我國現(xiàn)行冷水機(jī)組和冷卻塔兩個行業(yè)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工況冷卻水進(jìn)出水溫度不同，造成了在使用時一方必須變工況運(yùn)行、實(shí)際出力達(dá)不到標(biāo)況值的問題。通過分析提出適合廣州地區(qū)的選配設(shè)計(jì)方法——按照冷卻塔進(jìn)出水溫度標(biāo)準(zhǔn)選擇冷水機(jī)組，并通過計(jì)算推導(dǎo)出冷水機(jī)組制冷量修正系數(shù)。這為設(shè)計(jì)師在沒有變工況數(shù)據(jù)的情況下提供了設(shè)計(jì)參考，并為其他地區(qū)的選配設(shè)計(jì)提供方法參考。
1 前言
廣州地區(qū)通信機(jī)樓冷負(fù)荷需求較大、并且通信設(shè)備需要不間斷運(yùn)行，因此廣州地區(qū)大部分通信機(jī)樓采用中央空調(diào)集中供冷方式，常見的冷源配置是水冷式冷水機(jī)組，并配套相應(yīng)的冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔，通過空調(diào)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)不斷地為冷水機(jī)組提供冷卻水。GB/T18430.1—2001及GB/T18430.1—2007將冷水機(jī)組冷卻水的進(jìn)出水溫度由32/37℃修改為30/35℃，因此，現(xiàn)在大部分冷水機(jī)組樣本資料標(biāo)明的制冷量皆是在該條件下的制冷量。然而，另一方面，GB/T 7190.1—2008中冷卻塔進(jìn)出水標(biāo)準(zhǔn)仍為37/32℃。這兩個不同的標(biāo)準(zhǔn)造成了在使用時一方必須變工況運(yùn)行、實(shí)際出力達(dá)不到標(biāo)況值的問題。在沒有變工況數(shù)據(jù)的情況下，如何合理設(shè)計(jì)選配冷水機(jī)組及冷卻塔成為設(shè)計(jì)師需要解決的問題。
2 選配設(shè)計(jì)方法
冷卻塔是用空氣同水的接觸（直接或間接）來冷卻水的裝置。水與空氣直接接觸稱為濕式（或稱開式）冷卻塔，水與空氣間接接觸稱為干式（或稱封閉式）冷卻塔。本文主要討論常用的濕式冷卻塔。
冷卻水的進(jìn)出水溫度由32/37℃修改為30/35℃，其目的顯然是為了提高冷水機(jī)組效率節(jié)省能源，但是冷卻塔行業(yè)卻沒有相應(yīng)更改標(biāo)準(zhǔn)，這是有一定原因的。我們平常所說的溫度一般是干球溫度，此外還有濕球溫度。由于濕球溫度決定了空氣的含熱量，因此它對于確定用戶夏季冷負(fù)荷（冷水機(jī)組容量）、冷卻塔效率以及冷水機(jī)組效率等諸多方面均將產(chǎn)生很大影響。冷卻塔冷卻的基本原理之一是利用水本身的蒸發(fā)潛熱來冷卻水，即塔中的冷卻水是通過填料的巨大表面在一定空氣流速的條件下，通過蒸發(fā)部分冷卻水而冷卻的。在已知條件下（填料種類、氣水比、冷卻水進(jìn)出水溫度和熱負(fù)荷等），冷卻塔出水溫度的決定因素就是濕球溫度。如在該設(shè)計(jì)參數(shù)條件下運(yùn)行，濕球溫度就是該冷卻塔冷卻水出水溫度所能達(dá)到的更低理論極限值，又稱為水的冷卻極限。理論上水溫可以降到濕球溫度，但實(shí)際上達(dá)不到。要使水溫降到濕球溫度，冷卻塔尺寸需無限大，水與空氣接觸的時間要無限長，這顯然是不可能的。冷卻塔出水溫度和濕球溫度之間的溫度差稱為冷幅高，顯然冷幅高越大冷卻塔處理效率越高，一般冷幅高為4-5℃。我國幅員遼闊，各主要城市夏季濕球溫度tsh差異很大，其中：tsh≥25℃的有114個城市，tsh≥26℃的有102個城市，tsh≥27℃的有76個城市，tsh≥28℃的有31個城市，廣州地區(qū)夏季濕球計(jì)算溫度為27.7℃。如果冷卻塔出水溫度定為30℃，則tsh≥28℃的城市的冷幅高僅為2℃，回旋余地非常小，冷卻水要保證出水溫度不升高是很困難的。而且，GB50019-2003規(guī)定的這一濕球溫度是每年不保證50h的濕球溫度，即每年有50h濕球溫度將高于上述的計(jì)算濕球溫度，在此期間，冷卻塔若要保證進(jìn)出水溫差不變，其出水溫度將會隨著濕球溫度的升高而升高，將會引起冷水機(jī)組運(yùn)行條件的惡化，導(dǎo)致冷凝溫度升高，制冷量下降，無法滿足通信機(jī)樓的制冷量要求，不能保證機(jī)房溫度在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)，甚至影響冷水機(jī)組的壽命。眾所周知，各地濕球溫度是客觀事實(shí)、無法以人的意志改變，因此，冷卻塔進(jìn)出水為37/32℃這一標(biāo)準(zhǔn)是有其現(xiàn)實(shí)意義的，也適合廣州地區(qū)。
為使冷水機(jī)組和冷卻塔匹配運(yùn)行，有兩種方法：方法一是按冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)出水溫度標(biāo)準(zhǔn)選用冷卻塔，方法二是按冷卻塔進(jìn)出水溫度標(biāo)準(zhǔn)選用冷水機(jī)組。
2.1 按照冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)出水溫度標(biāo)準(zhǔn)選用冷卻塔
若采用方法一，按冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)出水溫度標(biāo)準(zhǔn)選用冷卻塔，冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)水溫度為 30℃。廣州地區(qū)夏季濕球計(jì)算溫度為27.7℃，這樣，冷卻塔冷幅高僅為2.3℃（一般為4～5℃），冷卻塔必然處于變工況狀態(tài)下運(yùn)行，其處理能力大大下降。即使增加了冷卻塔的容量，也由于冷幅高過小，要維持冷卻水出水溫度不變也是很困難的。因此，在廣州地區(qū)，有的單位吸取他人的教訓(xùn)，為了確保冷水機(jī)組冷卻水溫度不至于大幅度上升而采取“雙塔”措施。當(dāng)按照冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)出水溫度30/35℃選用冷卻塔時，冷卻塔選型要放大47.4%至75.2%，表1為廣州地區(qū)常用冷卻塔品牌A的對比數(shù)據(jù)。
更進(jìn)一步分析， GB50019-2003規(guī)定的夏季濕球計(jì)算溫度是指“每年不保證50小時”，換言之，在高溫而迫切需要降溫的關(guān)鍵時刻，若一天中有4小時超過夏季濕球計(jì)算溫度，那就意味著每年累計(jì)有12天通信機(jī)房內(nèi)空調(diào)的現(xiàn)狀將超過預(yù)定的設(shè)計(jì)值（有的地方情況甚至更加惡化）。這種天氣情況下，冷卻塔若要保證進(jìn)出水溫差不變，其出水溫度將會隨著濕球溫度的升高而升高，將會引起冷水機(jī)組運(yùn)行條件的惡化，導(dǎo)致冷凝溫度升高，制冷量下降，無法滿足通信機(jī)樓的制冷量要求，不能保證機(jī)房溫度在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)，這對要求不間斷正常供冷的通信機(jī)樓是不允許的。
表1 廣州地區(qū)冷卻塔品牌A在不同冷卻水進(jìn)出水溫度下的選型對比
注：(1)所選為方形橫流塔，填料系數(shù)相同，各型號設(shè)計(jì)工況相同。
(2)冷卻塔型號對應(yīng)的冷卻水量為進(jìn)出水溫37/32℃、濕球溫度28℃下的處理量。
顯然，一味加大冷卻塔型號需要付出很大代價：初投資增加，日后維護(hù)費(fèi)用增加，安裝面積增加或因安裝面積不足而使工程無法實(shí)施。由于冷卻水溫度還受當(dāng)?shù)厥彝饪諝鉂袂驕囟鹊南拗?，有時即使采取“雙塔”措施也無法滿足冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)水溫度為30℃的要求。
2.2 按照冷卻塔進(jìn)出水溫度標(biāo)準(zhǔn)選用冷水機(jī)組
若采用方法二，按照冷卻塔進(jìn)出水溫度標(biāo)準(zhǔn)選擇冷水機(jī)組，當(dāng)冷負(fù)荷固定、冷卻水流量和進(jìn)出水溫度差維持不變時，冷卻水的出水溫度（32℃）高于冷水機(jī)組的標(biāo)況值（30℃），其后果是降低冷水機(jī)組的效率，制冷量達(dá)不到樣本標(biāo)注值，冷水機(jī)組處于變工況狀態(tài)下運(yùn)行。
下面來分析制冷量的變化。以工程中應(yīng)用大多的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)為例，如圖1，1-2-3-4-1為飽和循環(huán)過程；實(shí)際循環(huán)為回?zé)嵫h(huán)1’-2’-3’-4’-1’（為簡便計(jì)算，假設(shè)蒸發(fā)器和冷凝器中的過程等壓，考慮一定的吸氣過熱度和絕熱節(jié)流）。其中1-1’過程過熱，兩狀態(tài)點(diǎn)壓力相同，記為p1=p1’；1’狀態(tài)點(diǎn)溫度t1’為過熱溫度；1’-2’為絕熱壓縮過程，等熵壓縮；2’-2-3-3’是制冷劑在冷凝器中等壓冷卻和凝結(jié)；3-3’為過冷；3-4和3’-4’分別是絕熱節(jié)流過程，記為h3=h4和h3’=h4’。
圖1 lgp-h圖上的飽和循環(huán)和回?zé)嵫h(huán)
由熱力計(jì)算得實(shí)際循環(huán)的單位質(zhì)量制冷量為：
q= h1’- h4 （式1）
而h3=h4
因此有q= h1’- h3 （式2）
不同制冷劑單位質(zhì)量制冷量有所不同。當(dāng)制冷劑為R22、R123、R134a、R407c和R410a時，制冷機(jī)空調(diào)工況為：蒸發(fā)溫度5℃，蒸氣過熱溫度15℃。當(dāng)制冷劑為R717時，制冷機(jī)空調(diào)工況為：蒸發(fā)溫度為5℃，蒸氣過熱溫度10℃。
查制冷劑飽和狀態(tài)下熱力性質(zhì)表（或壓焓圖），得冷凝溫度時飽和液體比焓h3；查制冷劑飽和狀態(tài)下熱力性質(zhì)表（或壓焓圖），得蒸發(fā)溫度時（如標(biāo)況5℃）飽和蒸汽壓力P1；由P1’=P1及t1’=蒸汽過熱溫度，查過熱蒸汽熱力性質(zhì)表（或壓焓圖）得h1’。
本文著重分析冷卻水進(jìn)水溫度不同引起的冷水機(jī)組制冷量變化，因此為簡化分析過程，假定蒸發(fā)溫度不變、蒸氣過熱溫度不變，分別為5℃和15℃（除R717蒸汽過熱溫度為10℃外）。制冷機(jī)冷凝溫度按如下方法確定：冷凝溫度比冷卻水進(jìn)出口平均溫度高5~7℃。當(dāng)冷卻水進(jìn)出水溫度為30/35℃時，其冷凝溫度為37.5~39.5℃；當(dāng)冷卻水進(jìn)出水溫為32/37℃時，其冷凝溫度為39.5~41.5℃。冷凝溫度升高，制冷量下降。比較冷凝溫度為37.5℃和41.5℃時的制冷量，就可以看出該兩個冷卻水進(jìn)水溫度時引起的制冷量變化值。表2至表7為各種常用制冷劑的計(jì)算結(jié)果。
表2 兩標(biāo)況冷卻水進(jìn)水溫度下的制冷量變化(制冷劑為R22)
注：查文獻(xiàn)6附錄2-2及附錄2-6。
表3 兩標(biāo)況冷卻水進(jìn)水溫度下的制冷量變化(制冷劑為R123)
注：查文獻(xiàn)6附錄2-3及附錄2-7。
表4 兩標(biāo)況冷卻水進(jìn)水溫度下的制冷量變化(制冷劑為R134a)
注：查文獻(xiàn)6附錄2-4及附錄2-8。
表5 兩標(biāo)況冷卻水進(jìn)水溫度下的制冷量變化(制冷劑為R407c)
注：查文獻(xiàn)8附圖5。
表6 兩標(biāo)況冷卻水進(jìn)水溫度下的制冷量變化(制冷劑為R410a)
注：查文獻(xiàn)8附圖6。
表7 兩標(biāo)況冷卻水進(jìn)水溫度下的制冷量變化(制冷劑為R717)
注：查文獻(xiàn)6附錄2-5及附錄2-9。
計(jì)算結(jié)果表明：按照冷卻塔標(biāo)準(zhǔn)選擇冷水機(jī)組，冷水機(jī)組處于變工況情況下運(yùn)行，其制冷量隨制冷劑不同減少1.72%~6.40%。
3 結(jié)論
從以上分析可知，對于廣州地區(qū)，若按冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)出水溫度標(biāo)準(zhǔn)選用冷卻塔，冷卻塔選型需放大47.4%至75.2%，并且冷卻水溫度還受當(dāng)?shù)貪袂驕囟鹊南拗疲瑖?yán)重時將導(dǎo)致冷卻塔無法正常工作，這對要求不間斷正常供冷的通信機(jī)樓是不允許的。若按冷卻塔進(jìn)出水溫度標(biāo)準(zhǔn)選用冷水機(jī)組，冷水機(jī)組處于變工況情況下運(yùn)行，其制冷量減少1.72%~6.40%。
顯然，按冷卻塔冷卻水進(jìn)出水溫度標(biāo)準(zhǔn)選用冷水機(jī)組較易實(shí)施，對于通信機(jī)樓供冷安全更有保障，可靠性高。具體選配設(shè)計(jì)方法是：當(dāng)制冷劑為R22時，按冷水機(jī)組的制冷能力比標(biāo)況值下降3.15%左右選配；當(dāng)制冷劑為R123時，按冷水機(jī)組的制冷能力比標(biāo)況值下降2.67%左右選配；當(dāng)制冷劑為R134a時，按冷水機(jī)組的制冷能力比標(biāo)況值下降3.80%左右選配；當(dāng)制冷劑為R407c時，按冷水機(jī)組的制冷能力比標(biāo)況值下降4.88%左右選配；當(dāng)制冷劑為R410a時，按冷水機(jī)組的制冷能力比標(biāo)況值下降6.40%左右選配；當(dāng)制冷劑為R717時，按冷水機(jī)組的制冷能力比標(biāo)況值下降1.72%左右選配。由于通信機(jī)樓要求不間斷正常供冷的特殊性，因此冷水機(jī)組的選擇應(yīng)以保證供冷安全為前提，在此基礎(chǔ)上還應(yīng)選擇部分負(fù)荷性能系數(shù)高的冷水機(jī)組，以降低能耗。
注：
GB/T18430.1—2001.蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組 第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水（熱泵）機(jī)組
GB/T18430.1—2007.蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組 第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水（熱泵）機(jī)組
GB/T 7190.1—2008.玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔 第1部分：中小型玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔
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