王培 马德
华信邮电咨询设计研究院有限公司
摘要 冷却塔按冬季供冷工况选取，塔型可结合夏季工况灵活配置，多余
容量夏季备用。冬季供冷以小于冷却塔的额定流量来获取较低出水温度，延长冷却塔免费供冷运行时间。
关键词 节能技术 冬季冷却塔的热工曲线 间接式供冷 冷幅 防冻
0 引言
开式冷却塔冬季免费供冷作为一项空调节能技术，已经在大量实际工程中应用，然而，迄今为止国内规范和设计手册中没有明确该技术的标准、技术措施和系统设计指导方法，另外生产厂商尚缺乏冷却塔在冬季气象参数下的技术参数或者冬季冷却塔的热工曲线。
1 开式冷却塔供冷系统
开式冷却塔供冷系统按冷却水是否直接进入空调末端设备分成两类：直接式
供冷系统和间接式供冷系统。
直接式供冷系统的特点
1）系统形式简单，没有中间换热过程，因此在相同室外气象条件下可利用
的冷水温度较间接式系统低。
2）冷却塔必须在系统高点、需要校核膨胀水箱的水位高度。
3）开式系统的冷却水质容易受污染，在进入冷冻水系统后会造成系统管路和设备的腐蚀和结垢，从而影响系统运行的稳定性，需要配备专门的水处理
设备。
4）冬季在系统转换后，空调管路发生了较大变化，需要校核运行的冷却水
泵性能是否匹配。
当冬季利用冷却塔供冷时，冷冻水泵停止工作，三个电动三通阀换向，直通部分关闭，冷却水绕过冷凝器，经冷却水泵直接送到冷冻水系统，图中箭头指示了冷却水流动方向。
间接式供冷系统的特点：
1) 冷却水环路和冷冻水环路相互独立，保证了冷冻水管路的卫生条件。
2) 因为存在一个换热过程，与直接式供冷系统相比，效率低。若要达到同样的供冷效果，冷却水温度至少低1-2℃。
3) 增加了换热设备和较多管道，系统形式相对复杂。
4) 由于冷水机组冷凝器、蒸发器和板式换热器一次侧、二次侧的阻力和流量均有可能不同，因此需要对冷却水泵和冷冻水泵均进行校核。
当冬季利用冷却塔供冷时，阀V1～V4关闭，阀V5～V8开启，冷却塔冷却水由冷却水泵6输往换热器3的一次侧，冷冻水经冷冻水泵7输往换热器3的二次侧，经换热器3换热后使冷冻水系统获得必要的冷量。
在实际应用中，由于直接式供冷系统管路设计上有太多的限制，应用很少
一般采用间接式供冷系统（开式塔+板式换热器），下面只针对该系统进行分析。
2 开式冷却塔的选择
根据冷却塔的工作原理：当塔内的水与空气接触时，一方面产生空气与水之间的直接传热（显热交换），另一方面由于水表面和空气之间存在水分子压力差，使水表面的水分子向空气流动，产生蒸发现象，带走蒸发潜热（潜热交换）。
按照夏季冷却塔进出水温度（32℃/37℃）和室外气象条件（湿球温度28℃）设计制造的冷却塔在冬季使用时，如果要求保证冷却塔进出水温差（5℃）以及流量不变时，冬季随着水和空气温度的降低，水分子的运动动能以及扩散能力降低，水的蒸发量减少，带走的热量将有所减少，不能获得与夏季相同的冷却量。
图3、4、5是ASHRAE 手册中基于空调工况、中等容量的横流塔100 % 、67 %、133 %设计流量时的冷却塔热工特性曲线。
图6是清华大学提供的冷却塔模型（采用传热单元数法“ ”的逆流换热器模型）数据绘制的冷却塔实际流量与标准流量之比为100%和50%的特性曲线。
从图3可以看出，当室外湿球温度为24℃时，按照5℃温降要求，冷却塔出水温度可达到27.5℃（冷幅为3.5℃），进水温度为32.5℃；而当室外湿球温度达到0℃时，蒸发传热减少，如果流量不变且仍要求5℃温降，则冷却塔出水温度达11.5℃（冷幅为11.5℃），进水温度为16.5℃，与夏季冷冻水供、回水温度有显著差异。如果在室外湿球温度达到0℃时，想要获得温度尽量低的可作为冷源使用的冷冻水，根据图3，冷却水温降假定取2℃，出水温度约为6.5℃，（冷幅为6.5℃），进水温度为8.5℃，这时温差传热量很小，蒸发传热量和总传热量都减小。
而通过图4、5可以看出，当冷却塔内的水流量低于或高于额定流量时，其冷却特性会相应发生变化；如果同样在室外湿球温度达到0℃度，要求冷却水5℃温降时，图4的冷却塔出水温度约为8℃，而图5冷却塔出水温度约为15.2℃。
图6所列出的冷却塔热工性能曲线（与图3、4、5所列热工性能曲线的冷却塔设计和制造标准有区别）同样说明了：
1）如果想要获得与夏季相同的换热量和水温降（5℃），就必须加大室外空气湿球温度和冷却塔出水温度的温差（冷幅或者逼近度），靠显热交换获得冷却量，但是冷却塔出水温度较高。
2）如果希望获得较低的冷却塔出水温度，则冷却塔内的进出水温差和冷却量将减少。
3）如果既要保证冷却塔较低的出水温度，又要保证5℃的进出水温差，那么冷却塔的实际流量会减少很多，冷却量相应较少。
由图6-a可知，当室外空气湿球温度为0℃，冷却塔进出水温差为5℃时，冷却塔的出水温度约为10.8℃，板式换热器温差取1℃，那么末端空调设备供水温度将达到11.8℃。
在实际工程中，对于一般的民用建筑舒适性空调系统，过渡季节或者冬季冷负荷主要来自建筑的内区，其总量远小于夏季总冷负荷，而且随着室外气温的降低，内区冷负荷也相应减少，那么采用冷却塔供冷时，其实际流量可以大幅减小，以实现较低的出水温度和较大的进出水温差，保证内区供冷的需求；冷却塔供冷比较容易实现，而且供冷时间相应较长。
对于通信机房建筑而言，机房是需要全年供冷，一般是无人值守相对密闭的，空调负荷主要是通信设备发热量形成的冷负荷，其次是围护结构和照明设备得热形成的冷负荷，但是这两项占机房总冷负荷的比重很小。即使在冬季，机房总的冷负荷相比于夏季减少的量很少，因此，根据夏季工况选择的冷却塔在冬季用作节能供冷时，要求其提供的冷却量是基本不变的。但根据以上分析，冷却塔出水温度会大幅提高。对于按照7-12℃选择的末端空调设备，大幅提高其供水温度后，相应的供冷量也将随之大幅衰减，无法满足机房设备正常运行的要求。
因此，冬季对通信机房建筑采用冷却塔供冷技术时，要满足通信设备热负荷要求，冷却塔必须按冬季供冷时选配，塔型可结合夏季工况灵活配置。多余容量夏季备用。冬季供冷时以小于冷却塔的额定流量来获取较低出水温度和较大的进出水温差，相应的整个系统的初投资增加，但冷却塔供冷节能运行的时间可以延长。节能效果显著。
3 开式冷却塔+板式换热器供冷冷却水系统的水质要求
由于开式冷却塔直接与空气接触,空气中的灰尘垃圾容易进入冷却水系统中,而板式换热器的间隙较小,容易堵塞。冷却水系统必须满足《工业循环冷却水处理设计规范》要求,该规范规定换热设备为板式换热器时的相应悬浮物控制指标≤10 mg/ L 。在目前使用开式冷却塔+板式换热器的冷却水供冷系统的工程中均发现,因板式热换器未得到及时维护清洗而使其换热量有逐年下降的趋势，以至于使用了两三年后因板换换热量大幅下降而无法继续运用的情况。
这样就必须采用化学加药、定期监测管理、在夏季及时清洗板式换热器的方式才能避免板式换热器堵塞问题。
4 冬季冷却塔防冻问题
在严寒有冻结危险的地区，冷却塔的集水盘，室外供回水管道以及补水管需考虑设置电半热设施，同时冷却塔供回水管道上需设置连通管以及温控电动阀门，使得水温控制在不冻结温度以上（一般为5℃）。
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