医院空调系统具有冷热负荷需求大且使用时间长的特点,尤其是一些特殊的医护场所,要求24 h不间断运行空调,因此医院空调系统的安全稳定运行非常重要,同时有着较大的节能潜力 ^[1,2]。现有的空调系统节能研究主要针对系统参数(风量、电量等)和制冷机,对冷却塔的研究却很少 ^[3,4,5,6]。冷却塔作为空调系统的重要设备,其设计和运行往往得不到重视,而冷却塔的运行性能直接影响制冷机的制冷效果、节能特性等,甚至会有安全问题。

　　 针对北京某三甲医院后勤能源供应过程中冷却塔回水温度偏高的问题,找出原因并给出解决方案。摒弃传统的冷却塔台数节能控制策略,采用多台冷却塔并联、冷却塔风机统一变频调节的控制策略,以提高供能系统的效率和自动化程度。实际运行表明,变频控制方式优于传统的台数控制方式,该方法在极端外界环境下也有很高的效率。最后,根据医院用能特点,针对医院冷却塔设计和选型提出了几点建议,供同行参考。

　　 在运维中发现,即使室外湿球温度偏低,冷却塔出水温度依然高于正常范围值,能源浪费严重。经过调查研究,发现冷却塔运行调节不当造成冷却塔出水温度偏高。该医院采用传统的冷却塔台数控制策略,即一机对一塔。3台冷水机组分别对应3台冷却塔,运行人员通过控制冷却塔风机开启数量间接控制冷却塔的出水温度;但是风机停止运转后,由于原系统较老,冷却塔供水管上没有能自动控制的电动阀,冷却塔的水阀并不关闭,导致部分冷却水流经风机关闭的冷却塔。这样,经过风机正常开启冷却塔的冷却水温度较低,而经过风机停止运转冷却塔的冷却水温度却较高,因此掺混后的冷却水实际出水温度就被提高,实测发现冷却塔出水温度要比室外湿球温度高3.0 ℃左右(理论设计值为1.5 ℃左右)。

　　 经过调研和分析,弃用台数控制策略,采用多台冷却塔并联、冷却塔风机统一变频调节的方法,新的控制策略中冷却塔风机不关闭只调整频率,不仅能有效解决冷却水在不同冷却塔的温降不一致的问题,还能充分利用冷却塔的换热面积,在较低的冷却塔风机电耗情况下,实现全年各种工况下冷却塔优化运行,使得冷却塔回水温度始终尽可能接近室外湿球温度,从而大幅降低制冷机组能耗,实现节能高效的目的。

　　 实施过程中,首先要平衡管路水力工况,保证冷却水在3台冷却塔之间均匀分配。检查冷却塔布水孔板、喷洒孔、风机皮带等,避免冷却塔功能缺陷。清理冷却塔周围杂物,保持通风通畅。风机统一变频控制策略为:测量室外湿球温度和冷却水回水温度,通过调整冷却塔风机频率,使得冷却水出水温度满足冷水机组冷却水要求(设定为30 ℃,比室外湿球温度28 ℃高2 ℃)。当冷却塔的结构和布置不变时,冷却塔的冷却水换热效率就是风机频率的函数。冷却塔效率η与风机频率f的关系,实际运行数据拟合结果如式(1)所示,数据拟合结果如图1所示,与文献[6]所得结果相似;设定好冷却塔的出水温度t_out和进出口温差(t_in-t_out),可以计算出风机频率f与室外湿球温度t_s之间的函数关系,用于冷却塔的频率调节,当室外湿球温度变化时,调节风机的频率。根据实际运行经验,当室外湿球温度低于28 ℃时,采用较大温差(5 ℃)进行控制;当室外湿球温度高于28 ℃时,采用较小温差(3 ℃)进行控制;当室外湿球温度低于20 ℃时,可以逐台关闭冷却塔风机。

　　 $\eta =\frac{t{}_{\text{i}\text{n}}-t{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}}{t{}_{\text{i}\text{n}}-t{}_{\text{s}}}=0.0102f+0.15369(1)$

　　 (t_in-t_out),t_s通过温度探头测量获得,出水温度t_out是需要关注的参数。如图2所示,在制冷机运行安全稳定的前提下,冷却侧的水温不低于22 ℃时,t_out应尽可能低,以提高冷却塔效率,从而增大制冷COP。根据实测值计算可得,出水温度每降低1 ℃,COP至少可以提高1.5%。

　　 实践表明,该种运行方式提高了整个空调系统的运行效率,由于冷却水温度适宜,同时也降低了制冷机的故障率,使得冷却塔在极端天气下也能保障系统运行。例如夏季温度高于30 ℃的天数通常多达40 d,冷却塔的工作环境条件远比设计条件恶劣(制冷机的冷却水温度下限20 ℃,冷却塔选型标准为湿球温度28 ℃,实际极端天气可能达到32 ℃)。采用上述控制策略,并尽量通过精细调节,降低制冷机的冷凝散热负荷,充分利用冷却塔散热面积,虽然出水温度比标准工况略有提高(冷却塔出水温度为33～34 ℃),但可以降低冷却水温差,制冷系统仍然能够正常运行,没有发现以往季节因为冷却塔超温而造成设备停机等不利的情况。

　　 假设单台冷却塔频率50 Hz下的风量和耗电量都是1,由于冷却塔风机电耗W与频率f的变化遵循三次幂关系(见式(2)),而冷却塔风机的风量Q与频率f的变化遵循线性关系(见式(3)),该工程3台冷却塔风机运行参数的分析如图3所示。3台冷却塔风机同时变频运行在35 Hz时与2台同型号风机固定50 Hz运行(采用台数控制,1台冷却塔风机关闭),运行风量相当,但是前者耗电量是后者的一半。或者,2台同型号风机50 Hz运行与3台冷却塔风机同时变频运行在45 Hz时,耗电量相当,但是后者风量却提高35%。这说明采用冷却塔变频控制方式无论从节电方面,还是增加风量提效方面均优于台数控制方式,而且可以充分利用3台冷却塔换热面积,提高换热效率,降低单台冷却塔运行负荷。

　　 功率与频率之间的关系:

　　 $\frac{W{}_2}{W{}_1}=(\begin{array}{l}\\ \end{array}\frac{f{}_2}{f{}_1}\begin{array}{l}\\ \end{array}){}^3(2)$

　　 风量与频率之间的关系:

　　 $\frac{Q{}_2}{Q{}_1}=\frac{f{}_2}{f{}_1}(3)$

　　 如图3所示,经过数值变换得到量纲一风量和电量。实际用电量和风机风量变化趋势与理论计算结果一致,说明实际运行过程中节能潜力依然巨大,风量实测值在理论值附近波动,考虑风机使用条件复杂多变,存在一定的不稳定运行结果。实际运行结果表明:通过统一的冷却塔风机变频调节,在全年各种工况下,可以根据实测的室外气象参数,对冷却塔回水温度进行控制,在大部分非设计工况下,通过降低冷却水回水温度,提高制冷机组的COP,降低制冷机组能耗;对于单台冷却塔而言,可降低风量,减少冷却塔“飘水”现象;同时避免了仅部分冷却塔运行时很容易出现的冷却塔接水盘溢水问题,减少补水量。通过与台数控制冷却塔节能运行方式比较,统一变频控制冷却塔风机可避免出现回水温度偏高的问题,而且也充分利用了冷却塔的换热面积。

　　 经过运行调试,得到实际运行的冷却塔效率与制冷COP的变化关系,如图4所示,冷却塔效率提升,也进一步提高了空调的制冷效率,该技术改进方案符合预期。通过变频调节,冷却塔的使用效率提高,冷却塔风机功率(15 kW)相对制冷机功率(约300 kW)很小,风机的高效利用提高了空调系统的制冷COP,同时达到节能经济的目的;风机变频调节后的冷却塔出水温度比原系统降低了2～3 ℃,增强了换热能力。因此使用变频控制风机更加科学合理,而且也提高了供能系统的自动化程度。

　　 冷却塔一般为逆流式和横流式2种,在其他条件满足的情况下,更适合选择横流式冷却塔。横流式多为方形塔,有充足的检修空间,方便日常的维护、清理、检查,及时了解冷却塔的性能,保证设备的完好率;横流式冷却塔的噪声比同水量的逆流式冷却塔要小,低噪声型或者超低噪声型冷却塔适合医院系统;横流式冷却塔的布水器多数为固定的,易于冷却水泵变频使用。

　　 医院空调系统的安全运行永远是第一位的,因此选择制冷设备时要留有一定的安全余量。一般设计中,冷却塔的容量选型考虑留有一定安全余量,一般取余量系数1.2。但实际运行中,应对极端天气时,发现远远不够。例如华北地区(尤其北京)经常出现极端高温天气,温度超过冷却塔最佳运行湿球温度,冷却塔的出力下降。另外考虑冷却塔在运行中填料层、风机、布水器的工作效率会逐渐降低,因此建议按照极端天气考虑,根据具体地区的不同,选择合适的余量系数,北京地区建议取1.4～1.6。冷却塔在整个系统中投资比例一般较小,但在运行中,冷却水温度可控制在较低状态,制冷设备制冷效率就高很多。理论和实践都说明,在合理范围内,冷却水温度降低,制冷效率会明显提高,出水温度每降低1 ℃,COP至少可以提高1.5%,经济效益巨大。

　　 在选择大容量横流塔时,每个模块都有独立风机、布水器、填料层等,可独立工作,工作方式灵活多样。而且风机可单独停止进行检修,能更好地应对季节变化带来的影响。

　　 连体式的布水管、风机也可以独立工作,然而其集水盘是相通的,分段也没有完全隔断,因此气流、水流没有做到完全隔断。实际维修、清洗时,不能完全独立和隔断以实现独立操作;运行中因气流没有隔断,当有1台风机停机时,就会有气流互窜而影响冷却效果。因此连体式集水盘不便于整体停机检修时,应选用分体式集水盘。

　　 在布置冷却塔时,要充分考虑噪声的问题,采取以下措施来降低噪声对环境的影响。

　　 ① 冷却塔布置时,尽量远离窗口,降低其对病人的影响,并进行噪声自然衰减计算校核;当自然衰减无法满足医院的要求时,需要在冷却塔四周加装消声百叶围栏。

　　 ② 采用电磁噪声和轴承噪声较小的低噪声、低速、轻型电动机。

　　 ③ 采用阔叶大弦长型风机叶片,采用变频风机或多级变速风机。

　　 冷却塔的设计和运行往往得不到重视,但是冷却塔的重要性不容忽视。如果冷却塔选择不当,没有考虑极端天气,例如在夏季极端高温情况下,冷却塔效率严重降低,冷却塔出水温度升高,造成制冷机的冷凝温度上升,恶化制冷机的制冷性能,降低制冷COP。如果运行策略不当,无法发挥冷却塔的散热能力,导致制冷机的运行能耗提高。本文所采用的冷却塔变频控制方式,与传统的台数控制相比,不但提高了冷却塔的运行效率,降低了能耗,还最大限度利用了冷却塔的换热面积。通过实际测量与计算可得:2台同型号风机固定50 Hz运行(采用台数控制,1台冷却塔风机关闭)与3台冷却塔风机同时变频运行在45 Hz时,耗电量相当,但是后者风量却提高了35%;而且冷却塔的出水温度每降低1 ℃,COP至少可以提高1.5%。运行结果表明,该方式是一种高效节能的冷却塔运行方式,值得推广。