高層建筑冷卻塔選型校核及氣流組織模擬

王俊杰

上海國(guó)瑞環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?/p>

引言

冷卻塔作為中央空調(diào)系統(tǒng)中的一個(gè)重要的大型設(shè)備，直接影響空調(diào)系統(tǒng)制冷效果和效率[1]。而冷卻塔布置的位置是冷卻塔運(yùn)行性能的重要因素之一[2]?？紤]到建筑物外立面的美觀及受到場(chǎng)地的限制，冷卻塔通常被布置在裙房、主樓屋頂?shù)萚3]。當(dāng)冷卻塔布置在屋面時(shí)，因屋面空間大小和形狀的不同，冷卻塔散熱時(shí)的氣流可能會(huì)受到周圍墻體，擦窗機(jī)軌道、梁、柱等影響。環(huán)境風(fēng)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(huán)境的復(fù)雜性，完全依靠工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析并不完全。相比于現(xiàn)場(chǎng)、模型實(shí)驗(yàn)測(cè)量，運(yùn)用CFD技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，具有費(fèi)用低、分析數(shù)據(jù)全面、所需時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[4]。

考慮到本項(xiàng)目節(jié)能改造工作已經(jīng)完成，項(xiàng)目在投入運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)冷卻塔散熱效率不高，設(shè)備供應(yīng)方和甲方工程部均懷疑冷卻塔的選型和布置位置存在問(wèn)題。本文依托CFD模擬軟件進(jìn)行深入研究，對(duì)計(jì)算、選型、布置等問(wèn)題逐一進(jìn)行討論。

1 概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為雙塔辦公樓，總建筑面積15．09萬(wàn)㎡，地上28層，地下2層，總建筑高度99．75m。2004年建成。設(shè)備投入使用12年，2016年底進(jìn)行節(jié)能改造，2017年的中期完工，新購(gòu)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(fēng)為主，風(fēng)力平緩。

1.3 改造方案

改造前，本項(xiàng)目冷凍機(jī)房原有4臺(tái)1000RT的離心機(jī)和1臺(tái)500RT的離心機(jī)，設(shè)計(jì)制冷量4500RT。實(shí)際使用中，夏季極端天氣最多開啟2臺(tái)1000RT的離心機(jī)和1臺(tái)500RT的離心機(jī)，實(shí)際制冷量為2500RT。改造前兩座塔樓東樓屋面布置10臺(tái)冷卻塔，西樓屋面布置8臺(tái)冷卻塔，共計(jì)18臺(tái)逆流式冷卻塔。現(xiàn)將東西兩樓屋面的冷卻塔進(jìn)行拆除，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行制冷量重新進(jìn)行選型計(jì)算，并將最終選購(gòu)的冷卻塔放置在東樓屋面的原冷卻塔基礎(chǔ)之上。

1.4 問(wèn)題描述

在日常運(yùn)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(tái)1000RT的離心機(jī)和1臺(tái)500RT的離心機(jī)，冷卻塔風(fēng)機(jī)全部工頻運(yùn)行，冷卻塔進(jìn)水溫度39℃，出水溫度36℃，冷凍機(jī)的冷凝器溫度高達(dá)40℃，冷凝器壓力較高。而正常運(yùn)行時(shí)，冷凝器溫度宜控制在38℃以下。產(chǎn)生此現(xiàn)象的的原因分析如下：（1）冷卻塔水量不足；（2）冷卻塔風(fēng)機(jī)電流偏??；（3）冷卻塔局部排風(fēng)口被梁和擦窗機(jī)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(xiàn)象。

1.5 解決方法

對(duì)于問(wèn)題描述中所涉及可能產(chǎn)生的原因采用以下解決方法：

(1)對(duì)冷卻塔選型進(jìn)行校核計(jì)算。

(2)由冷卻塔供應(yīng)商維修人員重新調(diào)整風(fēng)扇皮帶松緊度，提高風(fēng)機(jī)電流。

(3)建立CFD數(shù)學(xué)模型，對(duì)整個(gè)空間的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 選型計(jì)算與數(shù)值模擬

2.1 冷卻塔選型計(jì)算

計(jì)算公式：

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

代入計(jì)算公式：

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

計(jì)算得出：Q=1824 m3/h。根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定：選用冷卻塔時(shí)，冷卻水量應(yīng)考慮1．1～1．2安全系數(shù)[5]。本項(xiàng)目考慮1．4安全系數(shù)，Q＇=1．4 ×Q=2554 m3/h。根據(jù)某廠家樣本，最終選擇雙模塊8臺(tái)逆流式冷卻塔，單模塊循環(huán)流量為1280 m3/h，功率11×4 kW。從計(jì)算過(guò)程可以判定，選型結(jié)果合理。

原有冷卻水泵6臺(tái)，與5臺(tái)冷水機(jī)組一一對(duì)應(yīng)，1臺(tái)備用。4臺(tái)大水泵流量為720 m3/h，1臺(tái)小水泵流量為400 m3/h，1臺(tái)備用泵為所有水泵備用，流量為720 m3/h。節(jié)能改造中，每臺(tái)冷卻塔進(jìn)水口均安裝電動(dòng)閥，冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻水泵加裝變頻器。

2.2 CFD模型及計(jì)算

2.2.1冷卻塔布置及相鄰障礙物

冷卻塔毗鄰障礙物時(shí)，受夏季主導(dǎo)風(fēng)向的影響較大。若主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)側(cè)有障礙物時(shí)，逆流式冷卻塔排出的熱濕空氣隨主導(dǎo)風(fēng)向飄移，若在飄移過(guò)程中被障礙物阻擋，可能存在熱濕空氣回流至冷卻塔進(jìn)風(fēng)側(cè)?？紤]到上述因素，在冷卻塔布置時(shí)盡可能安排在障礙物的下風(fēng)側(cè)，當(dāng)無(wú)法避免時(shí)，應(yīng)控制冷卻塔與障礙物距離。當(dāng)障礙物的高度超出冷卻塔頂部的距離為h（m）時(shí)，一般要求a≮h，當(dāng)h＞15m時(shí)，a不再增加[6]。冷卻塔及相鄰障礙物合理布置簡(jiǎn)圖如圖1所示：

圖1 相鄰障礙物及冷卻塔合理布置簡(jiǎn)圖

圖2 冷卻塔安裝及相鄰障礙物示意圖

本項(xiàng)目中a=3m，h=2．5m，夏季運(yùn)行時(shí)，冷卻塔位于下風(fēng)側(cè)，并不存在圖1中的問(wèn)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(xiàn)象并不十分可靠。為了闡述氣流組織的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)模型搭建及計(jì)算分析進(jìn)一步加以佐證。本項(xiàng)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(diào)領(lǐng)域的流體流動(dòng)問(wèn)題遵循質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程[7]?？臻g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(zhǔn)確地預(yù)測(cè)高大空間工廠內(nèi)的氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)[9]。本文采用CFD軟件Airpak 3．0．16自帶的RNG k-ε方程進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.2.3邊界條件

為簡(jiǎn)化模型，同時(shí)模擬夏季極端天氣運(yùn)行工況，采用以下假設(shè)：

(1)忽略太陽(yáng)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(jì)算結(jié)果的冷卻塔基礎(chǔ)、管道、支架、少許立柱。

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

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

(6)根據(jù)冷卻塔廠家提供的材料：?jiǎn)蝹€(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量為2 200 m3/min，排風(fēng)口直徑3m，計(jì)算得排風(fēng)口風(fēng)速為5．19m/s。

(7)冷卻塔穩(wěn)態(tài)持續(xù)放熱，散熱效率不受周圍環(huán)境因素的變化而改變，根據(jù)2．1中計(jì)算公式，考慮到冷水機(jī)組已使用12年，制冷效率按每年1%衰減，實(shí)際效率為88%，計(jì)算得雙模塊8臺(tái)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(jì)算”得出單模塊4臺(tái)放熱量10 604 kW。

單模塊4臺(tái)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(shí)考慮重力對(duì)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(tái)冷卻塔、樓板、梁、立柱、擦窗機(jī)軌道、核心筒外墻和女兒墻組成。整個(gè)模型尺寸為36．8m×54．6m×9．7m（長(zhǎng)×寬×高），約19490m3。夏季室外風(fēng)速以東南偏南風(fēng)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(jì)算模型

2.2.5網(wǎng)格劃分及邊界條件

考慮到大空間內(nèi)氣流組織的復(fù)雜性，本文采用混合網(wǎng)絡(luò)對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，對(duì)冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)加密。松弛因子設(shè)定：壓力松弛因子取0．3，動(dòng)量松弛因子取0．7，溫度和黏度松弛因子取1．0，質(zhì)量力松弛因子取0．1，湍流動(dòng)能和湍流耗散率松弛因子取0．5，迭代計(jì)算1000次，模型收斂情況較好。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口溫度場(chǎng)分析

圖4和圖5是當(dāng)室外東南偏南風(fēng)風(fēng)速為4m/s時(shí)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口的溫度分布圖。從模擬結(jié)果來(lái)看，環(huán)境風(fēng)速的變化，對(duì)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口溫度梯度的變化影響不大。梁、擦窗機(jī)軌道等位于高處的建筑遮擋物并未對(duì)冷卻塔散熱造成影響。冷卻塔進(jìn)風(fēng)口溫度為室外干球溫度，排風(fēng)口溫度最高，沒有出現(xiàn)熱濕空氣回流現(xiàn)象。

圖4 冷卻塔進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口溫度場(chǎng)分布圖（x=7．67m平面）

圖5 冷卻塔進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口溫度場(chǎng)分布圖（z=21．92m平面）

3.2 進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口速度場(chǎng)分析

圖6、圖7為室外東南偏南風(fēng)的風(fēng)速為4m/s時(shí)，冷卻塔進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口的速度分布圖。從模擬結(jié)果來(lái)看，環(huán)境風(fēng)速的變化，對(duì)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口速度矢量的變化影響不大。梁、擦窗機(jī)軌道等位于高處的建筑遮擋物并未改變冷卻塔排風(fēng)口氣流走向。冷卻塔進(jìn)風(fēng)口吸取周圍環(huán)境的低溫空氣，排風(fēng)口向上排出熱濕氣流，沒有出現(xiàn)氣流短路現(xiàn)象。模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)基本一致。

圖6 冷卻塔進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口速度場(chǎng)分布圖（x=7．67m平面）

圖7 冷卻塔進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口速度場(chǎng)分布圖（z=21．92m平面）

4 結(jié)論

(1)冷卻塔計(jì)算選型合理，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)夏季環(huán)境風(fēng)速的變化，對(duì)冷卻塔散熱時(shí)的氣流組織影響較小。

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

(4)CFD模擬和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)均表明冷卻塔布置合理，氣流通道順暢，未出現(xiàn)熱濕空氣回流現(xiàn)象。

(5)進(jìn)一步判斷冷卻塔散熱效果不佳可能與塔內(nèi)填料、水泵流量、風(fēng)機(jī)功率、環(huán)境濕球溫度、冰機(jī)冷凝器污垢熱阻等因素有關(guān)。

5 展望

由于篇幅原因，本文從選型計(jì)算和氣流組織模擬兩方面分析了某項(xiàng)目冷卻塔在夏季極端天氣的散熱情況，并未討論可能會(huì)影響冷卻塔散熱效率的其他方面因素。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，環(huán)境濕球溫度、塔內(nèi)填料、水泵流量等都是造成冷卻塔散熱效率低下的關(guān)鍵因素。今后將持續(xù)關(guān)注本項(xiàng)目冷卻塔的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)文中沒有討論的其他重要影響因素進(jìn)行跟蹤分析。

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俄建造世界首個(gè)“漂浮核電站”

日前，由俄羅斯研制的“羅蒙諾索夫院士”號(hào)浮動(dòng)核電站離開圣彼得堡造船廠船塢，進(jìn)入海上安裝調(diào)試。在裝載核燃料后，“羅蒙諾索夫院士”號(hào)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(jìn)的KLT-40S反應(yīng)堆，可提供高達(dá)70MW的電力或300MW的熱量。該核電站安裝在船舶平臺(tái)上，既可為偏遠(yuǎn)島嶼供應(yīng)安全、有效的能源，也可為遠(yuǎn)洋作業(yè)的海上石油、天然氣開采平臺(tái)提供電力、熱力和淡水資源。

（RIA Novosti）