典型夏季工況的壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)中，7℃冷凍水經(jīng)過空調(diào)末端設(shè)備熱交換吸收負(fù)荷側(cè)的熱量后冷凍水溫升至12℃，并在冷水機(jī)組蒸發(fā)器中將熱量傳遞給制冷劑；同時(shí)制冷劑受熱氣化后在壓縮機(jī)中被做功壓縮成高壓高溫氣體后經(jīng)過冷凝器與29℃的冷卻水進(jìn)行熱交換，冷卻水帶走冷凝器中制冷劑熱量后溫升至35℃，最終在冷卻水塔內(nèi)將熱量傳給外界空氣后形成溫降。圖中，冷卻水流量為3加侖每分鐘每冷頓（0.182 升每秒冷頓），冷凍水流量為2.4加侖每分鐘每冷頓（0.227升每秒冷頓）。值得注意的是，冷卻水流量和冷凍水流量之間的差別反映了冷卻水與大氣的換熱量超過冷凍水在負(fù)荷側(cè)吸收的熱量，這是因?yàn)閴嚎s機(jī)的壓縮做功工況產(chǎn)生的額外熱量需要向外界傳遞；所以冷卻水塔必須帶走125%的負(fù)荷側(cè)熱量。
壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)中冷卻水塔出水溫度和外界濕球溫度、負(fù)荷之間的關(guān)系。從圖中可以清楚地看出，隨著室外環(huán)境濕球溫度下降或者室內(nèi)負(fù)荷下降，冷卻水塔出水溫度也相應(yīng)下降。特別是過渡季節(jié)和冬季，當(dāng)室外環(huán)境濕球溫度足夠低的條件下，冷卻水塔出水溫度可以滿足空調(diào)系統(tǒng)的制冷需求；也就是說在這個(gè)時(shí)期，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)配備有適當(dāng)管路系統(tǒng)，空調(diào)末端設(shè)備就可以直接使用冷卻水塔出水處理室內(nèi)負(fù)荷，而不必啟動(dòng)冷水機(jī)組壓縮機(jī)，節(jié)約了壓縮機(jī)和冷凍水泵等的運(yùn)行費(fèi)用，這就是所謂的冷卻水塔免費(fèi)制冷的概念。
考慮到負(fù)荷實(shí)際情況和冷水溫度要求，從圖2可以看出室外濕球溫度必須小于10℃，冷卻水塔免費(fèi)制冷才能得到應(yīng)用。因此冷卻水塔免費(fèi)制冷的應(yīng)用極大受制于外界環(huán)境條件。在北緯地區(qū)，年平均溫度變化明顯，所以冷卻水塔免費(fèi)制冷的時(shí)間可能占全年運(yùn)行時(shí)間的75%。相反，在低緯度的南部氣候條件下，在濕球溫度的限制下，冷卻水塔免費(fèi)制冷的利用時(shí)間僅為全年運(yùn)行時(shí)間的20%。同樣室內(nèi)負(fù)荷的變化也將影響冷卻水塔免費(fèi)制冷的利用，圖2 中當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷下降50%時(shí)（典型的過渡季節(jié)舒適性空調(diào)工），冷卻水塔免費(fèi)制冷模式下所利用的冷卻水塔出水溫度將高于全負(fù)荷工況下的冷卻水塔出水溫度10℃；也就是說室內(nèi)負(fù)荷越小，冷卻水塔免費(fèi)制冷適用條件越寬。從地理?xiàng)l件出發(fā)，這一因素將使得冷卻水塔免費(fèi)制冷的全年使用時(shí)間上升500 小時(shí)至2000 小時(shí)。
通常冷卻水塔免費(fèi)制冷模式分為兩類：直接免費(fèi)制冷和間接免費(fèi)制冷
直接免費(fèi)制冷
直接免費(fèi)制冷是最簡單、熱效率最高的形式，然而也是最不宜推廣的形式。如圖3 所示：直接免費(fèi)制冷系統(tǒng)通過一個(gè)簡單的旁通管路連接冷凝器和蒸發(fā)器水系統(tǒng)，將冷卻水塔和系統(tǒng)負(fù)荷銜接起來。圖中的虛線表明冷卻水塔免費(fèi)制冷冷卻水運(yùn)行線路。
由于直接免費(fèi)制冷兩套水系統(tǒng)中未設(shè)置熱交換器，冷卻水塔的性能直接影響室內(nèi)負(fù)荷。顯然兩套水系統(tǒng)循環(huán)水泵中的只有一套能夠運(yùn)行，一般情況下，往往使用冷卻水泵組。這樣就確保了冷卻水塔運(yùn)行的揚(yáng)程和流量，維持在設(shè)計(jì)工況袁因此也保證了其運(yùn)行效率。
假設(shè)負(fù)荷維持不變，冷卻水塔出水溫度為14℃是可接受的，此時(shí)12000 BTU/hr/ton 下的冷水溫升為4℃，所以冷卻水塔進(jìn)水溫度為18℃。分析圖2，可以發(fā)現(xiàn)在美國堪薩斯地區(qū)，室內(nèi)全負(fù)荷條件下，冷卻水塔出水溫度為14℃的外界濕球溫度為5℃，全年大約有3475小時(shí)能夠提供冷卻水塔免費(fèi)制冷模式。室內(nèi)半負(fù)荷條件下，冷卻水塔出水溫度為14℃的外界濕球溫度為9.5℃，全年大約有4570小時(shí)能夠提供冷卻水塔免費(fèi)制冷模式。該例說明了室內(nèi)負(fù)荷與冷卻水塔免費(fèi)制冷適用條件之間的反比關(guān)式水系統(tǒng)連通，摻混后水系統(tǒng)中水質(zhì)問題會(huì)對(duì)運(yùn)行造成影響，所以應(yīng)用直接免費(fèi)制冷模式時(shí)，必須安裝特殊過濾裝置防止水垢生成。
間接免費(fèi)制冷
間接免費(fèi)制冷系統(tǒng)通過安裝簡單的熱交換器，管路平行連接旁通冷水機(jī)組（見圖4），得以實(shí)現(xiàn)冷卻水塔免費(fèi)制冷而不受水系統(tǒng)水質(zhì)問題影響。鑒于水系統(tǒng)的較小溫差和壓力，可以選用板式熱交換器，因?yàn)榘迨綗峤粨Q器能夠在小溫差下正常熱交換。如圖4，全負(fù)荷工況免費(fèi)制冷模式下，負(fù)荷側(cè)溫差為10℃，冷卻水塔側(cè)溫差為8℃，這是由于兩套水系統(tǒng)間流量的差異造成的。然而假設(shè)熱交換器的傳熱溫差2℃，則冷卻水塔需要產(chǎn)生12℃的冷卻水，才能保證負(fù)荷側(cè)的14℃的冷凍水。在此情況下，全負(fù)荷下，冷卻水塔免費(fèi)制冷全年運(yùn)行時(shí)間為2670 小時(shí)。半負(fù)荷下，冷卻水塔免費(fèi)制冷全年運(yùn)行時(shí)間為4025小時(shí)。
如果選用更加昂貴的2 華氏溫度差的熱交換器，半負(fù)荷、全負(fù)荷下冷卻水塔免費(fèi)制冷的運(yùn)行時(shí)間將分別增加275小時(shí)和400 小時(shí)。同時(shí)也應(yīng)考慮熱交換器的壓降，冷卻水塔側(cè)熱交換器的壓降不能高于冷凝器的壓降，否則冷卻水塔的水流量將減少，運(yùn)行效率將下降。所以，選擇熱交換器應(yīng)同時(shí)考慮壓力和溫度要求。
相對(duì)于直接免費(fèi)制冷，間接免費(fèi)制冷最顯著的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行中大量減少了冷水機(jī)組的清潔和維護(hù)內(nèi)容。
推廣應(yīng)用冷卻水塔免費(fèi)制冷的根本目的是利用冷卻水塔延長空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，在停用冷水機(jī)組壓縮機(jī)情況下，控制室內(nèi)發(fā)熱負(fù)荷，減少運(yùn)行成本。因此在許多地區(qū)過渡季節(jié)和冬季，如果當(dāng)?shù)厮礂l件允許情況下，針對(duì)建筑內(nèi)區(qū)發(fā)熱負(fù)荷特點(diǎn)，均可以采用冷卻水塔免費(fèi)制冷，以維持室內(nèi)舒適性。當(dāng)然也要綜合評(píng)價(jià)冷卻水塔免費(fèi)制冷的設(shè)備投資與節(jié)能潛力，選擇合理的解決方案。
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