冷却塔供冷技术的实验研究

季阿敏,谷 智,刘 玮,成克用

(哈尔滨商业大学土木制冷工程学院,哈尔滨150028)

冷却塔供冷又称“免费供冷”[1]技术,是指在冷季或过渡季节空调区域仍需要供冷,且当室外空气湿球温度达到一定条件时,关闭冷水机组,以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调末端供冷的技术.“免费供冷”并非单纯意义上的免费,而是相比较而言.因为虽然冷水机组关闭了,但在冷却塔产生低温冷却水供入空调系统末端的时候,冷却塔和水泵等部件仍继续工作消耗电能,只是与冷水机组所消耗的电能相比要小得多,所以可以相对地将冷却塔供冷视为免费供冷.由于冷却塔供冷是利用自然冷源,对环境无污染,因此属于环保型系统.本文针对与哈尔滨地区的气候特点,对采用冷却塔直接供冷的方法进行了实验研究.

1 冷却塔供冷实验装置

1.1 冷却塔供冷设备流程简图

见图1.

1.2 实验参数及仪器

1.2.1 主要测试参数

a.室外干球、湿球温度;

b.冷却塔进水、出水温度、流速;

c.冷却水泵、冷却塔风机、风机盘管以及组合空调箱中电机电流;

d.室内各测点温度、湿度、风速;

e.末端送风口参数.

1.2.2 主要测试仪器

a.干湿球温度计HB-4型(精度0.1℃);

b.BWK-3型温度控制器(精度0.1℃);

c.GT201型电流钳(精度0.01 A);

d.ZRQF型热球式风速仪;

e.LZB型玻璃转子流量计等.

图1 冷却塔供冷系统简图

2 空调负荷

本实验选择某商场为研究对象,整个建筑平面尺寸为40 m×33.6 m,内区面积为28m×21.6m,外区面积为6 m×123.2 m,共4层.商场内区的负荷主要由人体散热和照明负荷组成.一般冷季或过渡季空调负荷的总量远小于夏季总冷负荷,这就为冷却塔供冷提供了便利,因为冷却塔供冷水温度要高于冷水机组提供的水温.

计算人体负荷时,其全热按120W/人[2]计算,根据各楼层的人数不同,经计算,内区人体负荷每平方米约为19.4W.对于照明负荷的确定,根据ASHRAE/IES90.1-1989规定,商场每平米的照明负荷随建筑面积的不同而略有变化,取值应在15.07～17.22W/m2之间,但现在许多商场为了配合消费者的消费行为,提供舒适的购物照明环境而加大照明力度,普遍照明负荷都高于30W/m2.综合其他一些影响因素,将房间的内区2部分负荷相加拟定为50、70、100 W/m23个工况进行了实验分析.

3 实验结果及影响因素分析

3.1 室外湿球温度对房间降温时间的影响

进行该项实验选择了当室外湿球温度分别为6、7、8、9、10℃时,采用冷却塔供冷.以空调负荷为70W/m2工况进行测试时,得出结果如图2.可以看出,随着室外湿球温度的增大,室温从30℃降到24℃的时间逐渐延长.当室外湿球温度为6℃时,房间温度达到24℃的降温时间约为90m in,当室外湿球温度升到10℃时,房间温度达到24℃的降温时间约为160min.

图2 不同室外湿球温度下房间的温度与降温时间关系

图3 为散流器出风口温度与时间关系图,从图3可以看出,在不同的室外湿球温度下,散流器出口达到相同的温度所需的时间不同,随着室外湿球温度的升高,达到相同送风温度所需的时间亦逐渐延长,这一趋势与房间温度的变化是吻合的.只是散流器出风口的温度变化过程时间短暂,因此其温度变化曲线比较平缓,不像房间温度变化曲线有波动.

3.2 房间负荷的影响

图4为当测试房间单位负荷分别为50、70、100W/m2时,室外湿球温度分别为6、8、10℃时房间降温时间的情况.可以看出,房间负荷越小,降温时间越短,而湿球温度分别为6℃和8℃的降温时间比较接近.

3.3 冷却塔运行参数的影响

在不同室外湿球温度下冷却塔出水温度的变化曲线参见图5.

图5 不同室外湿球温度下冷却塔出水温度与时间关系

从图5可以看出,当室外湿球温度分别为6、8、9、10℃时,冷却塔出水温度随着时间的推移逐渐接近一致.由图4、5可以说明不必过于盲目苛求过低的湿球温度,当达到一定值时,效果相差不是很明显.从节能的角度考虑,适当的提高室外湿球温度的转换值,可以延长冷却塔供冷的使用时间,降低能耗.而且对于舒适性空调,应将供冷温度定在人们舒适性所能允许的最高温度,例如,供冷度定在13℃比定在10℃节能率要高得多[3].

冷却塔冷却能力的2个重要参数[4],即水温降(指冷却塔的进出口水温差)和冷幅(冷却塔出水温度和进口处的空气湿球温度的差值)随时间变化情况参见图6、7所示.

图6 水温降与时间的关系

从图6、7中可以看出,水温降和冷幅随时间的延长而逐渐降低而后趋于稳定,初期变化大显然是由于在开始阶段房间负荷随着冷却塔供冷而逐渐减少导致的结果.

图7 冷幅与时间的关系

3.4 冷却塔供冷时数及节能

图8 总结了哈尔滨地区各月份的湿球温度分布.

图8 哈尔滨地区各月平均湿球温度

从图8中可以看出,若设室外湿球温度达到10℃的转换温度时,哈尔滨地区冷却塔供冷系统理论上可以使用的时间接近9个月,对于类似哈尔滨这样室外平均湿球温度一年中有一半时间低于10℃的地区,在不考虑湿度控制的前提下,采用冷却塔供冷的时间理论上可以达到半年以上,当然还有一些冬季防冻等问题需要考虑.

经计算,与常规空调供冷相比,如果取室外湿球温度10℃为冷却塔转换温度时,冷却塔供冷节能率可以达到14.8%;取室外湿球温度12℃为冷却塔转换温度时,则冷却塔供冷节能率可以达到17.9%.转换温度每增加1℃,则冷却塔供冷节能率就增加0.0623%,供冷小时数每增加1 h,冷却塔供冷节能率就增加0.012 565%.

4 结 语

对于全年都有供冷需求的建筑物或建筑物内区,在冷季或过渡季节采用冷却塔供冷技术可以达到节能目的.冷却塔转换温度越高,节能效果越好.对冷却塔直接供冷系统而言,当室外湿球温度达到10～12℃时,便可以将系统转换为冷却塔供冷,对于冷却塔间接供冷系统,可以预留1～2℃温差,即室外湿球温度达到9～10℃时即可转为冷却塔供冷.

[1]李 竞.过渡季节冷却水的节能应用研究[D].上海:同济大学.2007.

[2]何耀东.中央空调[M].北京:冶金工业出版社,2002.

[3]马最良,孙宇挥.冷却塔供冷技术在我国应用的模拟与预测分析[J].暖通空调,2000,30(2):5-8.

[4]季阿敏,刘 玮,李 杰.冷却塔供冷节能技术应用研究[J].哈尔滨商业大学学报:自然科学版,2009,25(2):214-217.