空調水系統中的冷卻塔節能性研究論文
摘 要：通過分析不同因素對冷卻塔冷卻能力的影響，從運行過程中節約風機、水泵等能耗的觀點出發，總結了利用冷卻塔節能的各種實施方法。室外空氣濕球溫度，入口水溫，及冷卻水量的變化都將引起冷卻塔冷卻能力的變化。為了用戶的最大限度節能，冷卻塔的生產廠家在設計與制造過程中應多考慮冷卻塔的自控功能，并且提供冷卻塔在冬夏兩種工況的熱工參數。
關鍵詞：冷卻塔；溫度調節器；節能；冷卻塔供冷
冷卻塔被廣泛地應用于制冷空調系統及工業設備的冷卻水系統。對于空調用戶而言，冷卻塔的功耗在整個空調系統的能耗中也占有一定的比例，而且由于其使用頻率高，累計能耗是十分可觀的。從節能的角度講，我們應當對空調系統中冷卻塔的耗能給予同樣的重視，系統節能應整體考慮。為了適應越來越高的節能要求，我們應該分析影響冷卻塔冷卻能力的因素，從運行過程中節約風機、水泵等能耗的觀點出發，找出冷卻塔節能的各種實施方法，在能源日趨緊張的今天，是一項十分有意義的工作。
當前，國內外冷卻塔的節能研究(以機械通風濕式塔為主)主要集中在以下幾個方面：
(1)改進冷卻塔體的結構，優化冷卻塔內部構件的布置，使氣、水分布均化，減少阻力，提高效率；
(2)改進冷卻塔運行方式，減少能耗；
(3)高溫水在進入冷卻塔之前，先進行一定的“預處理”，使水進入冷卻塔后能增大與空氣的接觸面積和接觸時間，以達到節水和節能的目的。
1.冷卻塔性能
在制冷空調系統中，冷卻塔起著非常重要的作用。從熱力學方面考慮有3種基本形式的冷卻塔：濕式(蒸發式)、干式、濕干混合式。目前應用較廣泛的是濕式(蒸發式)冷卻塔。冷卻水通過冷卻塔與外界空氣同時進行著熱量和質量的交換，熱量分為顯熱和潛熱兩部分。冷卻水通過冷卻塔與外界空氣同時進行著熱量和質量的交換，熱量分為顯熱和潛熱兩部分。假若換熱量全部為水的潛熱，則冷卻水降低6℃，蒸發的水量不及供水量的1/100。冷卻塔的性能與溫度范圍和接近度有關。溫度范圍是指冷卻塔出水與進水的溫度差。冷卻塔的選擇與以下幾個因素有關：需冷卻的熱負荷，冷卻的溫度范圍，接近度，濕球溫度。
2.冷卻塔的冷卻能力
冷卻塔的冷卻作用是通過水與空氣進行直接或間接的熱、質交換來實現的。為了達到節能的目的，首先我們應該清楚影響冷卻塔冷卻能力的各個因素，以便在運行過程中采取適當的措施，使冷卻負荷與冷卻能力相匹配，盡可能地節省能耗。對結構已經確定的冷卻塔而言，影響冷卻塔的冷卻能力的主要因素有：室外空氣(濕球)溫度、冷卻水入口溫度、冷卻水量及誘導風量等。
(1)室外空氣(濕球)溫度
冷卻塔出口水溫度的理論極限值為室外空氣的濕球溫度。因此，當水量一定，入口水溫一定時，室外空氣的濕球溫度越低，與入口水溫之差越大，冷卻塔冷卻能力就越強。但是我們必須注意的是冷卻水溫度太低的話，制冷機組的冷凝壓力會大幅度降低。因為對于制冷機冷凝器冷凝壓力有一個低限，冷凝溫度也有一個低溫限制，所以冷凝溫度過低，將導致制冷機組運行容易出現故障。
(2)入水口溫差
當冷卻水量一定，室外空氣濕球溫度一定時，隨著冷卻塔入口水溫的增加，入口水溫及出口水溫與空氣濕球溫度之差都將增加，促進了冷卻，因此冷卻能力會增加。但是對于某一結構形式已確定的冷卻塔而言，由于冷卻能力的限制，可能使出水口水溫有較大的升高，這樣可能導致制冷機組的冷凝壓力過高，使機組制冷量不足。
(3)冷卻水量
當冷卻水入口水溫、空氣濕球溫度一定時，冷卻水量增加，冷卻塔的總容積傳熱系數也會增加，雖然冷卻水溫降有所減少，但總的效果還會使制冷能力增加。但也要注意的是，由于水量的增加，將使配管內的腐蝕、管內壓力損失增加。因此必須在檢驗循環水泵，制冷機組及冷卻塔等設備的使用條件后才能確定。
3.冷卻塔的運行與節能途徑
由上所述，室外空氣濕球溫度，入口水溫，及冷卻水量的變化都將引起冷卻塔冷卻能力的變化。因此，如果在運行過程中，當室外空氣(濕球)溫度變化或冷卻負荷發生改變時，充分利用上述特性，采用適當的措施必然能做到使冷卻塔的冷卻能力與冷卻負荷相匹配，從而節省運行能耗。
(1)通過溫度調節器控制風機的啟、停
當冬季室外空氣(濕球)溫度降低時，冷卻塔的冷卻能力增加，出口水溫降低，由溫度調節器感知水溫，停止風機運轉，達到防止水溫過低及節能的目的。
(2)通過調速裝置改變風機用電機的轉速
由于室外空氣濕球溫度的變化是隨機性的，采用調速裝置可以改變風機用電機的轉速，可以使電機實現無級調速，從而獲得更好的節能效果，同時也可以減少風機的啟、停次數，延長風機的使用壽命。根據生產的需要預先設定供水溫度，由氣候氣象環境對水溫的影響、系統換熱條件的改變對水溫的'影響，用溫感探頭的實測值反應出來，最終通過調控降溫設備的能耗來穩定供水溫度，實現自控節能。
(3)風機臺數控制
當空調系統有幾臺冷卻塔或每臺冷卻塔有幾臺風機時，風量的調節可以通過風機臺數控制來實現，根據需要來確定風機開啟的臺數，因此這種調節手段更強，調節范圍更大，且水溫比較穩定，尤適合在制冷負荷變化不大而室外空氣參數變化大的情況下使用，工業用冷卻塔上最為實用。表3-1 為維持冷卻塔出水溫度32℃不變，室外空氣濕球溫度變化與風機開啟臺數變化對應表。風機的開與停，可以采用手動，也可通過溫感來實現自動控制。根據測量供水溫度的變化，自動調節風機的開、停機數量達到控溫節能的目的，從而節省冷卻塔風機能耗。
表 3－1
(4)封閉式冷卻塔灑水泵的運行控制
當室外空氣(濕球)溫度降低或者冷卻負荷減少時，可通過設置在冷卻塔內的溫控器關閉灑水泵，節約灑水泵的能耗。當灑水泵停止運行時，冷卻水僅僅靠與空氣的顯熱交換來冷卻。
(5)冷卻塔進水控制
以往的研究基本上局限于冷卻塔本身，而對冷卻塔的處理對象——待冷卻高溫水卻涉及很少，如果讓高溫水在進入冷卻塔之前，先進行一定的“預處理”，改變氣、水之間的傳熱、傳質性能，同樣也能達到節水和節能的目的。同濟大學[5]做法：以現有的冷卻塔為基礎，在進水管裝上溶氣設備(溶氣罐或射流溶氣器)，利用一定的壓力將空氣溶于進水中，然后再進行冷卻。改進后的冷卻塔的容積散質系數比原來提高15％—20％，冷卻效率大大提高。
(6)冷卻塔直接供冷系統。
在前面已經講到，在空調的水系統中，通常情況下，被冷卻塔冷卻的水流經制冷機組的冷凝器，形成冷卻塔——冷凝器的冷卻水循環環路，系統的另一循環環路為蒸發器——用戶的冷凍水環路。如果當室外空氣濕球溫度下降到某一值時，制冷機組可以停止運行，由冷卻塔冷卻的冷卻水可直接送入用戶空調末端，形成冷卻塔——用戶的循環環路，即冷卻塔直接供冷的模式。這樣，設計通過兩個途徑節省能耗：1)停止制冷機組可以節省大部分能耗，2)系統的循環水泵由冷卻水泵與冷凍水泵同時運行變成只有冷卻水泵運行。
對空調用戶而言，所消耗電量為制冷機組、冷卻塔、水泵等系統各部分耗電量的總和。因此，節約各部分的耗電量對于用戶同等重要，這樣才有可能保證系統總體上節能。在空調系統中利用冷卻塔節能，可以從改變其自身的運行工況著手，也可以從冷卻塔系統的角度，充分利用冷卻塔的冷卻能力。為了用戶的最大限度節能，冷卻塔的生產廠家在設計與制造過程中應多考慮冷卻塔的自控功能，并且提供冷卻塔在冬夏兩種工況的熱工參數。
4.結論
我國是個淡水嚴重短缺的國家，而經濟確以驚人的速度增長，人民生活水平的提高，使得空調的普及率迅速升高，因此對空調水系統的冷卻塔節水節能提出了更高的要求，雖然冷卻塔的運行節能往往被忽視，但筆者相信，隨著控制技術的不斷提高和制造成本的不斷下降，冷卻塔的節能技術將會被用戶更多地接受和采用。冷卻塔的節能有多條途徑，而且隨著研究工作的不斷深入，還會有各種新的方法不斷出現。各種方法、途徑之間不是孤立的，而是相互聯系、相互制約的關系。在實際操作中，既可以從某一角度對冷卻塔進行節能改造，也可以從多方面綜合評價，最終目的都是為了使冷卻塔效率達到最優，節能節水率達到最高，以緩解當前緊張的水資源和能源問題。
參考文獻
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