達(dá)實(shí)大廈高效冷站冷卻塔優(yōu)化設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

謝輝優(yōu) 湯本霖 蔣輝華 李承泳

深圳達(dá)實(shí)智能股份有限公司

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大型公建不斷涌現(xiàn)，各個(gè)地區(qū)空調(diào)建筑廣泛采用電制冷主機(jī)，無(wú)可避免的需要用到冷卻塔。有些隱患問(wèn)題也隨之而來(lái)，例如冷卻塔排出的濕熱空氣在低溫或高濕的環(huán)境中，水蒸氣會(huì)發(fā)生冷凝而形成白霧，對(duì)周圍環(huán)境造成不良影響。同時(shí)冷卻塔群之間由于間隔較近造成回流現(xiàn)象增加了運(yùn)行能耗，進(jìn)而造成運(yùn)行成本的增加。

1 工程概況

本項(xiàng)目是達(dá)實(shí)智能大廈的改擴(kuò)建工程，位于深圳市南山區(qū)，項(xiàng)目包括一座原有大樓及一棟新建塔樓，原有大樓作為新建塔樓的裙樓。新建塔樓地上共40層，地下4層，建筑面積超過(guò)8萬(wàn)m2，地上塔樓建筑高度200 m，設(shè)計(jì)及實(shí)施為：雙標(biāo)準(zhǔn)（綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、綠色建筑運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)）、三認(rèn)證（美國(guó)LEED-CS認(rèn)證鉑金級(jí)、中國(guó)綠色建筑認(rèn)證三星級(jí)、深圳綠色建筑認(rèn)證鉑金級(jí)）的綠色建筑。總冷量3200 RT，本專業(yè)配套冷凍機(jī)的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其冷卻設(shè)計(jì)總水量為2880 m3/h，選用方形橫流式冷卻塔16臺(tái)，單臺(tái)水量180 m3/h。

2 冷卻塔的選型

冷卻塔的選型計(jì)算受諸多因素的影響[1]，稍有疏忽就會(huì)造成能耗的增加，甚至影響整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1）主導(dǎo)風(fēng)向?qū)鋮s塔效率的影響

在夏季，我國(guó)大多數(shù)地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向都是偏南風(fēng)。如果冷卻塔進(jìn)風(fēng)方向與本地主導(dǎo)風(fēng)向基本吻合的話是最理想的布置形式。有時(shí)受場(chǎng)地限制，冷卻塔進(jìn)風(fēng)方向與本地主導(dǎo)風(fēng)向甚至是基本垂直的。達(dá)實(shí)智能大廈項(xiàng)目冷卻塔的布置滿足進(jìn)風(fēng)方向與深圳本地主導(dǎo)風(fēng)向基本一致的條件。冷卻塔組合長(zhǎng)度越長(zhǎng)，空氣自然風(fēng)速越小，風(fēng)向與冷卻塔進(jìn)風(fēng)口夾角越小，對(duì)后排冷卻塔的進(jìn)風(fēng)越不利。對(duì)于主要靠對(duì)流降溫的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔來(lái)講，降溫效果也就越差。在這種情形下，應(yīng)盡量減小冷卻塔的組合長(zhǎng)度，且中間留有0.6～0.8倍冷卻塔寬度的間隙，以改善氣流冷卻條件。

2）冷卻塔進(jìn)出水溫差與制冷主機(jī)制冷效率影響

達(dá)實(shí)智能大廈項(xiàng)目冷卻塔設(shè)計(jì)參數(shù)：進(jìn)口水溫37℃，出口水溫32℃，室外濕球溫度28℃。根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理可知，制冷效率隨著制冷機(jī)冷卻水的進(jìn)口溫度降低而增大。為保證較高的制冷效率，應(yīng)盡量使冷卻水的進(jìn)口溫度降低。冷卻水進(jìn)口溫度過(guò)低時(shí)需要大幅提升冷卻塔的冷卻能力，這樣不但會(huì)增大初始投資，也可能造成整個(gè)系統(tǒng)的能耗增加。

3 冷卻塔白煙的產(chǎn)生和消除機(jī)理

冷卻塔產(chǎn)生的白煙即為冷卻塔排氣與室外空氣混合產(chǎn)生的白霧[2]，其產(chǎn)生機(jī)理如圖1所示。假設(shè)排出冷卻塔空氣狀態(tài)點(diǎn)為I，外界空氣狀態(tài)點(diǎn)為O，混合點(diǎn)為M，隨著濕熱空氣從冷卻塔中排出與環(huán)境空氣混合，在焓濕圖上M點(diǎn)從I延IO線移動(dòng)至O。在焓濕圖上，若M點(diǎn)經(jīng)過(guò)飽和區(qū)，即混合過(guò)程線與飽和空氣線相交，則水蒸氣冷凝成水珠，產(chǎn)生白霧現(xiàn)象。

圖1 冷卻塔白煙產(chǎn)生機(jī)理的焓濕圖

圖2 冷卻塔不白霧產(chǎn)生的焓濕圖

消除白煙機(jī)理如圖2所示。若混合過(guò)程線與飽和空氣線不相交，則水蒸氣不會(huì)發(fā)生冷凝。要達(dá)到這個(gè)效果需要提高I點(diǎn)的溫度。

達(dá)實(shí)智能大廈項(xiàng)目根據(jù)深圳市氣象條件選用防白煙型方形橫流冷卻塔。根據(jù)氣象資料可知，深圳市夏季室外空氣相對(duì)濕度一般在80%以上，室外平均溫度在28℃以上，選用防白煙型方形橫流冷卻塔可以有效防止白煙的出現(xiàn)。

4 冷卻塔噪聲測(cè)定

隨著城市的發(fā)展進(jìn)步以及人們環(huán)境理念的提升，人們對(duì)聲環(huán)境質(zhì)量的要求日益提高，冷卻塔噪聲污染越來(lái)越受到公眾關(guān)注。在環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中，冷卻塔的選型、設(shè)置位置、降噪措施等都會(huì)對(duì)周圍聲環(huán)境產(chǎn)生重要影響[3]，因此，民用建筑中冷卻塔噪聲評(píng)價(jià)應(yīng)重點(diǎn)考慮以上因素，最大程度地降低噪聲污染。

4.1 噪聲來(lái)源

冷卻塔噪聲源主要有：風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣噪聲，淋水噪聲，風(fēng)機(jī)減速器和電動(dòng)機(jī)噪聲，冷卻塔水泵，配管和閥門噪聲。其中以前兩者為主要噪聲成分，排氣口噪聲比進(jìn)氣口噪聲約高10 dB(A)。由相關(guān)分析知，冷卻塔出風(fēng)口的噪聲影響最大，為防治重點(diǎn)。

4.2 達(dá)實(shí)智能大廈冷卻塔噪聲測(cè)定

圖3為噪聲測(cè)量點(diǎn)位置，表1為測(cè)定的噪聲值。

圖3 冷卻塔噪音值測(cè)量點(diǎn)位置

根據(jù)相關(guān)資料[4]顯示，在無(wú)任何遮擋措施下，冷卻塔噪聲會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。持續(xù)的高分貝噪聲有可能破壞人的聽(tīng)覺(jué)器官及神經(jīng)系統(tǒng)，長(zhǎng)期處于強(qiáng)噪聲環(huán)境下，人會(huì)出現(xiàn)記憶力減退、失眠等癥狀，因此，需要采取相應(yīng)的降噪措施。達(dá)實(shí)智能大廈在冷卻塔選型時(shí)就特別注重噪音對(duì)周邊環(huán)境的影響，選用超低噪音冷卻塔，并要求單臺(tái)風(fēng)機(jī)噪音：≤54.5±2 dB(A)（測(cè)量點(diǎn)：距CT腳高1.5 m，進(jìn)風(fēng)側(cè)10 m遠(yuǎn)）。根據(jù)住宅樓所在區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[5]，冷卻塔噪聲衰減至住宅樓處應(yīng)滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表2。

表1 噪音值表（dB(A)）

表2 環(huán)境噪聲限值（dB(A)）

根據(jù)以上測(cè)定值可以得出，達(dá)實(shí)智能大廈冷卻塔噪聲滿足1類功能區(qū)類別。

5 冷卻塔氣流組織數(shù)值模擬

達(dá)實(shí)智能大廈冷卻塔總的布置原則是利用建筑物的形體特點(diǎn)，區(qū)分冷卻塔的進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)，避免進(jìn)排風(fēng)氣流的短路。為了驗(yàn)證冷卻塔布置的結(jié)果，設(shè)計(jì)中利用CFD進(jìn)行氣流速度場(chǎng)的模擬。

5.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)總平面圖紙中給出的輪廓做相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理。計(jì)算區(qū)域的選取以不影響冷卻塔邊界氣流流動(dòng)為準(zhǔn)，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)并做模擬試算后，確定設(shè)置外場(chǎng)計(jì)算尺寸為116 m×62 m×40 m（長(zhǎng)×寬×高）。網(wǎng)格劃分如圖4～5所示：

圖4 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

圖5 冷卻塔及周圍網(wǎng)格劃分

5.2 模擬結(jié)果

模擬結(jié)果如6所示。從模擬結(jié)果可以看出，進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)可以避免短路，從而保證冷卻塔的使用效果。

圖6 冷卻塔CFD氣流組織模擬

6 總結(jié)

本文根據(jù)達(dá)實(shí)智能大廈案例闡述了高效冷站冷卻塔選型，防白煙，噪音防治及氣流組織在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的因素及解決的問(wèn)題。在冷卻塔選型及防白煙時(shí)需要結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件，如全年主導(dǎo)風(fēng)向和室外空氣溫濕度，才能較大限度降低能耗。冷卻塔的氣流組織對(duì)其冷卻能力有較大影響，如設(shè)計(jì)不善造成回流現(xiàn)象嚴(yán)重將時(shí)冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)水溫度升高，使機(jī)組能效降低，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要根據(jù)實(shí)際情況合理布置，防止冷卻塔出風(fēng)回流。