本项目为独墅湖月亮湾集中冷站,项目占地1.7hm²,建筑面积2.4万m²,配套管网12.1km。其服务范围总规划建筑面积110万m²,总冷量28 000RT,本专业配套冷冻机的冷却水系统设计,其冷却设计总水量为35 000m³/h,供给区内的国际会议中心、高档办公、五星级酒店、数据中心等建筑。为节约一次投资,冷冻机分步实施,冷却水系统相应分为一、二期实施。

　　 设备层位于3、4层,配备大型非电式溴化锂制冷机组,设置蒸汽双效直燃两用溴化锂吸收式制冷机和蒸汽双效溴化锂吸收式制冷机。制冷机参数见表1。

　　 冷冻机对应的总冷却水量为1 040×4+2 080×12=29 120(m³/h),由于系统庞大,服务的区域面积极大(110万m²),设计安全系数取1.2,即总冷却水量为29 120×1.2=34 944(m³/h),取Q=35 000m³/h。

　　 常规选泵水泵流量宜与冷冻机冷却水量相对应,小泵对应小型冷冻机,大泵对应大型冷冻机,故Q₁取1 250m³/h,Q₂取2 500m³/h,但2 500m³/h水泵功率太大,故采用小泵,2台小泵对应1台大型冷冻机。为安全考虑,设置备用泵。

　　 为提高系统安全性和控制冷却水管管径,本项目分为2个独立的系统,同时两者之间设置阀门联络。单个系统冷却水量为35 000/2=17 500(m³/h),相对应冷却水供回水分管管径为1 400 mm,冷却水流程见图1。

　　 常规单体建筑项目常用的冷却塔一般为机械抽风式,主要分为逆流式和横流式。逆流式冷却塔占地小,塔身高,冷却效率高,能耗高;横流式则相反,占地大,塔身低,冷却效率较逆流式低,能耗低。常规项目冷却水总量一般为1 000~4 000m³/h,很少有超过6 000m³/h的项目,而本工程总冷却水量为35 000m³/h,是笔者设计过的最大的冷却系统。冷却塔设于本建筑屋面,屋面总面积5 700m²。对于冷却塔的选型,当时作过多个方案对比,其中最终的比较在工业塔和常规塔之间展开。现将方案比较分析如下。

　　 方案一:选用2 500m³/h的大型钢制工业冷却塔(以下简称工业塔)16台(考虑14用2备),屋面布置2排。冷却水总量为2 500×14=35 000(m³/h),平面布置见图2a。

　　 方案二:采用800m³/h的冷却塔(以下简称小型塔)45台。屋面布置3排。冷却水总量为800×45=36 000(m³/h),平面布置见图2b。

　　 方案一中,冷却塔间距为15.3 m,而工业塔为逆流塔,其进风口高度小于3.5m,冷却塔布置满足规范要求,即冷却塔间的距离大于塔进风口高度的4倍。工业塔塔身远高于小型塔,占地面积则少于总参数等同的小型塔群。工业塔风机总功率低于小型塔的总和,后期运行费用低。由于采用工业塔后,相对占地较小,考虑本项目的重要性,为提高冷却塔保证率和系统可靠性,原设计设置2台备用塔,每台冷却塔冷却水量对应1台冷冻机。

　　 方案二采用小型冷却塔,塔间距为10m,虽然塔间距符合规范要求,但由于冷却塔分3排布置,塔体过于集中,易产生群塔效应。小型塔群集中布置,且风筒较低,进出风易相互影响,气流紊乱,进风温度受塔顶部出风影响,从而影响单台塔的冷却能力,即实际总冷却水量达不到设计值。群塔效应见图3。

　　 为保证冷却效果,笔者当时采用了方案一工业塔。但经与业主沟通,由于小型塔群的价格远低于工业塔,业主为考虑降低初期总造价,最终确定采用小型塔的方案。由上述分析可知,此类布置易产生群塔效应,故将原3排的方案调整为2排小塔,布置见图4。但是此布置方式带来另一个问题,就是2排布置无法放下44~45个塔,仅能布置40台,总冷却水量为800×40=32 000(m³/h)远小于工业塔水量。又由于系统无法设置备用塔,降低了整个工程的安全系数值。且小型塔并联长度过长,相邻塔的风筒较近,也会引起进出风相互影响。故对于这类大型冷却水系统,笔者认为采用工业塔是最佳选择,有些遗憾。

　　 对于冷却水系统的补水,为减少浓水放空和排放,最佳选择是采用软水补水。但是由于其补水量太大,如全部采用软水补水,则成本过高。鉴于本项目有太多蒸汽冷凝水,此部分为天然软化水,将冷凝水回用,可大量节省水资源。由于冷凝水本身含废热,采取一定措施,将蒸汽冷凝水废热废水全部回收,在温度满足使用要求的前提下冷凝水可直接补水。同时设置了热媒循环泵,利用蒸汽凝结高温水供给淋浴所需热量。具体的冷凝水回收系统详述如下。

　　 冷凝水回收利用。蒸汽制冷机运行时产生大量冷凝水,项目最大蒸汽凝结水产生量为108 m³/h,具体的废热和废水回收利用方案见图5。

　　 运行原理如下:

　　 蒸汽冷凝水收集至蒸汽凝结水箱(1),由热水泵(4)供给热媒至用户,如用户小于额定用量时则多余的蒸汽冷凝水通过压差阀直接回至蒸汽凝结水箱(1),热水泵(4)与压差阀联动。在回水管道上设置电节点温度计(5),回水管道内经热量交换后的蒸汽冷凝水水温即为电节点温度计(5)所测温度。

　　 控制方式如下:

　　 电动阀(6)与电动阀(7)联动,当电动阀(6)开启电动阀(7)则关闭;当电动阀(6)关闭电动阀(7)则开启。

　　 电节点温度计(5)、冷却贮水池电节点液位计(8)均与回水管道末端的电动阀(6)联动,当电节点温度计(5)<40℃,电节点液位计(8)低于冷凝水补水水位时,电动阀(6)开启,回水接至冷却贮水池(3),供冷却塔补水用。

　　 当电节点液位计(8)高于冷凝水补水水位时,电动阀(6)关闭,回水排至降温池(2)。

　　 当电节点温度计(5)≥40℃时,电动阀(6)关闭,回水排至降温池(2)。

　　 通过废热废水回收系统,本项目可节约大量冷却补水,同时热回收系统可提供区域内部分所需热量。

　　 冷却塔的常规防冻措施,一般对于密闭冷却塔,其循环管路加入乙二醇;对于开式冷却塔,在集水盘内设置电加热器可配合温控器联动控制。

　　 本项目冷却系统庞大,管道及集水盘内的冷却水量较大,无法采用传统的电加热的模式,改为采用蒸汽加热,设于屋顶冷却水循环管道内,以保证冬季最冷月的系统正常运行,做法详见图6。

　　 同时设计时应在冷却塔前后的循环管道设置旁通管道,如冬季当负荷较低时,运行时冷却循环水不经冷却塔,直接通过旁通管道进行循环冷却。

　　 冷却塔在施工及使用运行时着火情况时有发生,冷却塔塔体有镀锌钢和玻璃钢,其中玻璃钢为可燃,且燃烧时产生部分有害气体;而塔体内的填料常规为聚丙烯,同样可燃,也有少数厂家在填料生产过程中加入阻燃剂。为防火考虑,建议大型冷却系统的冷却塔采用钢制冷却塔,并注明含阻燃剂的填料。冷却塔一旦着火,火随风势蔓延较快,单台着火宜引燃群塔。根据《民用建筑水消防系统设计规范》(DGJ 32/J92-2009)7.3.4条要求冷却塔设置消火栓保护,对于集中冷站项目,鉴于其区域重要性,应加强消防措施,仅设消火栓不足以及时扑灭冷却塔火灾,应加设自动灭火系统,按美国规范NFPA-214要求逆流式冷却塔风扇下的布水强度设计流量为20.4L/(min·m²),作用面积未查到。考虑到冷却塔主要材质为塑料,故开始的想法是参照《自动喷水灭火系统设计规范》中丙类厂房的设计参数,即为中危II级,作用面积160m²。如按此计算则总水量过大。针对冷却塔的实际布置型式,主要为长条形布置,火灾按长向蔓延和扩散。据此,笔者建议,对于此类长条形布置的冷却塔,其作用面积可按事故塔加上相邻塔的总面积来确定。以本项目为例,其作用面积为6.5×4.4×3=85.8(m²),相应设计水量为Q=34L/s,总水量与本项目车库干式系统自动喷水灭火系统水量基本一致。

　　 冷却塔内自动喷水灭火系统可采用闭式或开式系统,其中湿式系统、干式系统、预作用系统和雨淋系统均允许采用。考虑火灾探测等原件及电控阀处于塔内长期潮湿环境下易出现故障,本项目采用闭式湿式系统保护冷却塔,管道内加设防冻管路。做法见图7。

　　 (1)本项目冷却水量较大,在均分为独立的2套冷却水系统后,按设计手册及相应规范的流速和水头损失要求,管径仍需至少DN1 400,管材为焊接钢管。对于此类荷载较大的管道,起吊挂安装是个大问题。为此设计先向结构提资,要求在梁上预埋钢板,用以焊接管道支吊架,特别是在管道拐弯处,其冲击力巨大,必须提前预埋好支撑件。具体做法见图8。同时为便于检修更换,设备层上方均设置电动葫芦,固定电动葫芦也可采用梁上预埋钢板的方式。

　　 (2)由于管径过大,冷却水立管底部的支撑也极其重要,需要承受管道自重、水流惯性力等多种荷载,建议在地面加设支撑,见图9a;同时考虑管道穿楼板处热胀冷缩对结构板的影响,其节点做法见图9b。

　　 近几年,区域集中供冷方兴未艾,很多城市都在推行此类节能措施。对于一个系统运行成规模,且管理比较集中的区域,集中供冷是极具优势的。当然在如何分期实施,如何核算成本收取费用上,有很多值得探讨的地方。如果因不合理的收费或其他非技术因素,导致后期无法推广,这反而是件令人遗憾的事。相关实施部门在进行区域集中供冷立项前,务必先解决此类问题,以充分发挥集中供冷的节能效应。