散熱降噪耦合對區(qū)域供冷系統(tǒng)冷卻塔選型的影響

深圳市前海能源科技發(fā)展有限公司 馬建波 王朝暉 曠金國 胡 勣

0 引言

近年來，區(qū)域集中供冷系統(tǒng)在國內(nèi)快速發(fā)展[1-2]。區(qū)別于單棟建筑自建制冷機房的獨立供冷系統(tǒng)，區(qū)域供冷系統(tǒng)將多棟建筑的制冷冷源集中建設(shè)，形成集中制冷站，并通過冷水管道將冷水輸送到各建筑物。區(qū)域供冷系統(tǒng)的優(yōu)勢是規(guī)模化與設(shè)備共享，以深圳前海2號集中制冷站(以下簡稱前海2號制冷站)為例，其供冷建筑面積為213萬m2，采用1套制冷系統(tǒng)，分兩期建設(shè)，如果按照1棟建筑物建筑面積10萬m2計算，213萬m2建筑面積需要建設(shè)21個獨立的制冷機房，需要21個屋頂布置冷卻塔，在高容積率建筑群，不到100 m間隔就可能存在1個布置有冷卻塔的屋頂，而采用區(qū)域供冷系統(tǒng)，只需要在1個屋頂集中布置冷卻塔即可，節(jié)省了大量城市建筑屋頂空間，為建筑方案設(shè)計提供了更多自由度。冷卻塔集中布置的優(yōu)點還包括：可以在規(guī)劃層面將制冷站選址在空氣流動暢通的地方，有利于冷卻塔散熱，減少熱島效應(yīng)；可以集中處理冷卻塔噪聲，整體解決對環(huán)境不利的因素。區(qū)域供冷是一種政府、園區(qū)、用戶多方受益的方案。

近年來，冷卻塔噪聲對周圍環(huán)境的影響已越來越引起人們的重視，控制和治理冷卻塔噪聲污染、妥善處理冷卻塔噪聲對周圍環(huán)境的影響越來越受到關(guān)注。區(qū)域供冷系統(tǒng)的冷卻塔集中布置，降噪一般采用單塔降噪與冷卻塔區(qū)域集中降噪2種技術(shù)路線。單塔降噪指在每臺冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口安裝消聲器，集中降噪指在冷卻塔布置區(qū)域的周邊與頂部安裝消聲器。

增加降噪設(shè)備后，冷卻塔的散熱性能會受到影響，形成冷卻塔散熱與降噪的耦合。文獻(xiàn)[3-16]分別對冷卻塔的熱工性能、降噪等進(jìn)行了研究，但是對于冷卻塔散熱與降噪耦合的分析比較少見。本文以前海2號制冷站單塔降噪方案為例，對應(yīng)對冷卻塔散熱降噪耦合問題的設(shè)備選型與實際運行情況進(jìn)行分析研究。

1 冷卻塔的降噪設(shè)計

1.1 冷卻塔的噪聲來源與源頭降噪

冷卻塔噪聲由以下幾部分組成：風(fēng)機噪聲、淋水噪聲、機械噪聲和電動機噪聲[11]。通常來說風(fēng)機噪聲和淋水噪聲是冷卻塔噪聲的主要組成部分，是降噪的主要對象。

機械通風(fēng)的冷卻塔一般采用軸流風(fēng)機，其噪聲主要為空氣動力噪聲，排氣口噪聲主要為低頻噪聲。風(fēng)機噪聲的聲功率與風(fēng)機葉片葉梢的圓周速度的6次冪成正比。一般來說，風(fēng)機進(jìn)風(fēng)量與風(fēng)機轉(zhuǎn)速成正比，對于特定的風(fēng)機，風(fēng)機噪聲的聲功率可以近似認(rèn)為與進(jìn)風(fēng)量呈6次冪關(guān)系。對于同樣的風(fēng)機葉片，降低設(shè)計進(jìn)風(fēng)量，可以降低風(fēng)機工頻轉(zhuǎn)速，從而降低風(fēng)機源頭噪聲，降低消聲器的降噪要求，也就可以縮小消聲器尺寸。

風(fēng)機設(shè)計進(jìn)風(fēng)量是冷卻塔散熱的一個重要參數(shù)。風(fēng)機設(shè)計進(jìn)風(fēng)量與風(fēng)機源頭噪聲、降噪等之間的關(guān)系是冷卻塔降噪與散熱存在耦合的重要表現(xiàn)。

在相同運行條件下，橫流式冷卻塔比逆流式冷卻塔噪聲更低，橫流式冷卻塔的淋水填料直接與冷水盤接觸，水沿填料均勻流到冷水盤，避免了逆流式冷卻塔水直接沖淋到冷水盤上帶來的較大噪聲。

前海2號制冷站采用了低轉(zhuǎn)速、大葉片的超低噪聲風(fēng)機，源頭噪聲比同等處理水量冷卻塔Ⅰ級A聲級噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)降低8 dB以上。采用橫流冷卻塔，基本避免了淋水噪聲的影響。前海2號制冷站風(fēng)機采用皮帶傳動以降低機械噪聲，采用低噪聲電動機以降低電動機噪聲。

1.2 傳播降噪設(shè)計及其對空氣阻力的影響

GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》要求冷卻塔用戶對冷卻塔產(chǎn)生的噪聲污染進(jìn)行治理。前海2號制冷站的區(qū)域聲環(huán)境控制指標(biāo)為2類標(biāo)準(zhǔn)，要求A聲級噪聲白天不超過60 dB，夜間不超過50 dB，冷卻塔運行期間，廠界和敏感點均需滿足要求。

傳播噪聲采用消聲器進(jìn)行降噪，在進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口設(shè)置消聲器。

管式阻性消聲器消聲量一般可用下式計算：

式中ΔL為消聲量，dB；?(α0)為消聲系數(shù)，其中α0為材料正入射吸聲系數(shù)；P為消聲器流通截面周長，m；S為消聲器流通有效截面積，m2；l為消聲器有效長度，m。

?(α0)可表示為

以前海2號制冷站為例，西向第7個測點處受眾多進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口影響，噪聲較大，根據(jù)冷卻塔裸塔各頻帶聲壓級及達(dá)到A聲級噪聲50dB標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的聲壓級，得到各頻帶的需要消聲量，見表1，以此進(jìn)行消聲片參數(shù)選型。

表1 前海2號制冷站冷卻塔西向第7個測點處聲壓級與消聲量

消聲器安裝在冷卻塔上，需要綜合考慮消聲性能和空氣動力性能。消聲器的空氣動力性能通常用壓力損失Δp表示，其值為通道沿程壓力損失和結(jié)構(gòu)件的局部壓力損失之和：

式中 ξ為阻力系數(shù)，與消聲器的形狀、結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括局部阻力與沿程阻力；ρ為氣流密度，kg/m3；v為通道中氣流平均速度，m/s。

通道中氣流速度可以表示為

式中 G為進(jìn)風(fēng)量，kg/s；n為消聲片數(shù)量，片；h為消聲導(dǎo)流片的間距，m；D為消聲片寬度，m。

由式(1)可知，增加消聲器的長度l可以提高消聲量，但由式(3)可知，消聲器長度l增加將增大冷卻塔壓力損失，影響空氣動力性能，且消聲器長度選擇還要考慮現(xiàn)場安裝尺寸。因此，消聲器選型應(yīng)兼顧消聲效果、現(xiàn)場條件和空氣動力性能。

結(jié)合式(3)與式(4)可知，消聲器的空氣壓降與消聲片間距、消聲片長度等有關(guān)。式(1)、(3)、(4)從另一個角度體現(xiàn)了冷卻塔散熱與降噪的耦合關(guān)系。

前海2號制冷站冷卻塔進(jìn)風(fēng)口安裝的1#型消聲器及冷卻塔排風(fēng)口安裝的2#型消聲器的空氣動力性能見表2。

表2 通風(fēng)消聲器空氣動力性能

2 冷卻塔的熱工設(shè)計

制冷系統(tǒng)的冷卻塔選型一般是由設(shè)備采購方提出冷卻水流量、冷卻水進(jìn)塔溫度、冷卻水出塔溫度、設(shè)計濕球溫度等參數(shù)要求，設(shè)備供應(yīng)商相應(yīng)確定冷卻塔填料體積、進(jìn)風(fēng)量、風(fēng)機功率等參數(shù)。考慮降噪后，設(shè)備采購方還會提出噪聲要求，設(shè)備供應(yīng)方相應(yīng)設(shè)計消聲器的參數(shù)，同時修正原有填料體積、進(jìn)風(fēng)量、風(fēng)機功率等。

對于區(qū)域供冷系統(tǒng)，設(shè)計工況下冷卻水出塔溫度與濕球溫度的逼近度一般設(shè)為4 ℃。

2.1 散熱量(冷卻水量)與風(fēng)量、填料體積的關(guān)系

冷卻塔工程常用的Merkel方程式為[3]

式中 K為總傳熱傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m2·s)；a為填料比表面積，m2/m3；V為填料體積，m3；L為冷卻水質(zhì)量流量，kg/s；cpw為水的比定壓熱容，kJ/(kg·℃)；tcw為冷卻水出塔溫度，℃；thw為冷卻水進(jìn)塔溫度，℃；t為冷卻水溫度，℃；hw為濕球溫度下飽和濕空氣比焓，kJ/kg；ha為空氣的比焓，kJ/kg。

在利用式(5)設(shè)計或校核冷卻塔時，通常還要給出冷卻塔逼近度，本文設(shè)定為4 ℃。

冷卻塔特性為水氣質(zhì)量流量比的函數(shù)，通常可以表示為[3]

式中 G為空氣質(zhì)量流量，kg/s；q與m分別為經(jīng)驗公式系數(shù)和指數(shù)。

式(6)也可以用圖1表示，從圖1可以看出，隨著水氣質(zhì)量流量比L/G的增大，冷卻塔的冷卻能力下降。也就是說，在固定冷卻水質(zhì)量流量的條件下，冷卻能力隨著空氣質(zhì)量流量的減小而降低，再次體現(xiàn)了冷卻塔降噪與散熱的耦合關(guān)系。

注：V0為原始填料體積；V′為變化后的填料體積；ΔV為填料體積變化量。圖1 冷卻塔冷卻特性曲線

圖1還顯示了冷卻塔填料體積增大后冷卻能力的變化。假設(shè)冷卻塔傳熱傳質(zhì)系數(shù)K與填料比表面積a不變，圖中2條曲線分別為2種不同填料體積的冷卻塔的特性曲線，在填料體積增大后，冷卻塔的冷卻特性從A點變化到B點。對于一定的制冷系統(tǒng)，散熱量一定，如果冷卻水的質(zhì)量流量不變,也即保持冷卻特性不變，冷卻塔工作點可以從A點平移到C點，說明填料體積增大后，在降低空氣質(zhì)量流量的情況下，能保證同樣的散熱量。

降低空氣流量，風(fēng)機噪聲減小，消聲器的長度也減小，根據(jù)式(3)，空氣流速減小還帶來消聲器空氣阻力的減小，從而風(fēng)機功率也降低。

增加填料會增加冷卻塔造價，但同時會降低消聲器造價，以及減少風(fēng)機運行功耗，所以需要對冷卻塔+降噪設(shè)備選型進(jìn)行優(yōu)化，平衡兩者的性能與造價。這是冷卻塔散熱與降噪耦合效應(yīng)對冷卻塔選型提出的問題。

2.2 風(fēng)量與風(fēng)路系統(tǒng)阻力曲線的關(guān)系

在確定冷卻塔需要的空氣流量后，需要根據(jù)空氣流量進(jìn)行風(fēng)機選型，選型時主要考慮壓力與功率等參數(shù)。圖2顯示了冷卻塔風(fēng)機特性曲線與冷卻塔風(fēng)路系統(tǒng)阻力曲線與風(fēng)量的關(guān)系。

圖2 冷卻塔風(fēng)機特性曲線與冷卻塔風(fēng)路系統(tǒng)阻力曲線與風(fēng)量的關(guān)系

圖2中的系統(tǒng)曲線1為冷卻塔裸塔的風(fēng)路空氣阻力曲線，根據(jù)式(3)與式(4)可知降噪裝置增加的空氣阻力，于是得到增加降噪裝置后的冷卻塔系統(tǒng)曲線2。

根據(jù)風(fēng)機特性曲線與系統(tǒng)阻力曲線的交點確定風(fēng)機的設(shè)計工作點(圖2中工作點1)。增加降噪設(shè)施后，冷卻塔通風(fēng)阻力增大，風(fēng)路阻力特性曲線上揚。在保證風(fēng)量一定的情況下，系統(tǒng)風(fēng)壓增大，需要重新對風(fēng)機選型，使風(fēng)機特性曲線2與系統(tǒng)曲線2相交于工作點3。工作點3即為增加降噪裝置后，既能保證冷卻塔散熱性能，又能達(dá)到降噪要求的工作點，此時風(fēng)量為G3,風(fēng)機壓力為p3。風(fēng)量G3等于工作點1時的風(fēng)量G1，風(fēng)機壓力p3與p1的差值Δp即為設(shè)備選型時要求的余壓。

在供冷系統(tǒng)實際建設(shè)過程中，存在冷卻塔與降噪設(shè)備同時采購與分別采購的選擇。如果同時采購，則可以選擇同一家集成商，有利于平衡2種設(shè)備的選型參數(shù)、性能與造價。兩者分別采購時，需要確定裸塔性能參數(shù)，即圖2中工作點2的參數(shù)。根據(jù)工作點2的風(fēng)機壓力與風(fēng)量選擇風(fēng)機型號。鑒于冷卻塔采購只提出冷卻水流量的要求，風(fēng)量由廠家來確定，需要將風(fēng)量轉(zhuǎn)換為裸塔的水流量。從圖2可以看出，增加降噪設(shè)備后的冷卻塔需要風(fēng)量為G1，裸塔運行時的實際風(fēng)量增大為G2。根據(jù)式(6)可知，在冷卻風(fēng)量增大情況下，裸塔冷卻能力增強。在保持水氣質(zhì)量流量比L/G不變的情況下，冷卻塔特性不變，但是總散熱量增大。設(shè)計時，可以按下式確定裸塔的冷卻水量：

式中 L2、L3分別為工況2與工況3的冷卻水量，kg/s。

由式(7)，可以根據(jù)裸塔的進(jìn)風(fēng)需求量G2準(zhǔn)確確定裸塔冷卻水量L2并作為選型依據(jù)。現(xiàn)有設(shè)計過程經(jīng)常選擇裸塔的冷卻水量為增加降噪設(shè)備后的冷卻塔流量的1.2倍，根據(jù)式(7)進(jìn)行冷卻塔選型比常規(guī)冷卻塔降噪設(shè)計選型可以提供更精確的選型參數(shù)。

設(shè)計過程中，往往還需對風(fēng)機余壓Δp作要求，即在風(fēng)量G3時，需要在裸塔工作點1的壓力基礎(chǔ)上增加余壓，這個余壓一般為降噪設(shè)備的壓損。從圖2可以看出，只要選型風(fēng)機在裸塔時能在工作點2工作，則不需要額外增加余壓就能滿足風(fēng)機在工作點3工作。這就為冷卻塔降噪設(shè)備選型與廠家已通過CTI(冷卻技術(shù)研究所)認(rèn)證等各種認(rèn)證的裸塔型號建立了聯(lián)系，也就是說冷卻塔降噪設(shè)備的參數(shù)可以用認(rèn)證過的裸塔參數(shù)進(jìn)行精確選型。

冷卻塔經(jīng)常采用CTI認(rèn)證、考核[17]，基于CTI認(rèn)證通常是對沒有降噪設(shè)備的裸塔進(jìn)行認(rèn)證，那么CTI考核也只能針對裸塔。工作點2為考慮降噪后的冷卻塔熱工性能考核點。

實踐表明，冷卻塔與降噪設(shè)備集成選型采購，有利于優(yōu)化熱工與降噪性能，也有利于廠家選擇最經(jīng)濟的組合。但是考慮到項目運行初期冷卻塔負(fù)荷不大，周邊噪聲要求也不高，可以對冷卻塔與降噪設(shè)備分別采購，先采購安裝冷卻塔，后期再采購安裝降噪設(shè)備，在對冷卻塔與降噪設(shè)備分別提出采購技術(shù)參數(shù)要求時，需要進(jìn)行詳細(xì)分析計算。

3 案例分析

前海2號制冷站總供冷建筑面積約213萬m2，總裝機容量約11萬kW，總蓄冰量約51萬kW·h，尖峰供冷能力約16萬kW，主要采用常規(guī)電制冷、冰蓄冷技術(shù)和冷卻塔冷卻技術(shù)。目前該制冷站一期已投入運行，配置5臺8 440 kW/臺雙工況主機，1臺4 220 kW基載單工況主機，其中每臺雙工況主機均配置3臺冷卻塔，機載主機配置2臺冷卻塔。

該制冷站冷卻塔散熱量大，散熱性能保障要求高，同時聲環(huán)境要求高，冷卻塔噪聲敏感目標(biāo)有2棟辦公樓和2棟公寓樓，一期冷卻塔安裝位置距兩側(cè)辦公樓最近的距離分別為18、25 m，距2棟公寓最近的距離分別為56、60 m。該項目與一般項目比，具有以下特殊性：冷卻塔集中布置、選型大、數(shù)量多；冷卻塔緊挨項目廠界，廠界條件苛刻，對達(dá)標(biāo)點而言，噪聲通過距離衰減的空間有限；夜間蓄冰滿負(fù)荷運行，執(zhí)行A聲級噪聲標(biāo)準(zhǔn)為50 dB。

由于2號制冷站周邊建筑對噪聲要求苛刻，且與2號制冷站同時投入使用，這就要求2號制冷站在運行初期就要滿足周邊噪聲的要求，因此采取了冷卻塔與降噪設(shè)備同時采購與安裝的方式。冷卻塔采購既要滿足噪聲要求，又要滿足冷水機組最不利工況的散熱需求。該區(qū)域聲環(huán)境指標(biāo)為2類區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)，要求A聲級噪聲白天不超過60 dB，夜間不超過50 dB，冷卻塔運行期間，廠界和敏感點均需滿足要求。

2號制冷站雙工況主機設(shè)計工況循環(huán)冷卻水量為1 735 m3/h，其中空調(diào)工況制冷量為8 440 kW，冷卻水供/回水溫度為32 ℃/37 ℃，對應(yīng)濕球溫度為28 ℃；制冰工況制冷量為6 556 kW，冷卻水供/回水溫度為30 ℃/34 ℃，對應(yīng)濕球溫度為27 ℃。

在冷卻塔招標(biāo)采購要求中，雙工況主機的裸塔冷卻水處理量要求為1 936 m3/h，是制冷機設(shè)計冷卻水處理量1 735 m3/h的1.1倍，同時還要求機外余壓30 Pa。需要說明的是，該項目冷卻塔設(shè)在通風(fēng)條件較好的地方，不存在周邊建筑物遮擋冷卻塔運行通風(fēng)的問題。這里提出的水處理放大倍數(shù)和機外余壓都是出于對降噪的考慮。水處理量為1.1倍，意味著圖1中從冷卻塔0的設(shè)計工作點A移動到冷卻塔1的設(shè)計工作點C，按照制冷機冷卻能力對應(yīng)的水處理量1 735 m3/h，則實際工作點移動到冷卻塔1的工作點B，冷卻能力滿足制冷機散熱需求，此時可以減少進(jìn)風(fēng)量，降低風(fēng)機功率。

該項目實際選用了橫流式超低噪聲冷卻塔，對于雙工況主機對應(yīng)的冷卻塔，空調(diào)工況和蓄冰工況處理水量分別為2 404、2 206 m3/h，分別為招標(biāo)冷卻水流量要求的1.25倍和1.15倍，相對于制冷機設(shè)計冷卻水流量，則分別為1.38倍和1.27倍。

選用冷卻塔的風(fēng)機對應(yīng)的裸塔風(fēng)量為426 000 m3/h，在該風(fēng)量下，降噪設(shè)備進(jìn)風(fēng)消聲器和排風(fēng)消聲器的壓損分別為7、15 Pa，合計22 Pa。在降低進(jìn)風(fēng)量10%后，機外余壓為61 Pa，大于30 Pa的招標(biāo)要求。同時，降低風(fēng)量10%后，降噪設(shè)備進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)消聲器的空氣速度減小10%，按照式(3)計算，消聲器的總壓降為17.8 Pa，小于設(shè)計要求的30 Pa余壓，說明61 Pa的機外余壓遠(yuǎn)大于實際需求。

由于所選冷卻塔冷卻水流量比制冷機散熱所需冷卻水量分別放大1.38倍和1.27倍，所以進(jìn)風(fēng)量也同時放大1.38倍和1.27倍，造成源頭聲功率放大，導(dǎo)致消聲片也過度設(shè)計。在實際運行過程中，可以降低風(fēng)機頻率到選型頻率的80%左右，從而不僅能降低進(jìn)風(fēng)量，還能滿足制冷機散熱需求，以及降低風(fēng)機功率，在這種運行工況下，由于源頭聲功率的減小，原有敏感點的噪聲會低于設(shè)計要求的50 dB，低于2類聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求。

同時由以上選型參數(shù)可以看出，水處理量超過1.1倍時，根據(jù)圖1，可以進(jìn)一步降低進(jìn)風(fēng)量，但是風(fēng)機余壓的過大選型，又導(dǎo)致過大的進(jìn)風(fēng)量，遠(yuǎn)超過散熱需求的進(jìn)風(fēng)量，存在超額放大的現(xiàn)象。冷卻塔填料、風(fēng)機、降噪設(shè)備均存在超額放大的情況，有較大優(yōu)化空間。從另一個角度講，目前高效機房都有放大冷卻塔選型的趨勢，需要結(jié)合系統(tǒng)能效、設(shè)備投資進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)制冷機水量需求，冷卻塔供應(yīng)商可以選配填料、降噪設(shè)備和風(fēng)機，不同組合會有不同的余壓、風(fēng)量、裸塔噪聲等參數(shù)。根據(jù)每個廠商具體情況，在滿足散熱與降噪要求下，優(yōu)化各自的配置與設(shè)備成本，提供最適合的塔型和降噪設(shè)備。

4 結(jié)語

冷卻塔設(shè)計選型過程中，需要綜合考慮冷卻塔散熱與降噪的耦合效應(yīng)，包括增加冷卻塔填料與減少降噪設(shè)備規(guī)模的平衡，冷卻塔裸塔與使用降噪設(shè)備冷卻塔之間風(fēng)量、風(fēng)壓選型的關(guān)系等。本文通過理論結(jié)合實踐，為散熱降噪耦合的冷卻塔選型提供了清晰的依據(jù)與方法，并結(jié)合前海區(qū)域供冷系統(tǒng)實踐，對冷卻塔選型與實際運行進(jìn)行了分析。