冷卻塔水冷中央系統(tǒng)的節(jié)能分析

1.中央空調(diào)系統(tǒng)不僅要滿足人們對工作、生產(chǎn)的環(huán)境要求，同時也要滿足對環(huán)境保護(hù)和節(jié)能的要求。隨著國家節(jié)能政策的實施，中央空調(diào)的能耗問題成為許多學(xué)者的研究方向。中央空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)包括冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)及主機(jī)，其中冷卻水系統(tǒng)能耗占中央空調(diào)總能耗的15%～20%。同時由于冷卻水量多于冷凍水量，因此對冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化顯得尤為重要。由于室外環(huán)境的變化和室內(nèi)人員的流動性大，中央空調(diào)系統(tǒng)在大部分情況下只提供部分負(fù)荷，因此冷卻水系統(tǒng)也在很長時間內(nèi)處于部分負(fù)荷運(yùn)行下，而設(shè)計時是參考滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行設(shè)備選型，必然會出現(xiàn)設(shè)備選型龐大和能源的浪費。研究冷卻水系統(tǒng)節(jié)能即是研究在部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下的控制運(yùn)行。冷卻水系統(tǒng)包括冷卻水泵、機(jī)組和冷卻塔三部分。

2冷卻水泵節(jié)能分析

對于冷卻水系統(tǒng)而言部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況是由外部環(huán)境參數(shù)的改變引起的。外部環(huán)境參數(shù)主要包含4個：冷水進(jìn)口溫度、冷水出口溫度、制冷量和室外濕球溫度。通過改變水泵的運(yùn)行工況適應(yīng)負(fù)荷的變化。通常冷卻水泵運(yùn)行工況的改變方法有3種。

2.1改變閥門開啟度

調(diào)節(jié)水泵出口處閥門的開啟度，是改變水泵工況點簡便易行的方法。閥門在正常運(yùn)行情況下，一般都全部開啟，當(dāng)關(guān)小閥門時，局部阻力加大，性能曲線變抖，流量變小，揚(yáng)程增大。水泵的工作點由A2點移動到A1點，如圖1。這種方法雖然簡便，但是閥門的調(diào)節(jié)范圍有限，當(dāng)揚(yáng)程過大時，會導(dǎo)致水泵過載，降低其使用壽命。由于增大了局部阻力導(dǎo)致水泵的輸出功率增大，造成電能的浪費。關(guān)小閥門也會加大管路的噪音。

2.2改變水泵葉輪直徑

由相似定律可知，葉輪直徑改變，會引起水泵的流量，揚(yáng)程，軸功率發(fā)生相應(yīng)的變化，因此可以通過改變直徑達(dá)到改變運(yùn)行工況的目的。但是車削技術(shù)的精度要嚴(yán)格控制，否則可能會影響水泵的性能。由于水泵直徑的改變量有限，不能滿足各個負(fù)荷率的使用情況，因此適應(yīng)性比較差。

閉式冷卻塔和開式冷卻塔對地源熱泵系統(tǒng)的影響

閉式冷卻塔是由外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)組成。無需填料，紫銅管表冷器是其核心部位，設(shè)備與內(nèi)循環(huán)對接，形成封閉的循環(huán)系統(tǒng)（介質(zhì)為軟水）。為設(shè)備進(jìn)行冷卻，將設(shè)備中的熱量帶出到冷卻機(jī)組。而外循環(huán)是在冷卻塔中，為塔本身進(jìn)行降溫。與內(nèi)循環(huán)水相互不接觸，經(jīng)過冷卻塔的紫銅管表冷器完成散熱、換熱工作。根據(jù)進(jìn)塔水溫自動設(shè)置冷卻塔工況。閉式冷卻塔被冷卻介質(zhì)由于不與空氣接觸，不會產(chǎn)生藻類或者鹽類的結(jié)晶，且被冷卻介質(zhì)在密閉管道中流動，介質(zhì)一般都是軟化水，不會影響被冷卻設(shè)備的工作效率。

開式冷卻塔是通過將循環(huán)水以噴霧方式，噴到 PVC 填料上，與空氣、水接觸，進(jìn)行換熱，然后再由風(fēng)機(jī)帶動冷卻塔內(nèi)循環(huán)，把熱氣流帶出，從而達(dá)到冷卻。被冷卻介質(zhì)在塔內(nèi)不斷的循環(huán)，當(dāng)使用時間多長時，其介質(zhì)會蒸發(fā)、濃縮。因此開式冷卻塔需要常年補(bǔ)水，并且介質(zhì)在在與空氣長時間接觸后， 逐漸會被污染，產(chǎn)生藻類或者鹽類等結(jié)晶，從而影響其使用性能。如果使用開式冷卻塔與地源熱泵聯(lián)合，由于污垢、結(jié)晶的存在，很有可能造成冷卻水系統(tǒng)的水管堵塞，從而引起事故。而且地源熱泵對水質(zhì)要求較高，如果地源側(cè)管道泄漏，很有可能會污染地下水。通常為了保證水質(zhì)，一是采用二次水系統(tǒng)，中間加設(shè)板式換熱器，末端使用開式冷卻塔；第二便是使用閉式冷卻塔。兩者對比，方法一由于增加中間換熱器，熱交換效率會降低而且系統(tǒng)形式復(fù)雜，增設(shè)換熱器及水泵，系統(tǒng)初期成本增加。另外，占地位置遠(yuǎn)大于使用閉式冷卻塔，因此閉式冷卻塔在地源熱泵系統(tǒng)中有極大的應(yīng)用價值。極大地促進(jìn)了地源熱泵系統(tǒng)的工作能效。

冷卻塔型號選擇對地源熱泵系統(tǒng)的影響

　　不同冷卻塔選型的運(yùn)行狀況對地源熱泵系統(tǒng)的影響是不同的，冷卻塔啟動后，勢必是增加系統(tǒng)阻力，影響水泵的功耗。研究表明，當(dāng)選用小容量的冷卻塔時，運(yùn)行時間會增加，進(jìn)而影響地埋管道的出口水溫，影響了機(jī)組的能耗。當(dāng)選用大容量的冷卻塔時，冷卻塔的運(yùn)行時間可以縮短，但同時卻增加了成本跟冷卻塔能耗；在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)使用冷卻塔能有效調(diào)節(jié)地埋管周圍土壤的散熱平衡，擴(kuò)大了地源熱泵的使用范圍。冷卻塔型號對地源熱泵系統(tǒng)的能效也具有重要影響。

冷卻塔散熱的工作原理

　　冷卻塔是利用水和空氣的接觸，通過蒸發(fā)作用來散去工業(yè)上或制冷空調(diào)中產(chǎn)生的廢熱的一種設(shè)備。

　　基本原理是：干燥（低焓值）的空氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)的抽動后，自進(jìn)風(fēng)網(wǎng)處進(jìn)入冷卻塔內(nèi)；飽和蒸汽分壓力大的高溫水分子向壓力低的空氣流動，濕熱（高焓值）的水自播水系統(tǒng)灑入塔內(nèi)。

　　當(dāng)水滴和空氣接觸時，一方面由于空氣與水的直接傳熱，另一方面由于水蒸汽表面和空氣之間存在壓力差，在壓力的作用下產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，將水中的熱量帶走即蒸發(fā)傳熱，從而達(dá)到降溫之目的。

　　冷卻塔的工作過程：圓形逆流式冷卻塔的工作過程為例：熱水自主機(jī)房通過水泵以一定的壓力經(jīng)過管道、橫喉、曲喉、中心喉將循環(huán)水壓至冷卻塔的播水系統(tǒng)內(nèi)，通過播水管上的小孔將水均勻地播灑在填料上面；干燥的低焓值的空氣在風(fēng)機(jī)的作用下由底部入風(fēng)網(wǎng)進(jìn)入塔內(nèi)，熱水流經(jīng)填料表面時形成水膜和空氣進(jìn)行熱交換，高濕度高焓值的熱風(fēng)從頂部抽出，冷卻水滴入底盆內(nèi)，經(jīng)出水管流入主機(jī)。

　　一般情況下，進(jìn)入塔內(nèi)的空氣是干燥低濕球溫度的空氣，水和空氣之間明顯存在著水分子的濃度差和動能壓力差，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時，在塔內(nèi)靜壓的作用下，水分子不斷地向空氣中蒸發(fā)，成為水蒸氣分子，剩余的水分子的平均動能便會降低，從而使循環(huán)水的溫度下降。

　　從以上分析可以看出，蒸發(fā)降溫與空氣的溫度（通常說的干球溫度）低于或高于水溫?zé)o關(guān)，只要水分子能不斷地向空氣中蒸發(fā)，水溫就會降低。但是，水向空氣中的蒸發(fā)不會無休止地進(jìn)行下去。

　　當(dāng)與水接觸的空氣不飽和時，水分子不斷地向空氣中蒸發(fā)，但當(dāng)水氣接觸面上的空氣達(dá)到飽和時，水分子就蒸發(fā)不出去，而是處于一種動平衡狀態(tài)。蒸發(fā)出去的水分子數(shù)量等于從空氣中返回到水中的水分子的數(shù)量，水溫保持不變。由此可以看出，與水接觸的空氣越干燥，蒸發(fā)就越容易進(jìn)行，水溫就容易降低。