根据国家发展与改革委员会《中长期节能专项规划》, 建筑节能被列为重点节能领域之一。为了建设低碳、节能、绿色建筑, 必须综合利用能源, 提高能源利用效率, 增加能源利用的安全性和可靠性, 因此, 建设大型的能源中心成为一种趋势。

　　 这些能源中心一般采用组合式能源方案, 根据服务区域的功能定位、负荷情况和当地的实际情况, 有多种组合方式, 常见的能源方案为直燃型溴化锂吸收式冷热水机组+电制冷机组+冷热电三联供+可再生能源 (太阳能、地源热泵、污水源热泵、海水源热泵) +水蓄冷 (冰蓄冷) 的形式。给排水专业需要配合空调专业为能源中心内的制冷机组按照不同的运行策略提供合适的循环冷却水系统。

　　 (1) 服务区域大。一般服务的建筑面积均超过60万m²。

　　 (2) 单台机组大。一般单台制冷机组的负荷均超过1 000RT。

　　 (3) 系统水量大。由于空调制冷负荷大, 对应的循环水量较大, 单台机组冷却循环水管径一般在DN300~500, 循环冷却水总管更是超过DN1 000。

　　 (4) 运行控制难。由于制冷机组运行模式多, 可能同时存在电制冷机组和溴化锂机组, 阀门较大, 对BAS控制提出了更高要求。

　　 (5) 空间限制多。能源中心属于配套设施, 项目位置较为偏僻, 有设在高架桥下的, 有设在地下的, 冷却塔的通风条件会受到一定限制。

　　 根据循环水泵在系统中相对制冷机的位置可分为前置水泵式和后置水泵式, 如图1所示。

　　 在能源中心项目中, 一般为1~2层建筑, 制冷机位于底层或地下室, 冷却塔位于屋顶或地面, 制冷机与冷却塔位差很小, 不能抵消制冷机及其连接管的水头损失, 通常采用图1a所示的前置水泵式。

　　 从冷却塔与制冷机的对应关系可分为一一对应的单元制和干管制, 如图2所示。二者各有优缺点:单元制适用于项目空间较大, 制冷机类型差异化较大, 独立运作要求较高的能源中心, 由于冷却塔、循环泵和制冷机严格一一对应, 管道直联, 其控制相对简单, 水量平衡容易实现, 但管道较多, 造价相对较高。干管制适用于机房面积比较紧凑, 制冷机类型相对统一的能源中心, 由于采用干管, 简化了管路系统, 但控制相对复杂, 调试能力要求高, 需要进行一定的水力平衡。干管制中又可分为图2b左侧的4干管制和右侧的2干管制。目前2干管制因为融合了单元制和4干管制的优点, 既简化了管路, 又便于调试控制, 在已经建成的能源中心项目中应用较为广泛, 上海浦东机场能源中心和虹桥机场能源中心都采用2干管制, 运行效果良好。

　　 循环冷却水量应按照暖通专业提供的制冷机工艺要求耗热量进行确定, 见表1。需要提醒的是, 按此计算出来的循环冷却水量仅为制冷机的循环冷却水量。在选择冷却塔时, 当地气象参数可按夏季最不利条件下的气象资料整理而成或由工艺专业提供。冷却塔设计的基本气象参数应包括干球温度θ (℃) , 湿球温度τ (℃) , 大气压力P (MPa或kPa) , 夏季主导风向、风速或风压 (kPa) 等。冷却塔设计计算所选用的空气干球温度和湿球温度, 应与所服务的空调系统的设计空气干球温度和湿球温度相吻合, 并应采用历年平均不保证50h的干球温度和湿球温度。冷却塔的设计出水温度一般取高于湿球温度3~4℃。当冷却塔设置位置确受建筑环境影响, 有可能产生湿热空气回流, 降低冷却塔冷却效果的情况, 在选用气象参数时, 应对设计湿球温度进行修正, 可考虑增加0.2~0.5℃的修正值。

　　 冷却塔还应根据是否具有美国冷却塔协会CTI STD-201热力性能认证等情况综合考虑一定余量来确定Δt, 当无当地多年跟踪数据时, 具有CTI认证的冷却塔可以制冷机组的温升值取95%, 无CTI认证的冷却塔取90%为妥。根据某能源中心的监测数据, 冷却塔性能有一定的富裕可有效提高制冷机的COP, 保障系统安全运行。循环水泵在并联运行时会出现流量的衰减80%~85%, 其取值可选择与冷却塔一致。同时还避免单台水泵运行时电机超电流现象。

　　 在能源中心项目中, 为了与制冷机保持匹配, 循环冷却水泵的流量比较大, 常规在1 000~2 000m³/h, 经计算可知, 水泵扬程每增加1m, 水泵的用电功率增加5~10kW, 因此在能源中心项目设计中, 一定要按照实际冷却水管路中阀门管件逐个进行精确计算其沿程和局部水头损失, 设备招标完成后, 还应逐个复核管路上的大型设备如冷却塔、制冷机、过滤器等水头损失, 合理确定冷却水泵参数, 做到冷却水泵在高效节能状态下运行。

　　 在能源中心项目中, 应该采用横流塔还是逆流塔, 设计时应根据环境条件、占地面积、管线布置、造价和噪声要求等因素综合考虑, 合理选用, 其性能对比如表2所示。浦东机场能源中心和虹桥某能源中心采用的是逆流塔, 虹桥机场能源中心和森兰能源中心采用的是横流塔, 目前都运行良好。

　　 合理的冷却塔布置形式是影响冷却塔正常运行的重要因素。

　　 (1) 冷却塔一般成组布置, 主导风向应平行于冷却塔的进风面, 如图3所示。

　　 (2) 避免热风回流, 冷却塔出口要等于或高于邻近建筑物或墙壁等。

　　 (3) 冷却塔周围必须设置百叶墙时, 百叶墙必须有不小于50%的通风面积, 通过百叶墙的风速应不小于3m/s, 冷却塔与百叶墙的净距不小于1m。

　　 (4) 当冷却塔在下凹绿地或天井内安装时, 其出口应完全开放, 并应高于或等于相邻的墙, 同时保证进风面与墙之间留有足够的距离, 使下降风速应该小于2m/s。

　　 在能源中心项目中, 由于水量加大, 很容易形成白雾现象。白雾是由于冷却塔排出的湿热空气在和大气混合的过程中, 被冷却至露点温度以下, 空气所含的水蒸气冷凝形成了成白雾, 如图4所示。

　　 白雾影响可见度, 特别是在对可见度敏感的地方, 如机场、公路;白雾本质是水蒸气冷凝而成, 但容易被公众误解为着火烟雾, 对邻近建筑美观或附近居民的生活造成影响, 在设计中应加以避免。白雾一般采取加热出风口空气, 通过干湿填料的空气混合和加大冷却塔进行避免。加大冷却塔的措施最为有效, 并且可以提供冷却效果, 设计上采用最多。

　　 为了控制循环冷却水系统内的水质引起的结垢、污垢、菌藻和腐蚀, 保证制冷机组的换热效率和使用年限, 应对循环冷却水进行水质处理, 常见的处理办法有物理处理法和化学药剂法。

　　 物理处理法是采用静电、电子、内磁等处理器来进行水质处理, 它易于安装、便于管理、运行费用低。但浦东机场一期能源中心的运行经验表明, 在这种大型冷却水系统中, 仅依靠静电除垢器来防垢和除垢, 效果不理想, 水质不稳定。

　　 化学药剂法是指通过在系统中投加缓蚀剂、阻垢剂、杀菌灭藻剂来保持水质的稳定, 它是一种传统的且相对广泛采用的方法, 事实证明化学处理方法效果稳定, 能有效控制循环冷却水系统的结垢、腐蚀及微生物生长。非常适合管理水平较高的大型能源中心循环冷却水系统。

　　 药剂品种配方应通过动态模拟方式确定, 亦可根据水质和工况条件相似的系统运行经验确定, 选择药剂类型时, 要注意其缓蚀、阻垢、杀菌、防藻的协同效果, 同时要注意选择环保型药剂或无磷、低磷药剂。当循环冷却水中检出嗜肺军团菌时, 应对循环冷却水进行清洗消毒。

　　 实践证明, 大型能源中心循环冷却水系统中推荐设置自洁式过滤器和胶球清洗装置。它们在调试和以后的运行当中能够很好地起到拦截大粒径杂质和污物, 并且排出系统, 使制冷机组冷凝器不至因粘附过多污物, 以保持制冷机组的高效换热性。

　　 对于冷却塔的集水设施, 其目标是必须保证每天开机时, 集水盘不被抽空, 集水盘被抽空会造成空气进入管道, 造成制冷机非正常停机, 停机时不出现溢水现象, 节约宝贵的水资源。

　　 能源中心项目推荐采用专用集水池, 见图5。

　　 对不设集水池的系统运行进行分析:例如, 对于单台冷却塔循环水量为1 850m³/h, 某一线合资品牌冷却塔直径D=6.6 m, 集水盘有效水深为650mm, 冷却塔配水管至出水口高度为5.1m, 塔内水流速为V=0.05m/s, 经计算在塔内淋水时间为102s, 在这段时间内, 循环水量为14m³, 一般情况下, 冷却塔集水盘可提供8 m³调节水量, 其余6m³水量要求补水在102s内进行补充, 而补充水管管径只有DN50, 不能在短时满足补水要求, 这样必将造成集水盘被抽空, 通常解决办法是采用快速补水管补水, 快速补水管管径需要DN200, 流速为1.92m/s, 但是这么大的快速补水管, 并且需要瞬时提供这么大的水量, 一般对于集水盘而言难以实现。同理操作, 当停机时, 配水管及填料上的附着水继续进入集水盘, 这样必定造成集水盘水量溢流。

　　 由于水泵的功率大, 对于循环冷却水泵等一定要考虑减振处理措施, 如图6所示。同理, 循环冷却水系统上的阀门较大, 人工难以操作, 在水泵、制冷机和冷却塔进出口的控制阀建议采用电动阀;冷却水泵组并联运行, 为保证各工况下系统的正常运行, 系统应并联设置动态流量平衡阀。

　　 根据建科[2008]114号《关于印发国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设相关技术导则通知》的规定, 应对冷却水等系统及设备运行情况进行监视、控制、测量、记录和节能管理等, 在大型能源中心的循环冷却水系统中尤为重要。

　　 循环冷却水系统主要有以下监测及节能监控内容, 应把相关要求给电气专业进行提资: (1) 冷却水流量测量、记录; (2) 系统运行时间、启动次数记录; (3) 冷却塔风机运行状态显示 (启停、高低速) 、启停控制、故障报警; (4) 冷却塔进水/出水电动阀启闭控制、状态显示、故障报警; (5) 冷却塔进水/出水温度测量、控制、水温再设定、冷却水最低温度控制; (6) 循环水泵进水/出水电动阀启闭控制、状态显示、故障报警; (7) 循环水泵启停控制、运行状态显示、故障报警; (8) 旁路温控电动调节阀温控调节、状态显示; (9) 旁通阀压差控制; (10) 旁流过滤器运行状态显示、压差报警; (11) 全自动水质处理装置或加药装置运行状态显示、故障报警; (12) 防冻设施 (电加热器或热交换器等) 温度控制、运行状态显示、故障报警。采用变频控制的水泵还应对变频器工作状态、故障报警、变频频率进行监控。变频水泵由水泵生产厂商 (或供货商) 配套提供控制系统时, 设备控制系统应留有通用数据通讯接口, 以便建筑智能化系统对设备及其运行参数的监控、建筑能效的节能监管。

　　 大型能源中心的大、难、多, 带来了对循环冷却水系统设计的诸多挑战, 笔者结合已经完成或投入运行的多个能源中心项目的设计经验和后评估情况, 进行一些经验的分享。在具体设计上应因地制宜, 针对性进行分析, 有条件时, 建议进行CFD模拟分析冷却塔的气流组织情况, 确保整个系统安全、经济、可靠运行。