高層建筑冷卻塔選型校核及氣流組織模擬

王俊杰

上海國瑞環保科技股份有限公司

引言

冷卻塔作為中央空調系統中的一個重要的大型設備，直接影響空調系統制冷效果和效率[1]。而冷卻塔布置的位置是冷卻塔運行性能的重要因素之一[2]。考慮到建筑物外立面的美觀及受到場地的限制，冷卻塔通常被布置在裙房、主樓屋頂等[3]。當冷卻塔布置在屋面時，因屋面空間大小和形狀的不同，冷卻塔散熱時的氣流可能會受到周圍墻體，擦窗機軌道、梁、柱等影響。環境風的大小與方向也是影響冷卻塔散熱效果的影響因素之一。由于冷卻塔所處環境的復雜性，完全依靠工程經驗進行分析并不完全。相比于現場、模型實驗測量，運用CFD技術進行數值模擬分析，具有費用低、分析數據全面、所需時間短等優點[4]。

考慮到本項目節能改造工作已經完成，項目在投入運行后發現冷卻塔散熱效率不高，設備供應方和甲方工程部均懷疑冷卻塔的選型和布置位置存在問題。本文依托CFD模擬軟件進行深入研究，對計算、選型、布置等問題逐一進行討論。

1 概況

1.1 工程簡介

本項目為雙塔辦公樓，總建筑面積15．09萬㎡，地上28層，地下2層，總建筑高度99．75m。2004年建成。設備投入使用12年，2016年底進行節能改造，2017年的中期完工，新購冷卻塔投入使用。

1.2 氣象條件

該建筑坐落于上海江蘇路地鐵站附近，夏季屋面以東南偏南風為主，風力平緩。

1.3 改造方案

改造前，本項目冷凍機房原有4臺1000RT的離心機和1臺500RT的離心機，設計制冷量4500RT。實際使用中，夏季極端天氣最多開啟2臺1000RT的離心機和1臺500RT的離心機，實際制冷量為2500RT。改造前兩座塔樓東樓屋面布置10臺冷卻塔，西樓屋面布置8臺冷卻塔，共計18臺逆流式冷卻塔。現將東西兩樓屋面的冷卻塔進行拆除，并根據實際運行制冷量重新進行選型計算，并將最終選購的冷卻塔放置在東樓屋面的原冷卻塔基礎之上。

1.4 問題描述

在日常運行中，夏季極端天氣室外干球溫度35℃，室外濕球溫度27．5℃，開啟2臺1000RT的離心機和1臺500RT的離心機，冷卻塔風機全部工頻運行，冷卻塔進水溫度39℃，出水溫度36℃，冷凍機的冷凝器溫度高達40℃，冷凝器壓力較高。而正常運行時，冷凝器溫度宜控制在38℃以下。產生此現象的的原因分析如下：（1）冷卻塔水量不足；（2）冷卻塔風機電流偏小；（3）冷卻塔局部排風口被梁和擦窗機軌道遮擋，散熱效率下降；（4）冷卻塔距離核心筒較近，可能存在熱濕空氣回流現象。

1.5 解決方法

對于問題描述中所涉及可能產生的原因采用以下解決方法：

(1)對冷卻塔選型進行校核計算。

(2)由冷卻塔供應商維修人員重新調整風扇皮帶松緊度，提高風機電流。

(3)建立CFD數學模型，對整個空間的溫度場和氣流場進行數值模擬。

2 選型計算與數值模擬

2.1 冷卻塔選型計算

計算公式：

其中，W1為冷凍機總制冷量，kW；W2為壓縮機總耗電量，kW；Q為水流量，m3/h；Δt為溫度差，取5℃。本項目中，2臺1000RT離心式冷水機組，單臺功率716kW；1臺500RT離心式冷水機組，功率379kW。

代入計算公式：

（1000+1000+500）×3．517+（716+716+379）=1．163×Q×5

計算得出：Q=1824 m3/h。根據《實用供熱空調設計手冊》規定：選用冷卻塔時，冷卻水量應考慮1．1～1．2安全系數[5]。本項目考慮1．4安全系數，Q＇=1．4 ×Q=2554 m3/h。根據某廠家樣本，最終選擇雙模塊8臺逆流式冷卻塔，單模塊循環流量為1280 m3/h，功率11×4 kW。從計算過程可以判定，選型結果合理。

原有冷卻水泵6臺，與5臺冷水機組一一對應，1臺備用。4臺大水泵流量為720 m3/h，1臺小水泵流量為400 m3/h，1臺備用泵為所有水泵備用，流量為720 m3/h。節能改造中，每臺冷卻塔進水口均安裝電動閥，冷卻塔風機、冷卻水泵加裝變頻器。

2.2 CFD模型及計算

2.2.1冷卻塔布置及相鄰障礙物

冷卻塔毗鄰障礙物時，受夏季主導風向的影響較大。若主導風向下風側有障礙物時，逆流式冷卻塔排出的熱濕空氣隨主導風向飄移，若在飄移過程中被障礙物阻擋，可能存在熱濕空氣回流至冷卻塔進風側。考慮到上述因素，在冷卻塔布置時盡可能安排在障礙物的下風側，當無法避免時，應控制冷卻塔與障礙物距離。當障礙物的高度超出冷卻塔頂部的距離為h（m）時，一般要求a≮h，當h＞15m時，a不再增加[6]。冷卻塔及相鄰障礙物合理布置簡圖如圖1所示：

圖1 相鄰障礙物及冷卻塔合理布置簡圖

圖2 冷卻塔安裝及相鄰障礙物示意圖

本項目中a=3m，h=2．5m，夏季運行時，冷卻塔位于下風側，并不存在圖1中的問題。由于夏季極端天氣較為悶熱，僅憑主觀判斷是否存在熱濕空氣回流現象并不十分可靠。為了闡述氣流組織的運動狀態，通過模型搭建及計算分析進一步加以佐證。本項目中，冷卻塔及相鄰障礙物安裝如圖2所示：

2.2.2選用公式

暖通空調領域的流體流動問題遵循質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程[7]。空間高度大于5m、體積大于10 000m3的建筑被稱為大空間建筑[8]。以往的研究表明，RNG k-ε模型能夠準確地預測高大空間工廠內的氣流場和溫度場[9]。本文采用CFD軟件Airpak 3．0．16自帶的RNG k-ε方程進行模擬計算。

2.2.3邊界條件

為簡化模型，同時模擬夏季極端天氣運行工況，采用以下假設：

(1)忽略太陽輻射、地面反射、壁面之間的換熱[10]。

(2)所有墻體、梁、柱、樓板絕熱平坦。

(3)省去模型中不影響計算結果的冷卻塔基礎、管道、支架、少許立柱。

(4)夏季室外干球溫度取實際氣象干球溫度35℃，相對濕度取69%RH[11]。

(5)屋面風速為東南偏南風，風速取2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s，風力夾角東南與正南方向取30°計算。

(6)根據冷卻塔廠家提供的材料：單個風機排風量為2 200 m3/min，排風口直徑3m，計算得排風口風速為5．19m/s。

(7)冷卻塔穩態持續放熱，散熱效率不受周圍環境因素的變化而改變，根據2．1中計算公式，考慮到冷水機組已使用12年，制冷效率按每年1%衰減，實際效率為88%，計算得雙模塊8臺冷卻塔總散熱量為：

W=（1000+1000+500）×3．517×88%+

（716+716+379）=9548．4 kW

“冷卻塔選型計算”得出單模塊4臺放熱量10 604 kW。

單模塊4臺冷卻塔散熱量為：W1+W2=W/2=4774．2 kW

(8)空氣密度按理想氣體處理，同時考慮重力對氣流的影響。

2.2.4屋面模型

屋面模型中主要由雙模塊8臺冷卻塔、樓板、梁、立柱、擦窗機軌道、核心筒外墻和女兒墻組成。整個模型尺寸為36．8m×54．6m×9．7m（長×寬×高），約19490m3。夏季室外風速以東南偏南風為主，雙模塊冷卻塔放置在核心筒外墻與外立柱之間，并排布置。具體模型見圖3：

圖3 屋面整體計算模型

2.2.5網格劃分及邊界條件

考慮到大空間內氣流組織的復雜性，本文采用混合網絡對計算區域進行離散，對冷卻塔的進風口、排風口進行網絡加密。松弛因子設定：壓力松弛因子取0．3，動量松弛因子取0．7，溫度和黏度松弛因子取1．0，質量力松弛因子取0．1，湍流動能和湍流耗散率松弛因子取0．5，迭代計算1000次，模型收斂情況較好。

3 模擬結果與分析

3.1 進風口與排風口溫度場分析

圖4和圖5是當室外東南偏南風風速為4m/s時冷卻塔進風口與排風口的溫度分布圖。從模擬結果來看，環境風速的變化，對冷卻塔進風口與排風口溫度梯度的變化影響不大。梁、擦窗機軌道等位于高處的建筑遮擋物并未對冷卻塔散熱造成影響。冷卻塔進風口溫度為室外干球溫度，排風口溫度最高，沒有出現熱濕空氣回流現象。

圖4 冷卻塔進風口與排風口溫度場分布圖（x=7．67m平面）

圖5 冷卻塔進風口與排風口溫度場分布圖（z=21．92m平面）

3.2 進風口與排風口速度場分析

圖6、圖7為室外東南偏南風的風速為4m/s時，冷卻塔進風口與排風口的速度分布圖。從模擬結果來看，環境風速的變化，對冷卻塔進風口與排風口速度矢量的變化影響不大。梁、擦窗機軌道等位于高處的建筑遮擋物并未改變冷卻塔排風口氣流走向。冷卻塔進風口吸取周圍環境的低溫空氣，排風口向上排出熱濕氣流，沒有出現氣流短路現象。模擬結果與現場觀測基本一致。

圖6 冷卻塔進風口與排風口速度場分布圖（x=7．67m平面）

圖7 冷卻塔進風口與排風口速度場分布圖（z=21．92m平面）

4 結論

(1)冷卻塔計算選型合理，滿足設計要求。

(2)夏季環境風速的變化，對冷卻塔散熱時的氣流組織影響較小。

(3)冷卻塔四周的墻體，擦窗機軌道、梁、柱、以及冷卻塔與核心筒的間距對冷卻塔散熱影響較小。

(4)CFD模擬和現場觀測均表明冷卻塔布置合理，氣流通道順暢，未出現熱濕空氣回流現象。

(5)進一步判斷冷卻塔散熱效果不佳可能與塔內填料、水泵流量、風機功率、環境濕球溫度、冰機冷凝器污垢熱阻等因素有關。

5 展望

由于篇幅原因，本文從選型計算和氣流組織模擬兩方面分析了某項目冷卻塔在夏季極端天氣的散熱情況，并未討論可能會影響冷卻塔散熱效率的其他方面因素。實際運行過程中，環境濕球溫度、塔內填料、水泵流量等都是造成冷卻塔散熱效率低下的關鍵因素。今后將持續關注本項目冷卻塔的運行數據，對文中沒有討論的其他重要影響因素進行跟蹤分析。

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俄建造世界首個“漂浮核電站”

日前，由俄羅斯研制的“羅蒙諾索夫院士”號浮動核電站離開圣彼得堡造船廠船塢，進入海上安裝調試。在裝載核燃料后，“羅蒙諾索夫院士”號將于2019年夏天前往北極港口佩韋克，并交付使用。該核電站配備兩套改進的KLT-40S反應堆，可提供高達70MW的電力或300MW的熱量。該核電站安裝在船舶平臺上，既可為偏遠島嶼供應安全、有效的能源，也可為遠洋作業的海上石油、天然氣開采平臺提供電力、熱力和淡水資源。

（RIA Novosti）