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摘要：目前，全球能源储存量都在持续下降，能源需求已成为我国健康持续发展的严重制约因素。对于一些在冬季也需要提供空调冷水的建筑，可以考虑利用冷却塔直接提供空调冷水，这样可以减少冷水机组的运行时间，取得好的节能效果。本文结合济南地区气候条件，探讨了冷却塔供冷的可行性。
关键词：冷却塔供冷；自然供冷空调系统；空调末端
城市化建设速度不断加快，空调系统的节能措施也越来越多。在过渡季及冬季采用冷却塔直接供冷的方法是最经济有效的一种措施。众所周知，在空调系统中制冷机的能耗占有极高的比例，如果能用冷却塔来代替制冷机供冷，将节省可观的运行费用。本文结合济南地区气候条件研究了该地区采用冷却塔供冷的可行性。
1.冷却塔自然供冷空调系统的原理与形式
如果公共建筑中冬季存在稳定的冷负荷，当室外湿球温度低至某个值以下，关闭制冷机组，以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接的向空调系统供冷，提供建筑空调系统所需要的冷负荷，即可实现冷却塔的免费供冷[3]。
冷却塔自然供冷分为冷却塔间接供冷系统和冷却塔直接供冷系统。从设备初投资来看，在相同的冷却水流量下，闭式冷却塔的价格是开式冷却塔的4倍左右；其次闭式冷却塔的换热效果较开式差，因此闭式冷却塔直接供冷应用较少。对于开式冷却塔，为了防止过多杂质进入空调水系统之中，通常还要求设置热交换器，因此水系统还存在1-2°C的换热温差损失，一定程度上降低了系统的供冷效率，但开式冷却塔加板换的间接供冷系统解决了水质污染、管道堵塞等问题，因此在工程中应用广泛，如图1所示。
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图1 冷却塔间接供冷系统流程图
2.冷却塔的性能分析
2.1冷却塔的热工热性曲线
冷却塔通常是按照夏季工况来选择的，因此必须对冬季供冷工况进行复核计算。设计冷却塔免费供冷时，需找出冷却塔全年湿球温度范围内对应的热工曲线。如今一般厂家基本不能提供，目前多使用ASHRAE手册中的基于空调工况、中等容量的横流塔100%、67%设计流量时的热工特性曲线[1]（图2、图3）。
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图2 冷却塔热工热性曲线（100%设计流量） 图3 冷却塔热工热性曲线（67%设计流量）
冷却塔有两个主要性能指标：冷幅和水温降。冷幅指冷却水出塔温度与室外湿球温度的差值；水温降为冷却水的进出水温差。冷幅体现了冷却塔的散热效果，一般情况下冷却塔散热面积越大，造价越高，技术和工艺也越复杂。对于某个工程来说，冷却塔的形式和体积选定后，冷幅和水温降的变化主要取决于室外湿球温度和建筑的冷负荷特征。通常情况下，为保证冷却塔出水温度稳定，冷却塔的冷幅宜大于3°C，过渡季冷却塔的冷幅宜在3-10°C之间，夏季冷却塔的冷幅宜为4-5°C。由图2和图3得出结论：在小于其额定流量和较小的冷却水温差的情况下，冷却塔可获得比额定工况更低的冷却水温度。因此当冷却塔按夏季工况选择的情况下，可采用小于额定流量运行的方法以延长免费供冷的时间。这个是冷却塔供冷应用分析的基本原理，具体设计时还应考虑实际选用的冷却塔的热工曲线。为延长冷却塔免费供冷的时间，本文采用冷却水进出水温差2°C，板换侧1°C温差为例进行分析。
表一 室外湿球温度与空调侧供回水温度变化关系
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2.2冷水供回水温度与空调末端供冷能力的变化关系
《全国民用建筑工程设计技术措施暖通动力﹒节能专篇》第6.1.7条指出：“末端盘管的供冷能力，应在所能获得的空调冷水的最高计算供水温度和供回水温差条件下，满足冬季冷负荷需求，宜近可能提高计算供水温度，延长冷却塔的供冷时间”。一般冷却塔供冷系统，空调供回水温度为7/12°C，在过渡季不需要7°C的冷冻水就可以满足室内冷负荷的需求。对于室内末端设备而言，如果按照夏季空调冷水温度（通常为7/12°C）选择末端设备，那么利用冷却塔冬季供冷时，如果要求末端的供冷能力相同，则必须在室外空气的湿球温度低于4-5°C时才能做到。如果冬季末端要求的供冷能力小于夏季，则应对末端设备在冬季供冷量要求条件下反过来复核对其冷水供水温度的要求，这样做可以尽可能的提高水温，使其对室外空气湿球温度的要求放宽，有利于更多的利用冷却塔供冷。下表为风机盘管厂家校核的空调系统末端供冷能力随冷冻水供回水温度的变化关系：
表二 空调系统末端冷却能力与空调侧供回水温度变化关系
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2.3室内冷负荷（不包含新风）与室外温度的变化关系
根据资料《冷却塔供冷技术的实验研究》，一般的办公、商业建筑空调供水温度可取到10°C[4]，本文以商场内区为例（表3），分析冷负荷与室外温度的变化关系：
表三内区各房间负荷情况
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3.供水温度取值的结果分析
以下将从空调供水温度提高与盘管供冷能力下降之间的关系、内区的负荷特征、新风供冷能力分析空调冷水的最高计算温度的取值，从而得出适宜的冷却塔供冷工况转换点。
3.1湿球温度9°C的工况
由表一、表二、表三可知，湿球温度9°C时，空调侧供回水温度为13-18°C，对应的空调系统末端的冷却能力仅为标准工况的35.6%左右。通过负荷计算（按济南市气象条件，平均湿球温度为9°C时，空调干球温度按14.5°C计算，除去新风的冷却能力），商场建筑内区的剩余冷负荷大于风机盘管末端的冷却能力，所以冷却塔供冷在此温度转换不能满足内区冷负荷的要求。
3.2湿球温度8°C的工况
由表一、表二、表三可知，湿球温度8°C时，空调侧供回水温度为12-17°C，对应的空调系统末端的冷却能力仅为标准工况的44.6%左右。由表三可知，通过负荷计算（按济南市气象条件，平均湿球温度为8°C时，空调干球温度按13.5°C计算，除去新风的冷却能力），商场建筑内区的剩余冷负荷小于风机盘管末端的冷却能力，所以冷却塔供冷在此温度转换能满足内区冷负荷的要求，为合适的冷却塔供冷工况转换点。
4．冷却塔供冷小时数
新风能够带走大部分湿负荷，且依靠空调系统末端的剩余除湿能力，可基本做到平衡，不需要独立除湿。综上所述，在冷却塔免费供冷系统中，对于内区商业建筑，可设定室外湿球温度8°C为工况转换点。
从图4可知，从当年10月末到次年4月中旬，均可以采用冷却塔免费供冷，运行天数约为180天，可期效果明显。
5．冷却塔免费供冷的防冻问题
因济南位于寒冷地区，当室外温度低于0°C时，冷却塔集水盘以及室外的冷却水管，必须考虑防结冻措施。因此冷却塔需采用防冻型；根据当地的室外极端最低温度，设置一定容量的电加热器；裸漏在室外的水管需采用电伴热等保温措施；对于冷却塔进风百叶结冰，可采用气流鼓吹式，同时可将风扇定期反转，去除风扇的冰凌[2]。
湿球温度
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图4济南月平均湿球温度图（横坐标为月份）
6.总结
本文对冷却塔供冷系统的性能特点进行了阐述和分析，结合济南地区的气象条件给出了冷却塔免费供冷适宜的转换温度，通过对商业建筑的负荷分析得知，济南地区从当年10月末到次年4月中旬可利用冷却塔供冷，节能潜力显著。
参考文献：
[1]ASHRAE.Cooling towers[M]/2004 ASHRAE Handbook-HVAC system and equipment（SI），2004：13-36.
[2]赵磊.冷却塔供冷技术.工程建设与设计，2013：88-91
[3]马最良.孙宇辉.冷却塔供冷技术的原理与分析.暖通空调，1998：28（6）27-30
[4]季阿敏 谷智 刘玮 成可用.冷却塔供冷技术的实验研究[J].哈尔滨商业大学学报.2010年2月第26卷第1期：99-102