關于冷卻塔節能技術的探討

李蘭花

（阿自倍爾自控工程(上海)有限公司，上海 200233）

關于冷卻塔節能技術的探討

李蘭花

（阿自倍爾自控工程(上海)有限公司，上海 200233）

探討了冷卻塔的節能技術，通過分析冷卻塔的基本要素對冷卻能力的影響，闡述了冷卻塔的節能途徑，探討了冷卻水泵變頻控制的節能途徑，并結合工程實例，闡明了冷卻水泵的變頻控制可帶來明顯的節能效果。

冷卻塔；節能；冷卻塔的基本要素；節能途徑；冷卻水泵；變頻

0 引言

隨著社會的不斷進步與科學技術的不斷發展，人們越來越關心賴以生存的地球，世界上大多數國家也充分認識到了環境對人類發展的重要性。最為重要也是最為緊迫的問題就是能源問題，要從根本上解決能源問題，除了尋找新的能源，節能是關鍵的也是目前最直接有效的重要措施。

冷卻塔是相對比較簡單的裝置，對于空調用戶而言，冷卻塔的功耗在整個空調系統的能耗中占有一定的比例，而且由于其使用頻率高，累計能耗是十分可觀的。從節約能源的角度講，應當對空調系統中冷卻塔的耗能給予重視，系統節能應整體考慮。要認識到冷卻塔是利用 “大氣”這個自然能源的設備，所以使用冷卻塔本身實際上就是節能，但是為了適應越來越高的節能要求，應該分析冷卻塔的基本要素，從運行過程中節約水泵、風機等能耗的觀點出發，找出冷卻塔節能的各種實施方法。

1 冷卻塔的基本要素

冷卻塔是熱交換器的一種，冷卻塔是使冷凍機的冷凝器中溫度上升后的冷卻水與大氣接觸，同時使其一部分蒸發，并通過汽化熱使冷卻水的溫度下降的裝置。

為了使冷卻水高效率地冷卻，冷卻塔采用了各種各樣的措施。如設置送風機，強制性地向冷卻塔內輸送大氣；將合成樹脂做成蜂窩狀結構的填充材料，使空氣和水盡可能長時間地接觸等。冷卻塔的設計是通常根據外氣(濕球)溫度、冷卻水入口溫度、冷卻水出口溫度、循環水量，確定冷卻塔的規模和送風裝置的規格。

1）外氣(濕球)溫度

冷卻塔中得到的冷卻水溫度隨室外空氣的濕球溫度的變化而變化。外氣溫度越低，得到的冷卻水的溫度越低。但是我們必須注意的是冷卻水溫度太低的話，冷凝溫度過低，制冷機組的冷凝壓力會大幅降低，將導致制冷機組運行容易出現故障，甚至無法啟動。所以對于制冷機冷凝器冷凝壓力有一個低限值，冷凝溫度也有一個低溫限制。

2）入口溫度

當循環水量一定，外氣濕球溫度一定時，隨著冷卻塔入口溫度的增加，入口水溫及空氣濕球溫度之差都將增加，促進了冷卻，因此冷卻能力會增加。

3）出口溫度

對于制冷機組而言，冷卻塔的出口溫度是極為重要的參數，為了確保冷卻塔出口溫度，可進行旁通閥的比例控制。一般情況下，冷卻塔采用以下設計：當外氣濕球溫度為27°C、入口溫度為37°C時，冷卻水的溫度可以達到32°C。因此，外氣溫度一旦降低，就能得到更底溫度的冷卻水。雖然因冷凍機的機型和負荷情況的不同而有所變化，但當冷卻水的溫度25°C以上時，冷凍機一般仍然可以正常工作。所以，為了提高冷凍機的性能系數，在設定冷卻水溫度時，最好將其設置為25°C，而不是32°C。由于冷卻水溫度越低，冷凍機的運轉效率較高，因此冷卻水溫度控制的設定值不是設計值而應盡量低，但是，因冷凍機種類的不同，冷卻水溫度的下限值也可能不同，因此要注意。

（4）循環水量

當冷卻水入口水溫，空氣濕球溫度一定時，循環水量增加，冷卻塔的總容積傳熱系數也會增加。雖然冷卻水溫降有所減少，但總的效果還會使冷卻能力增加。但是過量增加水量，會引起流入空氣的抵抗增加而減少通過風量，所以反而會造成性能低下的結果。

2 冷卻塔的節能途徑

由上所述冷卻塔的規模、送風裝置的規格由外氣濕球溫度，入口水溫，出口溫度及循環水量所決定。因此，如果在運行過程中，上訴基本要素發生變化時，采用適當的措施，能做到使冷卻塔的冷卻能力與冷卻負荷相匹配，從而實現節約能耗。

1）冷卻塔風機的啟?？刂?/p>

根據冷卻塔出口溫度控制風機的啟停，溫度高于設定值時時停止風機運轉，達到防止水溫過低及節能的目的。為防止頻繁開、關風機，啟動溫度設有 5°C以上的工作間隙。

2）風機的變頻控制

根據冷卻塔出口溫度和外氣濕球溫度差或者只用或者只用出口溫度，進行風機的變頻控制，從而能實現節能的目的，同時也可減少風機的啟停次數，延長風機的使用壽命。

3）風機臺數控制

當系統有幾臺冷卻塔或者每臺冷卻塔有幾臺風機時，根據冷凍機負荷流量或則冷卻塔出口溫度，進行風機的臺數控制，從而節省冷卻塔風機的能耗。

4）冷卻水泵可變流量控制

由于水泵的流量與轉速成正比，水泵的輸入功率與轉速成立方比，因此水泵變頻調速是實現水泵節能運行的重要手段。但是空調冷卻水系統與冷凍水系統比較，水力特性不同，水泵變頻工作時，工作效率將發生變化。與冷凍水泵變頻相比，冷卻水泵變頻問題研究較少，爭議也比較多。所以下邊側重于討論冷卻水泵的變頻控制[1]。

3 冷卻水泵的變頻控制

一直以來，冷凍水泵的變頻節能問題備受關注，研究頗多，結論也趨于統一，一般認為冷凍水泵變頻是一種值得推廣的節能措施。相對而言，冷卻水泵變頻問題研究較少，爭議也比較多。

為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動的要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。近年，推進冷凍機的高效率化，低負荷時可減少冷卻水流量。因此冷卻水搬送動力的減少對冷卻塔能力的提高能起到一定效果。這時的控制需要對應外氣濕球溫度的冷卻水流量和冷卻塔入口溫度，進行冷卻水泵的變頻控制，冷卻水流量的可變范圍為60%～100%。

由于涉及到冷凍機的運行、管道特性特點及冷卻塔的工作狀況，給冷卻水泵變頻控制增加了一些不確定因素。鑒于此，本文通過冷卻水泵變頻控制的能耗分析，評價其節能效果。

由流體學知識可知[2]，水泵的流量與轉速成正比，水泵的輸入功率與轉速成立方比關系，如下：

式中，Q1、Q2為水泵額定工況和實際工況下流量(L/ min)；N1、N2為水泵額定工況和實際工況下的功率(kw)；n1、n2為水泵額定工況和實際工況下的轉速(r/min)。

當改變流量時，消耗的功率按三次方的比例變化，所以減少流量時，所消耗的能耗按三次方的比例減少，因此減少流量具有非常明顯的節能效果。舉例說，水泵轉速降低30%，電耗可減少65.7%。

但是，冷卻水的管道特性不同于冷凍水系統，該系統為全閉式，管道特性曲線通過原點，水泵的揚程用于克服系統內的總阻力。而在冷卻水系統中，冷卻塔撒水點與冷卻塔內水面之間存在有高度差，此高度差是定值，不會隨水泵流量的減少而減小。

冷卻水系統與冷凍水系統的管道特性方程如下：

式中：H1、H2為冷卻水和冷凍水系統的阻力(m)；Q1、Q2為冷卻水和冷凍水的流量(m3/h)；K1、K2為冷卻水和冷凍水系統的管道特性系數；Δh為冷卻塔撒水點與冷卻塔內水面之間的高差(m)。

以某工程冷卻水泵性能為例，設Q1=Q2=500m3/h，H=30m，η=90%，K1=0.000108，K2=0.00012，Δh=3m，N=45kw。

表 1為冷卻水泵與冷凍水泵（水力特性）能耗比較?？煽闯觯鋮s水泵和冷凍水泵變頻控制，在同樣條件下，由于管道特性不同，冷卻水泵的能耗和冷凍水泵的能耗有所不同，其隨流量降低，差值增大。當流量達到 60%時，冷凍水泵能耗比冷卻水泵能耗約減少17.76%，不過此時的基本能耗相對較少。

表1 冷卻水泵與冷凍水泵(水力特性)能耗比較

由于冷卻塔的管道特性不同于冷凍水泵的管道特性，冷卻水泵的變頻控制與冷凍水泵的變頻控制比較，節能效果有所減少，但仍具有顯著的節能效果。

4 結語

冷卻塔的規模由幾個基本要素決定，分析這幾個基本要素會發現冷卻塔的分析途徑，其中冷卻水泵的變頻控制在技術上和經濟上都是合理的，并從工程實例中看出，冷卻水泵的變頻控制節能效果顯著。

[1] 郅玉聲. 提高冷卻塔冷卻效率的工藝研究[J]. 化工給排水設計, 1995(1): 5-7

[2] 蔡增基, 龍天渝. 流體力學泵與風機[M]. 北京:建筑工業出版社,1999.

Discussion on Energy Saving Technology of Cooling Tower

LI Lan-hua
(Azbil Control Solutions (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

This paper discusses the cooling tower of energy saving technology. By the analysis of basic elements of cooling capacity of cooling tower, the cooling tower of energy-saving way is expounded. The energy saving of frequency conversion control of cooling water pump is discussed. Combined with engineering example, the cooling water pump frequency conversion control which can bring obvious energy saving effect is illuminated.

cooling tower; energy saving; basic elements of cooling tower; energy-saving way; cooling water pump; frequency conversion

TP212

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.011

李蘭花，女，碩士，工程師。研究方向：控制理論與控制工程。