达实大厦高效冷站冷却塔优化设计及数值模拟

谢辉优 汤本霖 蒋辉华 李承泳

深圳达实智能股份有限公司

随着我国经济的快速发展，大型公建不断涌现，各个地区空调建筑广泛采用电制冷主机，无可避免的需要用到冷却塔。有些隐患问题也随之而来，例如冷却塔排出的湿热空气在低温或高湿的环境中，水蒸气会发生冷凝而形成白雾，对周围环境造成不良影响。同时冷却塔群之间由于间隔较近造成回流现象增加了运行能耗，进而造成运行成本的增加。

1 工程概况

本项目是达实智能大厦的改扩建工程，位于深圳市南山区，项目包括一座原有大楼及一栋新建塔楼，原有大楼作为新建塔楼的裙楼。新建塔楼地上共40层，地下4层，建筑面积超过8万m2，地上塔楼建筑高度200 m，设计及实施为：双标准（绿色建筑设计标准、绿色建筑运营标准）、三认证（美国LEED-CS认证铂金级、中国绿色建筑认证三星级、深圳绿色建筑认证铂金级）的绿色建筑。总冷量3200 RT，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2880 m3/h，选用方形横流式冷却塔16台，单台水量180 m3/h。

2 冷却塔的选型

冷却塔的选型计算受诸多因素的影响[1]，稍有疏忽就会造成能耗的增加，甚至影响整个空调系统的正常运行。

1）主导风向对冷却塔效率的影响

在夏季，我国大多数地区主导风向都是偏南风。如果冷却塔进风方向与本地主导风向基本吻合的话是最理想的布置形式。有时受场地限制，冷却塔进风方向与本地主导风向甚至是基本垂直的。达实智能大厦项目冷却塔的布置满足进风方向与深圳本地主导风向基本一致的条件。冷却塔组合长度越长，空气自然风速越小，风向与冷却塔进风口夹角越小，对后排冷却塔的进风越不利。对于主要靠对流降温的机械通风冷却塔来讲，降温效果也就越差。在这种情形下，应尽量减小冷却塔的组合长度，且中间留有0.6～0.8倍冷却塔宽度的间隙，以改善气流冷却条件。

2）冷却塔进出水温差与制冷主机制冷效率影响

达实智能大厦项目冷却塔设计参数：进口水温37℃，出口水温32℃，室外湿球温度28℃。根据逆卡诺循环原理可知，制冷效率随着制冷机冷却水的进口温度降低而增大。为保证较高的制冷效率，应尽量使冷却水的进口温度降低。冷却水进口温度过低时需要大幅提升冷却塔的冷却能力，这样不但会增大初始投资，也可能造成整个系统的能耗增加。

3 冷却塔白烟的产生和消除机理

冷却塔产生的白烟即为冷却塔排气与室外空气混合产生的白雾[2]，其产生机理如图1所示。假设排出冷却塔空气状态点为I，外界空气状态点为O，混合点为M，随着湿热空气从冷却塔中排出与环境空气混合，在焓湿图上M点从I延IO线移动至O。在焓湿图上，若M点经过饱和区，即混合过程线与饱和空气线相交，则水蒸气冷凝成水珠，产生白雾现象。

图1 冷却塔白烟产生机理的焓湿图

图2 冷却塔不白雾产生的焓湿图

消除白烟机理如图2所示。若混合过程线与饱和空气线不相交，则水蒸气不会发生冷凝。要达到这个效果需要提高I点的温度。

达实智能大厦项目根据深圳市气象条件选用防白烟型方形横流冷却塔。根据气象资料可知，深圳市夏季室外空气相对湿度一般在80%以上，室外平均温度在28℃以上，选用防白烟型方形横流冷却塔可以有效防止白烟的出现。

4 冷却塔噪声测定

随着城市的发展进步以及人们环境理念的提升，人们对声环境质量的要求日益提高，冷却塔噪声污染越来越受到公众关注。在环境影响评价工作中，冷却塔的选型、设置位置、降噪措施等都会对周围声环境产生重要影响[3]，因此，民用建筑中冷却塔噪声评价应重点考虑以上因素，最大程度地降低噪声污染。

4.1 噪声来源

冷却塔噪声源主要有：风机进排气噪声，淋水噪声，风机减速器和电动机噪声，冷却塔水泵，配管和阀门噪声。其中以前两者为主要噪声成分，排气口噪声比进气口噪声约高10 dB(A)。由相关分析知，冷却塔出风口的噪声影响最大，为防治重点。

4.2 达实智能大厦冷却塔噪声测定

图3为噪声测量点位置，表1为测定的噪声值。

图3 冷却塔噪音值测量点位置

根据相关资料[4]显示，在无任何遮挡措施下，冷却塔噪声会对周围环境产生一定的影响。持续的高分贝噪声有可能破坏人的听觉器官及神经系统，长期处于强噪声环境下，人会出现记忆力减退、失眠等症状，因此，需要采取相应的降噪措施。达实智能大厦在冷却塔选型时就特别注重噪音对周边环境的影响，选用超低噪音冷却塔，并要求单台风机噪音：≤54.5±2 dB(A)（测量点：距CT脚高1.5 m，进风侧10 m远）。根据住宅楼所在区域声环境质量标准[5]，冷却塔噪声衰减至住宅楼处应满足相应的标准值，标准值见表2。

表1 噪音值表（dB(A)）

表2 环境噪声限值（dB(A)）

根据以上测定值可以得出，达实智能大厦冷却塔噪声满足1类功能区类别。

5 冷却塔气流组织数值模拟

达实智能大厦冷却塔总的布置原则是利用建筑物的形体特点，区分冷却塔的进风和排风，避免进排风气流的短路。为了验证冷却塔布置的结果，设计中利用CFD进行气流速度场的模拟。

5.1 网格划分

根据总平面图纸中给出的轮廓做相应的简化处理。计算区域的选取以不影响冷却塔边界气流流动为准，根据相关工程经验并做模拟试算后，确定设置外场计算尺寸为116 m×62 m×40 m（长×宽×高）。网格划分如图4～5所示：

图4 计算区域网格划分

图5 冷却塔及周围网格划分

5.2 模拟结果

模拟结果如6所示。从模拟结果可以看出，进风和排风可以避免短路，从而保证冷却塔的使用效果。

图6 冷却塔CFD气流组织模拟

6 总结

本文根据达实智能大厦案例阐述了高效冷站冷却塔选型，防白烟，噪音防治及气流组织在设计时需要注意的因素及解决的问题。在冷却塔选型及防白烟时需要结合当地气象条件，如全年主导风向和室外空气温湿度，才能较大限度降低能耗。冷却塔的气流组织对其冷却能力有较大影响，如设计不善造成回流现象严重将时冷水机组冷却水进水温度升高，使机组能效降低，在设计时一定要根据实际情况合理布置，防止冷却塔出风回流。