分析提高系统经济性的途径:
（1）最大限度地利用冷却塔供冷;
（2）增加冷却塔供冷时数。
5、影响冷却塔供冷系统经济性的主要因数有以下几点。
(1)系统的供冷温度
选择合理的冷却水供水温度,既可以满足室内冷负荷的要求,又能最大限度地增加冷却塔供冷时间,从而降低运行费用,达到节能效果。
(2)系统设备选择
在一定的室外湿球温度和建筑负荷条件下,冷却塔填料尺寸越大,其出口水温越低,因此,合理选择冷却塔可以最大限度地增加供冷时数。如果条件允许,可以串联多台冷却塔来增加冷却效果,从而增加供冷时数。
(3)地理气候条件
我国地域辽阔,由于北方地区低于给定湿球温度的时数多于南方地区,所以,北方地区采用冷却塔供冷有更好的节能效果。根据不同地区的气候特点,选择尽可能高的冷却塔供冷切换温度,最大限度地增加冷却塔供冷时间,从而增加节能潜力。
(4)建筑负荷特点
对于带有内区的办公大楼、大型实验室以及具有高显热的大中型计算机房,一般都有全年稳定的冷负荷,在冬季和过渡季节,利用冷却塔供冷会节省大量的运行费用,因此有广阔的应用前景。
二、密闭式冷却塔设计时应注意的问题
冷却塔供冷技术在我国发展很快,我国的大部分地区,特别是严寒地区,在过渡季节采用冷却塔供冷技术不但可以满足空调舒适度的要求,还可以减少冷冻机的运行时间和降低供冷费用,具有明显的经济效益。在密闭式冷却塔中，热量从管内的工艺流体经管壁传给管外流动的水，再从水传给空气，而水向空气的传热，是由水蒸发的潜热传热和水与空气的显热交换组成的。在设计密闭式冷却塔时应重点注意一下问题：
1、供水温度及室外转变温度点的选择
供水温度的选择应根据潜在的冷量需求、相对湿度、热负荷及空调系统末端装置的运行特性等因素综合考虑。转变温度是指从常规的机械制冷切换到冷却塔供冷时的大气湿球温度,冷却塔供冷模式的室外转变温度点的选择直接关系到系统供冷时数。在设计时,应根据过渡季或冬季建筑内的余热量、余湿量及室内设计参数,通过图确定冷却塔冷却水供水水温;
2、供冷能力的核算
系统中冷却塔在按夏季冷负荷及夏季室外计算湿球温度选型后,还应对其在冷却塔供冷模式下的供冷能力进行校核。
3、换热器型式的选取
间接供冷模式中换热器应选择板式换热器。板式换热器温差一般为(2~3)e,可以改变换热器数量和板片组合以适应建筑负荷的变动。
4、冷却水泵的匹配
在直接供冷系统中,冷水环路中冷水泵应设旁通,当冷却塔供冷时,冷水泵关闭,此时循环水动力由冷却水泵提供。因此,在系统设计时,要考虑转换供冷模式后,冷却水泵的流量及扬程与管路系统的匹配问题。
5、冷却水的除菌过滤
在直接供冷系统设计中应重视冷却水除菌过滤,以防堵塞管路。常用的方法有加设加药装置及在冷却塔与管路之间设置部分旁通过滤设备,对冷却水进行过滤处理。
6、冷却塔串联用于增加冷效
考虑到在特定室外湿球温度和建筑负荷下冷却塔冷幅随冷却塔填料尺寸增大而减小,故对于多套冷却塔系统可采用串联冷却塔的方法来增加冷却效果,提高冷却塔供冷模式的室外转换温度,增加供冷时数。
7、冷却水系统的防冻设施
由于冷却塔主要用于过渡季和冬季,当温度较低地区使用时,应在冷却水系统中设置防冻设施。
三、应用预冷却技术的优化设计
过去对密闭式冷却塔的设计，都建立在 twi=two的边界条件上，即由于喷淋水是循环的，所以盘管区入口的喷淋水温度 twi等于盘管区出口处的喷淋水温度 two。鉴于喷淋水的温度对传热面积数有很大的影响，在喷淋水循环过程中加入一个喷淋水的预冷却过程，将大大减少盘管长度。虽然预冷却过程增加了一些填料，风量也会增大，但总的成本将有所降低。对工艺流体温度较高的冷却塔来说，这是一个有前途的优化措施。国内外也有了若干基于这一原理的各种塔型，其中一些已取得中国实用新型专利。
但采用这一技术需要注意以下几个问题：
1、如果盘管区与填料区相并联并且共用一个风机，风量匹配是个难点。
2、果盘管区与填料区相串联，两者冷却性能将相互影响，寻找一个最佳的结合点是关键。
3、如果密闭塔的工艺流体温度较低，喷淋水的温度也不会高，对填料区来说，由于冷幅较小，会使所需填料体积很大，往往得不偿失，所以不适合采用预冷却。
除了被冷却工质的进出口温度和流量及大气干湿球温度、大气压等设计参数外，风量、喷淋水量、淋水密度、喷淋水水温、盘管的尺寸和内外形状及布置形式，管程数（管内流速）、空气和工艺流体及喷淋水三者间的流向关系等对塔的设计都有影响，而且在某些结构形式中，不少因素是相互制约的，如逆流塔（ 喷淋水和空气流向相反，盘管簇水平放置且工艺水下进上出），塔内风速与淋水密度就是相互关联的。设计优化的目标在于确定当工艺流体所需释放的热量全部被空气带走时，恰好让出塔的空气达到饱和，而因此所花的代价(将制造成本与运行成本综合考虑)最低。
四、结论
根据以上分析和实践经验，围绕优化目标，得到以下结论：
1、密闭式冷却塔的优化应侧重于管外侧强化传热。适当增大管内流速和采用小管径，是现实和有效的强化措施。优化应放在管径与塔的技术经济性的关系上。
2、对一般的密闭式冷却塔来说，应尽量选用镀锌钢管以降低设备成本。
3、采用预冷却技术是优化密闭式冷却塔的有效手段，但不适合应用于工艺流体温度较低的情况。冷却塔供冷系统作为一项节能空调系统已被广泛应用，取得了应用的节能降耗效果。目前，更多学者已将研究方向转向了如何将该技术与其他新型的暖通空调技术相结合，从而达到更好的节能效果及更理想的舒适性和工艺性效果。例如冷却塔供冷与辐射顶板末端相结合技術受到研究者的青睐。在面临能源资源严重短缺的今天，我国应该加大力度研究这一既节能又环保的技术，深入挖掘其可开发利用的节能潜力，并予以大力推广。相关部门应该尽早出台相关技术规范或措施，引导该技术在工程应用时更加科学化，更加规范化。
参考文献：
[1]朱冬生,涂爱民. 闭式冷却塔直接供冷及其经济性分析[J]. 暖通空调,2008,04:100-103+61.
[2]苗培,张杰,石鹤. 冷却塔供冷系统设计方法总结与探讨[J]. 暖通空调,2008,05:74-78.
关键词：冷却塔；供冷技术；设计应用
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
冷却塔供冷概述
1、冷却塔供冷系统的形式
冷却塔供冷按冷却水是否直接进入空调末端设备来划分可分为:冷却塔直接供冷系统和冷却塔间供冷系统。
2、冷却塔直接供冷系统
冷却塔直接供冷系统是一种通过旁通管道将冷水环路和冷却水环路连在一起的系统。在夏季,系统在常规空调水系统条件下工作,在过渡季和冬季,当室外湿球温度下降到某个值时,就可以通过阀门打开旁通,同时关闭制冷机,转入冷却塔供冷模式。
3、冷却塔供冷的可行性分析
(1)工程上应用的水冷冷水机组供冷的空调系统,其冷水温度一般为7~12e,从理论上讲,当湿球温度降低到某个值以下时,利用冷却塔的冷却水代替冷水机组作为冷源应该是可能的;
(2)冷却塔提供的冷却散热量通常大于空调和工艺所需要的冷负荷,所以,由冷却塔冷却水供冷在量上应该可以满足冷负荷要求;
(3)在冬季和过渡季节,一方面空调冷负荷减少,另一方面冷水供水温度提高,这就为冷却塔冷却水供冷提供了有利条件。
4、冷却塔供冷的经济性分析提高系统经济性的途径:
（1）最大限度地利用冷却塔供冷;
（2）增加冷却塔供冷时数。
5、影响冷却塔供冷系统经济性的主要因数有以下几点。
(1)系统的供冷温度
选择合理的冷却水供水温度,既可以满足室内冷负荷的要求,又能最大限度地增加冷却塔供冷时间,从而降低运行费用,达到节能效果。
(2)系统设备选择
在一定的室外湿球温度和建筑负荷条件下,冷却塔填料尺寸越大,其出口水温越低,因此,合理选择冷却塔可以最大限度地增加供冷时数。如果条件允许,可以串联多台冷却塔来增加冷却效果,从而增加供冷时数。
(3)地理气候条件
我国地域辽阔,由于北方地区低于给定湿球温度的时数多于南方地区,所以,北方地区采用冷却塔供冷有更好的节能效果。根据不同地区的气候特点,选择尽可能高的冷却塔供冷切换温度,最大限度地增加冷却塔供冷时间,从而增加节能潜力。
(4)建筑负荷特点
对于带有内区的办公大楼、大型实验室以及具有高显热的大中型计算机房,一般都有全年稳定的冷负荷,在冬季和过渡季节,利用冷却塔供冷会节省大量的运行费用,因此有广阔的应用前景。
二、密闭式冷却塔设计时应注意的问题
冷却塔供冷技术在我国发展很快,我国的大部分地区,特别是严寒地区,在过渡季节采用冷却塔供冷技术不但可以满足空调舒适度的要求,还可以减少冷冻机的运行时间和降低供冷费用,具有明显的经济效益。在密闭式冷却塔中，热量从管内的工艺流体经管壁传给管外流动的水，再从水传给空气，而水向空气的传热，是由水蒸发的潜热传热和水与空气的显热交换组成的。在设计密闭式冷却塔时应重点注意一下问题：
1、供水温度及室外转变温度点的选择
供水温度的选择应根据潜在的冷量需求、相对湿度、热负荷及空调系统末端装置的运行特性等因素综合考虑。转变温度是指从常规的机械制冷切换到冷却塔供冷时的大气湿球温度,冷却塔供冷模式的室外转变温度点的选择直接关系到系统供冷时数。在设计时,应根据过渡季或冬季建筑内的余热量、余湿量及室内设计参数,通过图确定冷却塔冷却水供水水温;
2、供冷能力的核算
系统中冷却塔在按夏季冷负荷及夏季室外计算湿球温度选型后,还应对其在冷却塔供冷模式下的供冷能力进行校核。
3、换热器型式的选取
间接供冷模式中换热器应选择板式换热器。板式换热器温差一般为(2~3)e,可以改变换热器数量和板片组合以适应建筑负荷的变动。
4、冷却水泵的匹配
在直接供冷系统中,冷水环路中冷水泵应设旁通,当冷却塔供冷时,冷水泵关闭,此时循环水动力由冷却水泵提供。因此,在系统设计时,要考虑转换供冷模式后,冷却水泵的流量及扬程与管路系统的匹配问题。
5、冷却水的除菌过滤
在直接供冷系统设计中应重视冷却水除菌过滤,以防堵塞管路。常用的方法有加设加药装置及在冷却塔与管路之间设置部分旁通过滤设备,对冷却水进行过滤处理。
6、冷却塔串联用于增加冷效
考虑到在特定室外湿球温度和建筑负荷下冷却塔冷幅随冷却塔填料尺寸增大而减小,故对于多套冷却塔系统可采用串联冷却塔的方法来增加冷却效果,提高冷却塔供冷模式的室外转换温度,增加供冷时数。
7、冷却水系统的防冻设施
由于冷却塔主要用于过渡季和冬季,当温度较低地区使用时,应在冷却水系统中设置防冻设施。
三、应用预冷却技术的优化设计
过去对密闭式冷却塔的设计，都建立在 twi=two的边界条件上，即由于喷淋水是循环的，所以盘管区入口的喷淋水温度 twi等于盘管区出口处的喷淋水温度 two。鉴于喷淋水的温度对传热面积数有很大的影响，在喷淋水循环过程中加入一个喷淋水的预冷却过程，将大大减少盘管长度。虽然预冷却过程增加了一些填料，风量也会增大，但总的成本将有所降低。对工艺流体温度较高的冷却塔来说，这是一个有前途的优化措施。国内外也有了若干基于这一原理的各种塔型，其中一些已取得中国实用新型专利。
但采用这一技术需要注意以下几个问题：
1、如果盘管区与填料区相并联并且共用一个风机，风量匹配是个难点。
2、果盘管区与填料区相串联，两者冷却性能将相互影响，寻找一个最佳的结合点是关键。
3、如果密闭塔的工艺流体温度较低，喷淋水的温度也不会高，对填料区来说，由于冷幅较小，会使所需填料体积很大，往往得不偿失，所以不适合采用预冷却。
除了被冷却工质的进出口温度和流量及大气干湿球温度、大气压等设计参数外，风量、喷淋水量、淋水密度、喷淋水水温、盘管的尺寸和内外形状及布置形式，管程数（管内流速）、空气和工艺流体及喷淋水三者间的流向关系等对塔的设计都有影响，而且在某些结构形式中，不少因素是相互制约的，如逆流塔（ 喷淋水和空气流向相反，盘管簇水平放置且工艺水下进上出），塔内风速与淋水密度就是相互关联的。设计优化的目标在于确定当工艺流体所需释放的热量全部被空气带走时，恰好让出塔的空气达到饱和，而因此所花的代价(将制造成本与运行成本综合考虑)最低。
四、结论
根据以上分析和实践经验，围绕优化目标，得到以下结论：
1、密闭式冷却塔的优化应侧重于管外侧强化传热。适当增大管内流速和采用小管径，是现实和有效的强化措施。优化应放在管径与塔的技术经济性的关系上。
2、对一般的密闭式冷却塔来说，应尽量选用镀锌钢管以降低设备成本。
3、采用预冷却技术是优化密闭式冷却塔的有效手段，但不适合应用于工艺流体温度较低的情况。冷却塔供冷系统作为一项节能空调系统已被广泛应用，取得了应用的节能降耗效果。目前，更多学者已将研究方向转向了如何将该技术与其他新型的暖通空调技术相结合，从而达到更好的节能效果及更理想的舒适性和工艺性效果。例如冷却塔供冷与辐射顶板末端相结合技術受到研究者的青睐。在面临能源资源严重短缺的今天，我国应该加大力度研究这一既节能又环保的技术，深入挖掘其可开发利用的节能潜力，并予以大力推广。相关部门应该尽早出台相关技术规范或措施，引导该技术在工程应用时更加科学化，更加规范化。
参考文献：
[1]朱冬生,涂爱民. 闭式冷却塔直接供冷及其经济性分析[J]. 暖通空调,2008,04:100-103+61.
[2]苗培,张杰,石鹤. 冷却塔供冷系统设计方法总结与探讨[J]. 暖通空调,2008,05:74-78.