1、1994 年 6 期 北京节能 起止页码：41-42 页浅谈普通玻璃钢冷却塔的高效运行范为革 冷却水系统节能运行模块总体原则：在保证冷凝器正常运行条件下，应尽可能降低冷却水温度，充分利用免费冷却能源，以提高冷机的 COP，同时保证冷却系统电耗最小。优化冷却塔出水温度：冷却塔出水温度的主要影响因素：冷却塔入口空气湿球温度、流经冷却塔的空气流量、冷却塔进水温度、冷却塔水流量。冷却塔的水温依据周围空气的湿球温度来调节，冷却塔的换热只和室外空气的湿球温度有关，运行效果良好的冷却塔的出水温度最低可以达到只比湿球温度高 35，因此只要室外湿球温度足够低，冷却塔就可以产生足够低的水温，满足过渡季供冷的需要。
2、优化冷却塔风机启停每台冷却塔风机的启停根据冷冻机开启台数、室外湿球温度、冷却水温度、冷却水泵开启台数来确定。冷却塔风机变频控制冷却塔风机可采用变频装置，以降低冷却塔风机所耗功率。当冷却塔出水温度高于设定值时，加大风机运行频率，提高转速，使冷却塔出水温度趋于设定值。冷却水泵变频控制冷却水泵变频一方面时为了消除冷却水泵选择过大而多耗电能，另一方面也是为了更好地适应低负荷的要求。其控制方式可以采用定压力运行。性能的评价简介： 通过冷却塔验收试验或性能试验整理出结果，应对该冷却塔的性能作出评价。评价的指标，决定于所采用的评价方法，有以冷却出水温度 ，或以冷却能力 (实测经修正后的气水比与设计时气水比的
3、比值)作为评价指标，也有用其它的评价指标。下面介绍几种目前国内外常用的冷却塔性能评价方法。关键字：冷却塔 评价指标 性能评价 通过冷却塔验收试验或性能试验整理出结果，应对该冷却塔的性能作出评价。评价的指标，决定于所采用的评价方法，有以冷却出水温度 ，或以冷却能力 (实测经修正后的气水比与设计时气水比的比值)作为评价指标，也有用其它的评价指标。下面介绍几种目前国内外常用的冷却塔性能评价方法。1.按计算冷却水温评价根据冷却数方程式表示的热力特性和阻力特性，可以综合计算得到设计或其它条件下的冷却水温 。根据设计条件及实测的热力、阻力特性，计算出冷却水温 ，与设计的 进行比较，如前者的 值等于或低于后
4、者的 值，则该冷却塔的冷却效果达到或优于设计值。2.按实测冷却水温评价通过验收试验，测得一组工况条件下的出塔冷却水温 ，由于试验条件与设计条件的差异，需通过换算方可比较，其比较的方法是：将实测的工况条件代入设计时提供的性能曲线或设计采用的计算方法和公式，计算出冷却水温 ，如果比实测的 高，则说明新建或改建的冷却塔实际冷却效果要比设计的好，反之则说明冷却塔效果差。这种用实测冷却水温的评价方法，计算简便，评价结果直感，试验时不需测量进塔风量，易保证测试结果的精度，但需设计单位提供一套 性能曲线(操作曲线)或计算公式。3.特性曲线评价法3.1 性能评价应用公式式中 实测冷却能力；修正到设计条件下的冷
5、却水量( )；设计冷却水量( )；试验条件下的实测风量( )；修正到设计工况条件下的气水比，由于试验条件与设计条件存在差异，故需将试验条件下所测之数据，修正到设计条件下进行评价。3.2 设计工况点的决定在作设计时，根据选定的塔型及淋水填料，可获得该冷却塔的热力特性 ，在双对数坐标纸上便可获得一条 的设计特性曲线，如下图中直线 1。根据给定的冷却任务（ ）假设不同的气水比，可获得不同的 ，将其描绘在图上，便可得冷却塔的工作特性曲线，如上图中曲线 2，直线 1 和曲线 2 的交点。即为满足设计要求的工况点。3.3 试验条件的工况向设计条件修正冷却塔进行验收试验或性能试验时，由于实测进塔空气量 G，
6、和设计空气量不可能完全相同，所以获得的直线和上图中的直线 1 不可能完全相同，而是另外一条和直线 1 平行的直线 3。直线 3 和曲线 2 的交点 c 则表示修正到设计条件下的工作点，C 点对应的气水比即为修正到设计工况条件下的气水比 。c 点的获得，可由试验得到的冷却数 和气水比 点绘到冷却塔设计特性曲线图上，得试验点 b，过 b 点作直线 3 平行于直线 1，从而可得到直线 3 和曲线 2 交点 c。根据试验实测的空气量 及修正后 c 点的气水比 ，便可得到修正后的冷却水量 ，即： 将上式代入 便可求得实测冷却能力 。如 大于 90或 95，应视为达到设计要求； 大于 100，应视为超过设
7、计要求。4.美国 CTI 机械通风冷却塔特性曲线评价法此评价方法与上述的冷却塔性能评价方法基本相同，亦是以实测冷却能力 表示的，即：所不同的是上式中进塔风量 不是直接测定的，而是测定机械通风冷却塔的风机功率，根据风机功率再计算进塔风量。计算公式为： （kg/h）式中 通过实测风机功率换算的风量( )；设计风量 )；实测风机功率( )；设计风机功率( )。风量 求得后，其它计算方法均与前所述相同。5.美国 CTI 机械通风冷却塔操作曲线评价法(1) 本法是由试验数据利用操作曲线评价机械通风冷却塔性能的方法，计算结果是以冷却能力 表示。(2) 设计单位应提供相当于设计冷却水量的 90、100、11
8、0三组曲线组成的操作曲线图。每组曲线以湿球温度 为横坐标，出塔水温 为纵坐标，冷却幅宽火力参变数的列线图，如图（系列）所示。冷却幅宽曲线的变量至少要包括设计值，80设计值和 120设计值三条冷却幅宽曲线。设计点应在曲线图上表示。(3) 冷却塔能力的确定。将设计单位提供的性能曲线转化绘制成在试验条件下确定冷却塔能力的列线图。其步骤首先以试验湿球温度 为基础，绘制一组以冷却幅宽 为横坐标，出塔水温 为纵坐标，冷却水量 为参变数的曲线(下图) 。然后，由此组曲线，根据试验冷却幅宽 绘制一条出塔水温 t2 和冷却水量 关系曲线(下图)，这样在试验出塔水温下就可查得预计保证的冷却水量 ，将试验的冷却水量
9、再进行风机功率的修正。修正后的水流量与预计的水流量之比即可确定冷却塔冷却能力，亦即利用下列公式计算：对水冷冷水机组冷却水温度优化控制的探讨 作者：施敏琪 李元旦 张彦简介： 本文分析了冷却水温度对于冷水机组和冷却塔的综合能耗的影响，探讨了冷却水温度优化控制对于制冷机组节能的意义。并对如何实施冷却水温度控制、以及冷却塔风扇的顺序控制等控制实施方法进行了介绍。关键字：冷却水温度 冷却塔控制 冷水机组能耗 1. 引言对大中型空调系统而言，水冷式冷水机组是采用得最为普遍得冷源。据统计，冷水机组的能耗占到整个中央空调系统能耗的 30以上。因此制冷机房的节能成为日益关注的话题。做为整个制冷机房节能计划的一
10、部分，冷却水温度的优化控制对于冷水机组和冷却塔的综合能耗的下降，有着积极的意义。目前国内的设计标准工况都把冷却水供回水温度定义为 3237C 的运行范围。这是因为我们国家在冷冻机性能测定或者说冷量的测定是在冷却水温度 32C 进入冷凝器，37C 出冷凝器这样的工况下定义的。但制冷机在实际投入使用后，有 90以上的时间是运行在非设计工况下的。 此时，不但制冷机组的工作负荷与设计工况下的负荷有较大的偏离，而且由于室外气象条件的变化，冷水机组的工作点也与设计工作点有很大的不同。 在非设计工况，全年各种不同的空调工况下这冷却水的温度应该控制在什么范围呢？室外冷却水温度是否存在一个最优控制点使得冷水机组
11、系统的能耗最低？如果存在这样一个优化控制点，通常用什么方法来进行控制才能获得满意的节能效果呢？本文将就制冷机组冷却水温度是否需要进行优化控制和如何实施优化控制以达到节能的目的作以叙述。2. 什么是冷却水的优化温度？图 1. 冷却水温与冷水机组主机及冷却塔能耗之间相互影响的关系示意 根据一般的工程常识我们知道，对于机械式冷却塔，风扇转速越高，冷却水的温度就会越低，此时冷却塔的耗电越多；可是对于主机来说，冷却水温度越低，主机的耗电越少。反之，冷却塔转速越低，冷却水的温度越高，这样冷却塔的耗电越少。但对于主机来说，由于进入冷凝器的水温升高，相应的主机耗电会增加。上述关系可用图 1 描述。应该如何控制
12、冷却塔出口的水温，使得整个机组的耗电最低呢？这里显然存在一个优化控制的问题。另外在整个供冷季节，建筑的负荷（需冷量）和室外气象条件（对冷却水温控制而言主要是湿球温度）是不断变化的。在全年各种不同的工况下面，冷却水温度应该依据什么原则来实施控制呢？在全年室外各种气象工况，主机各种不同的荷载下，我们是否要按照设计工况来保证冷却水的供水温度，比如 32C 呢？答案是否定的。实际上，主机和冷却塔的优化的综合最低能耗并不是确定在某一个恒定的冷却水温度上的，它随着室外湿球温度，主机的部分负荷的变化而变化。请看下图 2。 以一台冷量为 5450kW(1550 冷吨) 的离心式冷冻机为例，在室外湿球温度 18
13、C 时的满负荷的工作状态曲线见图 2。图示表明在此负荷，此湿球温度下，随着冷却水温度的不同，主机和冷却塔能耗也随之不同。但我们能找出在此状态下的能耗最低点为 24C。就是说，在这样的气象条件下，这样的工作负荷时，提供这样的冷却水温度是最低的能耗。当随着负荷减少，室外湿球温度的下降，这冷却水的优化温度也会随之发生变化。在主机荷载到为 4000kW(1160 冷吨)时，湿球温度在 14C 的条件下，冷却水的优化点移到了 21C，也就是说，不同的湿球温度，不同的主机荷载会产生出不同的优化温度点。同理，当主机2500kW(730 冷吨 )、湿球温度在 12C 时，优化温度就相应地移到了 18C。 因此
14、，我们不难发现，在冷却水系统的运行过程中，及时计算出该时刻的冷却水优化温度，并按照该温度将冷却水提供给主机的冷凝器，将减少主机与冷却塔的综合能耗，高于或低于这个优化温度，综合能耗都将上升。图 3. 冷却水温度变化与机组能耗关系示意图图 3 是 3516kW(1000Ton)离心主机在 50荷载时，某一湿球温度下的瞬间能耗比较图。由图分析可知，对于冷却塔能耗线，随着冷却水温度的提高，冷却塔的能耗就相应减少；而对于主机能耗曲线，随着冷却水温度的提高，主机的能耗相应增加。因此，单一设备的节能不能说明该系统节能，综合能耗是主机能耗和冷却塔能耗的叠加，只有在图中找出综合能耗的最低点，才是最佳的系统节能。
15、图中，在该工况下，该冷却水优化温度在 28C。不同的机器有不同的优化温度公式，我们怎样才能找到这优化了的冷却水温度呢？文献2给出了针对一单台螺杆冷水机组，它的最优冷却水控制温度的算法可以用如下公式 21 表示： Topt= AToaw+BWr - CTwbd - DL+37 21上式中，Topt最佳冷却水温度（）；Toaw 室外湿球温度（）；Wr 为负荷率 = 实际负荷 /设计负荷； Twbd室外湿球设计温度（）；L流量 （l/s）； A，B，C ，D 为系数。3. 怎样来进行冷却塔供水温度的控制？我们已经知道了提供一个优化了的冷却水温度的节能意义，这里我们进一步讨论在控制冷却塔出水温度的时候
16、，冷却塔风扇的顺序控制和意义。冷却水温的调节有许多方法，有冷却水系统的旁通泵变频控制，也有冷却塔风扇的两档风速控制，还有冷却塔风扇的变频控制。这里，我们主要讨论多塔并联时，变频风扇的控制顺序和两档风速风扇对于风扇本身的节能意义。首先，我们知道风扇的转速，和风量，和能耗之间的公式如下： P2/P1=(RPM2/PM1)3 31P2= P1(RPM2/RPM1)3 32RPM2/RPM1=FLOW2/FLOW1 33上式中 P 为能耗，RPM 为转速，FLOW 为冷却塔风量。假如使 RPM2 之转速变为 RPM1 的一半，则 P2= P1(0.5/1)3=1/8P1=12.5%P1 所以低速运行是
17、冷却塔本身节能所在。比如，两台主机和两台冷却塔对应，在两台主机满载工作时，如室外工况要求两台冷却塔 100投入，毫无疑问，这种满载工况的出现并没有可以节能的余地了，但是这种满载概率在舒适性空调中通常不超过 10；系统在全年的运行中，大部分时候是处在部分负荷状态下。也就是说，全年 90以上的时候有节能的余地。当负荷侧只需要一台主机工作时，这时，我们投入一台还是两台冷却塔呢？假设此时主机 100满载，再假设冷却塔运行一台满载可以满足主机的冷凝要求，这时，如果投入一台冷却塔，我们的冷却塔能耗为 P1，假如我们投入两台冷却塔，而每台的风量为满载风量的一半时，两台冷却塔的总换热量之和还是等于一台冷却塔满
18、载换热量。而两台半载冷却塔的能耗之和为：P=2*P1*(RPM2/PM1)3=2*P1*0.53=25%P1图 4 四台制冷机四台冷却塔控制模式示例很显然，运行两台半载冷却塔的能耗只是运行一台冷却塔满载能耗的 25。同样，如果是三机三塔，或者是四机四塔，都应该应用冷却塔低风速的原则，所减少的能耗更多。对应于两档风速冷却塔风扇的控制顺序，我们同样也可以使用下面的增载和减载模式进行。图4 是四机四塔的冷却塔顺序控制：4结论 1. 系统的配置只是机房设计的一部分，而系统优化运行对于冷水机组寿命周期内的能耗具有很重要的影响；2. 在整个供冷季节都存在这冷却水优化控制温度点，能使得机组和冷却塔的综合能耗
19、最低；参考文献：1Mark Hydeman, Ken Gillespie and Ron Kammerud ,A Toolkit to Improve Evaluation and Operation of Chilled Water Plants，The Cool $ense National Forum on Integrated Chiller Retrofits ，San Francisco, September 19972. 美国专利号：U.S Patent No.560096, 1995空调冷却水系统设计问题的探讨 作者：陈碧祥简介： 空调制冷的冷却水系统一般是开式系统，相对比较简
20、单，因而，经常不被设计人员所重视。本文就冷却水系统的承压、水泵扬程的确定、多台冷却塔的并联、系统的启停顺序、节能控制等问题谈谈自己的观点，供大家参考。关键字：冷却水 承压 扬程 冷却塔并联 变频控制 一、冷却塔的位置要考虑系统设备承压要求：冷却水系统形式主要有两种：水泵前置式和水泵后置式，如图 1、2。确定时要考虑水系统的承压能力。水系统的承压能力最大的地方是水泵出口，如图中的 A 点，系统承压有以下三种情况：系统停止运行时，水泵出口压力为系统静水压力 hZ；系统瞬时启动，但动压尚未形成时，水泵出口压力为系统静水压力和水泵全压之和 hZ+H P；正常运行时，水泵出口压力为该点静水压力与水泵静压
21、之和 hZ+H P-v2/2g。冷水机组冷凝器耐压，目前国产机组一般为 981KPa。水泵壳体的耐压取决于轴封的形式，水泵吸入侧压力在 981KPa 以上时，要使用机械密封。冷却塔如果设在高层建筑主楼屋面，产生的压力高于机组的承压能力时，冷却水泵宜设在冷水机组的冷凝器出口，以降低冷凝器工作压力。有人会提出疑问：水泵入口负压过大，会产生气蚀。事实上，冷却塔与冷水机组之间的高差，远大于管路阻力和冷凝器阻力，并且水泵还有一个容许吸上真空高度。笔者的同学曾经设计一个工程，机房在地下，裙房屋顶为人员活动空间，业主要求在 120 米高的屋面安装冷却塔，系统最大承压要超过 1.2MPa 与水泵全压之和。这就
22、造成产生的静压太高，冷凝器不能承受，同时对水泵轴封和软接头提出了更高要求。解决方法一：选用能承受高静压的设备和管道配件，这将大大增加工程造价。解决方法二：如图 3，设两个冷却水箱、两套冷却水泵。一个高温冷却水箱、一个低温冷却水箱，一套冷却水泵从低温水箱抽水进入冷凝器后进入高温水箱，另一套冷却水泵从高温水箱抽水送入冷却塔，然后回流到低温水箱。但要注意：冷却塔处要采取一定的措施，避免停泵时水全部流入低温水箱。水箱要满足冷却塔到机房的充注水量，水箱的水位也不好控制；这样水泵的扬程太高（图中 h 高度的扬程浪费了），这不是一个经济的做法。解决方法三：加板式热交换器隔绝高压，但冷却塔选用要有余量，如图
23、4。笔者认为，对于某些建设方的不合理的要求，设计人员不要迁就。此类工程最好把冷却塔放在放在裙楼上 。 二、冷却水泵扬程的确定冷却水系统水泵扬程计算应该是系统阻力（管道、管件、冷凝器阻力之和），冷却塔集水盘水位至冷却塔布水器的高差，冷却塔布水器所需压力组成，并附加 510裕量。设计人员常犯的错误，是一见到开式系统就计算系统的高差。冷却塔虽然是开式系统，但是因为冷却塔自带集水盘，相当于水箱放在屋顶，这部分水静压和供水管上升所需静压相抵消，所以只需计入冷却塔底盘和布水管的高差就可以 。某工程空调冷却水系统:2 台水泵+2 台冷却塔并联，水泵设计流量 400t/h, 扬程 40m。调试时遇到如下问题:
24、 单台水泵运行时,若泵出口阀门开度30%,水泵振动较剧烈,泵前、后压力表跳动,配电柜电流表跳动; 若泵出口阀门开度 hbc+hlq-h2 时，水才不会从通气管内流出来。第三种情况： h2hbc+hlq,水泵扬程仅需克服 ab 段阻力和 ab 之间的高差扬程 H=hab+h1+h2，h 3=0。但是，冷却塔出水中混入大量空气，水泵扬程部分被浪费了，增加了电能消耗，这不是一个经济的做法。综上所说，第一种情况是少见的，第二种情况是普遍的，第三种情况应尽量避免的。为了使系统正常经济的运行，系统高度不宜太高，设计时应进行详细计算，当出现第三种情况时，可以通过增加 bc 段阻力来避免。三、多台冷却塔的并联
25、问题规范要求选主机时要尽量做到大小搭配，以便适应负荷的变化，但这时冷凝器、水泵、冷却塔连接起来就很麻烦了。在工程上，多台冷却塔并联运行时，配管方式一般有 5 种方式，见图 8-12. 图 9 管线布置最复杂，占用空间大，但流量分配合理，运行可靠性高。图 8、10、11 管线布置简单，但是，经常出现溢流和补水现象，主要原因是：1、一般在塔的进水管上安装了电动阀，而出水管上未装，不运行的塔进水阀关闭，但出水管连通。当单台运行时，用的那台冷却塔水盘中水位上升，引起溢流，而其他不运行的塔的水盘则不停的补水。2、各塔水量分配不平衡，主要是管路布置问题，有的塔进水管道阻力小，出水管道阻力大；进水多出水少，造成溢流。有的塔则相反,不停的补水。
