近年来，在建筑节能的大趋势下，冷却塔供冷技术越来越多地应用到工程设计中。国内规范和美国ASHRAE标准均提到利用冷却塔供冷来达到节能的目的，ASHRAE标准还给出了具体设计要求。从近年来国内外部分文献的研究来看，对该技术的研究主要体现在：1) 不同地域冷却塔供冷节能率和可用时长的对比研究；2) 冷却塔用于供冷时设备热工性能研究。

剧场建筑是一种较典型的建筑类型，由于其观众厅、舞台、化妆间、排练厅、办公室等一般处于建筑内区，常年需要供冷，在气候条件满足时存在利用冷却塔供冷的可能。本文以南京某大剧院项目为例，对在该项目中运用冷却塔供冷的设计进行分析。

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1 冷却塔供冷的原理和分类

1.1 原理

冷却塔供冷是指在常规空调水系统基础上增设部分管路和设备，当室外湿球温度降低到某个值以下时，关闭制冷机组，利用流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调系统供冷。由于冷却塔、水泵等设备运行仍然需要消耗电能，冷却塔供冷并不是绝对意义上的免费，但其减少了开启制冷机组所需要的能耗，所以可以相对地将其视为“免费”的供冷形式。国外又将冷却塔供冷称为水侧经济器(water side economizer)。

图1显示了逆流型冷却塔冷却水侧温度与空气侧温度的关系。冷却塔换热过程中，冷却水从A点沿曲线AB降温到B点，空气则从C点沿曲线CD变化到D点，冷却塔的出口(B点)水温与进入冷却塔(C点)空气的湿球温度之间的差值称为冷却塔的冷幅。理论上当冷却水和空气的换热过程接近无限长时，冷幅趋近于零，即冷却塔出口水温和入口空气湿球温度相同。空气湿球温度往往被视为判断冷却塔出口水温的依据。

在过渡季和冬季，随着室外气温下降，室内的冷负荷和湿负荷也不断减小，适当提高冷水温度也能满足过渡季和冬季的空调负荷需求，这为冷却塔提供空调冷水创造了机会。利用冷却塔代替制冷机供冷，可以减少或停止过渡季和冬季制冷机的运行，减少建筑能耗，降低空调运行费用。

1.2 分类

冷却塔供冷按照冷却水循环系统和冷水循环系统是否分开，分为直接供冷和间接供冷2种类型。

1.2.1 冷却塔直接供冷

冷却塔直接供冷系统就是通过旁通管道，将冷水环路和冷却水环路连接起来，使经冷却塔降温后的冷却水直接为空调冷水循环系统使用，如图2所示。冷却塔直接供冷的最大缺点在于水质问题，可以通过采用闭式冷却塔解决。但采用闭式冷却塔传热效果相对较差，同时增加了投资和设备占据空间。

1.2.2 冷却塔间接供冷

冷却塔间接供冷系统如图3所示，通过加装一个板式换热器与制冷机组并联，从冷却塔来的冷却水通过板式换热器与另一侧的封闭式冷水进行换热，提供建筑所需的低温冷水。冷却塔间接供冷对能量的利用效率不如直接供冷系统，且需要同时运行冷水泵和冷却水泵，另外增加了换热器、阀门和控制系统的投资。

冷却塔间接供冷的另一种形式是通过制冷机组内的制冷剂迁移循环来提供空调冷水系统所需的冷量，如图4所示。夏季，制冷机组及空调水系统与常规运行模式相同；过渡季或冬季，冷凝器和蒸发器之间的阀门打开，制冷剂蒸气进入到冷凝器，同时液态制冷剂依靠重力流回到蒸发器，此时压缩机不运行。

工程中出于对系统的安全可靠性和水质考虑，空调设计多采用图3所示的冷却塔间接供冷形式。下文介绍的冷却塔供冷系统就是采用这种形式。

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2 项目概况

该剧院项目为集演艺、展示、娱乐等功能于一体的大型文化综合体，位于南京河西新城核心区。项目总建筑面积26.1万m2，其中地上面积16.6万m2，地下面积9.5万m2；建筑高度47.185 m，地上7层、地下1层，属高层公共建筑。该项目在建设规模、建筑功能、建造标准上均达到一流标准，是现代剧场建筑的典型，图5为项目的鸟瞰效果图。

项目按照功能划分为公共区、歌剧厅(2 290座)、音乐厅(1 487座)、戏剧厅(991座)和综艺厅(2 700座大厅+774座小厅)共5个区域。根据观众容量规模，该项目属于大型剧场，为甲级剧场建筑。

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3 冷却塔供冷设计

3.1 影响冷却塔供冷的主要因素

冷却塔供冷量的计算式如下：

式中 QTC为冷却塔供冷量，kW；GT为冷却塔的流量，m3/h；Cw为水的比热容，kJ/(kg·K)；tw1,c和tw2,c分别为冷却塔的入口和出口水温，℃。

从式(1)可以看出，冷却塔的流量、进出口水温差和冷却塔出口水温为影响冷却塔供冷的主要因素。

冷却塔出口水温由室外气象条件确定，而冷却塔的流量和进出口温差又与冷却塔自身的热工性能相关，能否提供系统需要的冷水供水温度是决定是否采用冷却塔供冷的前提。下面分别对室外气象条件、冷却塔热工性能和冷水供水温度3个影响冷却塔供冷的主要因素进行介绍。

3.1.1 室外气象条件

如前所述，冷却塔的出口水温主要与环境空气湿球温度有关，冷却塔出口水温理论上的极限值是冷却塔入口空气的湿球温度。从冷却塔中冷却水与空气的换热原理可知，室外空气的湿球温度越低，能够获取的冷却塔的出口水温也就越低。因此，要得到空调系统能够利用的低温冷水，必须在冷却水侧获得足够低的冷却塔出口水温，而这是由冷却塔所处环境空气的湿球温度所决定的。

室外湿球温度全年不断变化，以该项目所处的南京为例，图6显示了南京全年室外空气湿球温度。南京的夏季湿球温度最高达到32.75 ℃，而冬季最低则只有－9.36 ℃。可以看出，要获得较低的冷却塔出口水温，只能发生在湿球温度较低的冬季和过渡季。

是否采用冷却塔供冷还要看全年具有较低室外湿球温度的时长，尤其项目运营时间内满足要求的时长。根据笔者在2014年对北京、上海、江苏等地一些剧场建筑的调研情况来看，有的剧场全天持续有演出排片，有的则相对较少。为方便进一步分析，假定剧院的运营时间为09：00—22：00(对运营时间假定的目的是简化分析过程，需注意此假定可能使冷却塔免费供冷节能率计算结果趋于乐观)，将全年逐时湿球温度按分级的温度区间进行时长统计，结果见图7。由图7可知，湿球温度低于10 ℃的时长占全年运营时间的39%；低于5 ℃的时长占全年运营时间的24%。

3.1.2 冷却塔的热工性能

冬季的室外温度较低，冷却塔中水与空气的蒸发传热量和总传热量较小，这与夏季工况有较大的区别。

冷却塔供冷设计需要冷却塔在全年不同湿球温度下的热工性能曲线，但目前大部分冷却塔供应商却不能提供。关于冷却塔热工性能曲线，目前研究中较多采用的是ASHRAE手册中的基于空调工况、中等容量横流式冷却塔的热工性能曲线，这些曲线表示了冷却塔的流量、出口水温、冷却塔进出口水温差、空气湿球温度之间的关系。

从ASHRAE手册中的冷却塔热工性能曲线可知，要得到出水温度一定的冷却水，冷却塔进出口水温差取值越大所需要的环境空气湿球温度越低。同时，较小的冷却塔流量在相同的冷却塔进出口水温差和环境湿球温度情况下能够获得更低的冷却塔出口水温，或者说冷却塔流量越大、需要的环境空气湿球温度越低，会导致冷却塔供冷的时间越少。通常，冷却塔按照夏季空调工况选定后，其结构型式已被确定，此时了解冷却塔的热工特性对冷却塔供冷设计显得尤为重要。从冷却塔的热工特性来看，冷却塔供冷可以通过减小冷却塔供回水温差或减小冷却塔的运行流量来达到制取温度满足要求的冷水和延长冷却塔供冷时间的目的。

3.1.3 冷水供水温度要求

冷却塔间接供冷的水系统分为冷却水环路和冷水环路。冷却水经冷却塔降温后，被送至换热器与冷水换热，然后再被送至冷却塔排出从冷水侧带进来的热量。图8显示了上述过程冷却塔和换热器的进出口温度关系。显然，提供给空调系统的冷水温度等于室外环境空气的湿球温度加上冷幅和换热温差。冷幅和换热温差越小，越有利于冷却塔供冷。

冷幅是由冷却塔自身的结构型式所决定的。根据《Saving energy with cooling tower》，冷幅越小，冷却塔初投资越大，减少制冷机组耗电的同时会增加冷却塔风机和冷却水泵的耗电。

工程中用于冷却塔供冷的换热器通常选择板式换热器，其换热温差最小可以达到1 ℃。板式换热器的换热温差越小，换热器的初投资越大。国外学者从降低投资考虑，推荐板式换热器的换热温差取1.7 ℃。

冷水供水温度的取值会影响冷却塔的可利用时长。《全国民用建筑工程设计技术措施 节能专篇 暖通空调·动力》指出：末端盘管的供冷能力，应在所能获得的空调冷水的最高计算供水温度和供回水温差条件下，满足冬季冷负荷需求，宜尽可能提高计算供水温度，延长冷却塔供冷的时间。因此，进行冷却塔供冷分析前，应首先确定空调冷水需要的最高供水温度。

参照《冷却塔供冷系统的设计方法》，以下从内区负荷特性、新风供冷能力、空调供水温度提高与盘管供冷能力下降之间的关系来分析所需冷水最高供水温度的取值。以剧场建筑中比较典型的内区房间为例，这些房间因为卫生要求需要一定的新风量，在过渡季或冬季可获得免费的新风冷量，减小了室内空调末端需要处理的冷负荷，空调末端表冷器也只需处理其选型冷量的一部分，故可以提高此时末端的冷水供水温度。表1给出了剧场建筑中观众厅、舞台、排练厅、化妆间、办公室5种典型功能内区产生的冷负荷和新风供冷能力的计算结果(取该项目相同功能房间不少于5个样本的平均值)。

由表1可知，在室外气温低于15 ℃时，扣除新风提供的冷量后，这些典型内区房间需要表冷器提供的供冷量，对于采用全空气系统的观众厅、舞台、排练厅最多只占65%，而对于采用风机盘管系统的化妆间、办公室最多只占57%(为使计算简便，下文取60%)。观众厅和舞台的新风供冷已经能够满足观众厅的室内冷负荷需求。内区的冷负荷大多以显热负荷为主，夏季空调供冷时表冷器的干球温度效率Eg为

式中 △t为处理空气的初、终状态温差，℃；t1为空气的初始状态温度，℃；tw1为表冷器进水温度，℃。

另设冷却塔供冷时表冷器干球温度效率Eg’为

式中各参数意义与夏季空调供冷时对应相同。

由于表冷器已经选定，那么Eg=Eg’，则有

对于风机盘管加新风系统，由于新风单独处理，表冷器空气的初始状态温度t1就是室内设计温度；而对于全空气系统，初始状态温度t1则是室内空气与新风混合后的状态点温度。下面分别就这2种情况进行讨论。

1) 风机盘管的进水温度。

在式(4)中，t1 =t1’ =25 ℃，采用风机盘管系统的功能房间主要是化妆间和办公室，由表1可知，如果计入新风供冷量，风机盘管在室外干球温度低于15 ℃时最多只需提供不到夏季工况60%的供冷量即可，即△t’/△t≥0.60，将上述数值和关系代入式(4)中可得

从上式可求解出tw1’≤13.6 ℃。也就是说，风机盘管所需的冷水供水温度不高于13.6 ℃时即可满足室内的供冷需求。

2) 全空气系统的进水温度。

全空气系统空调机组的进风温度为

式中 k为系统新风比；tn为室内空气温度，℃；to为室外空气温度，℃。

将式(4)，(6)联立求解可得

上式中tn=tn’=25 ℃，室外计算温度to取35 ℃，夏季表冷器进水温度为6 ℃，过渡季或冬季室内外温差(to’－tn’)按假定取10 ℃。将这些值代入式(7)可得

以排练厅为例，排练厅的△t’/△t≥0.65，排练厅全空气系统的新风比为0.22，代入式(8)后计算得到tw1’≤9.02 ℃。

按照上述分析，假设以占剧院内区绝大部分面积的典型房间来代表内区整体情况，则不管是全空气系统还是风机盘管系统，在过渡季和冬季只要满足室内外温差在10 ℃以上且冷水的供水温度不高于9 ℃就可以满足内区的供冷需求。

实际上，要利用冷却塔供冷提供9 ℃的空调冷水，室外空气温度已经相当低，室内外温差早已大于10 ℃，新风提供冷量变大，盘管需要处理的负荷比表1中计算值更低。这种简化计算的方法得到的冷水供水温度对于工程应用来说相对可靠、安全，故该项目中将9 ℃设定为冷水供水温度上限，用作冷却塔供冷的分析。

3.2 冷却塔供冷计算

3.2.1 冷却塔供冷负荷的确定

该项目夏季设计总冷负荷为22 192 kW，冬季或过渡季(11月至次年3月)内区的设计冷负荷最大值为6 892 kW。如果冬季或过渡季内区可同时利用新风供冷和冷却塔供冷，那么冷却塔提供的冷量应为设计冷负荷减去新风的供冷量。

根据上节分析，冷却塔供冷的冷负荷为室内总冷负荷减去新风供冷量。图9显示了减去新风供冷量后的建筑逐时剩余冷负荷。

显然，冷却塔供冷的负荷不可能按照全年时间范围内的建筑剩余冷负荷来考虑，夏季冷却塔无法提供免费冷量。根据冷却塔可供冷时期内的建筑剩余冷负荷确定需要冷却塔处理的负荷。按照供水温度为9 ℃，如果考虑换热器的换热温差为1 ℃，冷却塔的冷幅为2 ℃，则湿球温度至少要低于6 ℃才能满足供冷时的冷水温度要求。图10显示了南京全年每月室外空气湿球温度低于6 ℃的时长。可以看出，满足湿球温度低于6 ℃的月份主要集中在1—3月和11，12月，因此可根据这5个月的建筑剩余冷负荷来分析冷却塔需要提供的冷量。

对图10中这5个月中室外湿球温度低于6 ℃的建筑剩余冷负荷进行统计，由于室外气候条件的影响，冷却塔供冷设计冷负荷的最小值为782 kW，平均值为1 814 kW，最大值为3 990 kW，变化幅度较大。为了更合理地确定冷却塔供冷系统的负荷，再将1—3月和11，12月中剩余冷负荷用所占时长百分比表示，如图11所示。

由图11可见，减去新风负荷后的建筑冷负荷小于2 300 kW的时长约占满足供冷要求总时长的80%，小于2 900 kW的时长约占95%。在确定冷却塔供冷负荷时，可以采取一定百分比不满足率的方法。如果湿球温度低于6 ℃的总时长不满足率取10%，剩余冷负荷最大值约为2 700 kW。需要注意，这只是按照负荷出现的概率确定冷却塔供冷负荷总量，冷却塔供冷量仍需要按实际的逐时室外湿球温度进行计算。

3.2.2 项目设计情况

该项目冷却水及冷水系统的设计参数如表2所示。

从表2可以看出，夏季工况峰值负荷配备5组冷却塔(四大一小)、冷却水泵和冷水泵，为减少设备数量和投资，利用夏季工况时流量较大的冷却塔及水泵提供冷却塔供冷，这时冷却塔排热与建筑剩余冷负荷相同，冷水供水温度取9 ℃，于是可计算出冷水回水温度为13 ℃。假设冷却塔的流量不变，板式换热器的换热温差取1 ℃，可得到冷却塔出口水温为8 ℃，于是可根据负荷计算出冷却塔的进出口水温差为2.4 ℃，即冷却塔进口水温为10.4 ℃。再根据冷却塔出口水温8 ℃和进出水温差2.4 ℃，查《ASHRAE handbook—HVAC systems and equipment》中100%流量冷却塔热工性能曲线可知，此时湿球温度约为3 ℃，也就是说，湿球温度低于3 ℃才能满足系统提供不低于9 ℃的空调冷水要求。

图12为该项目的冷源部分系统示意图。从图12可以看出，与制冷机组、冷水泵、冷却塔和冷却水泵相关的系统、管道全部按照夏季工况进行设计，冷却塔供冷仅在冷水机组处并联了板式换热器。夏季工况时，板式换热器两侧的电动阀关闭，系统按照正常机械制冷模式运行。当室外湿球温度降低到冷却塔可以提供空调系统冷水时，关闭制冷机组冷却水侧和冷水侧的电动阀，将板式换热器两侧的电动阀打开，使冷却塔提供的低温冷却水直接和空调冷水进行换热，冷水泵再将空调冷水送至用户侧使用。

3.3 冷却塔供冷设计流程

该项目冷却塔供冷的设计流程如表3所示。

工程中为了不增加设备和初投资，冷却塔在免费供冷运行时，往往利用夏季空调工况所选用的冷却塔、冷却水泵和冷水泵。这样除了节省投资外，也使冷却塔供冷的计算得到了简化。

工程中冷却塔往往都是多台塔并联连接，为供冷时减小通过每台塔的流量创造了条件，也为冷却塔免费供冷的运行提供了更多的选择。下文节能分析部分也会对比分析冷却塔流量变化对可用时长和节能量的影响。

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4 冷却塔供冷节能分析

4.1 可用时长

确定冷却塔供冷的可用时长可用以下方法：1) 根据热工性能曲线确定供冷时的湿球温度，确定可用时长；2) 根据厂家提供数据，拟合冷却塔冷幅和湿球温度的关系式，通过冷却塔出水温度和拟合的关系式计算需要的室外湿球温度，以此确定可用时长。由于目前国内冷却塔供应商很难提供冷却塔全年室外气象参数下的热工性能曲线或运行参数，因此，该项目按照方法1进行可用时长分析。

由于冷却塔并联连接，因此供冷时可利用2台冷却塔运行来降低通过塔的流量，从而提高达到相同冷却塔出口水温时需要的室外空气湿球温度。以该项目为例，根据《ASHRAE handbook—HVAC systems and equipment》的冷却塔热工性能曲线，并结合表2中冷却塔出口水温要求为8 ℃，冷却水温差为2.4 ℃，则可以大致得到100%流量需要的环境湿球温度为3 ℃，而50%流量情况下(此时以66%近似替代)需要的环境湿球温度为5 ℃。于是，通过统计全年室外湿球温度低于3 ℃和5 ℃的时长，可以得到满足冷却塔供冷的全年时长。图13为2种流量情况下冷却塔供冷时长月分布图。

由图13可以看出：如果是单塔100%流量运行，该项目的可用时长为821 h，占年运营时间4 745 h的17%；而将通过塔的流量减小到50%以后，可用时长增加到了1 122 h，占全年运营时间的比例也提高到了24%。由此可见，要达到相同的冷却塔出口水温的目的，减小通过冷却塔的流量可以有效增加冷却塔供冷的可用时长。

4.2 节能率

室外湿球温度满足冷却塔供冷条件时，冷却塔的供冷量QTC可由式(1)计算。首先，分析冷却塔100%流量运行时的情况，此时室外湿球温度需要≤3 ℃，冷却塔可以提供给空调系统的冷量为2 700 kW，全年冷却塔供冷的可用时长为821 h，冷却塔全年供冷量可达到2 216 700 kW·h，占建筑全年总冷负荷37 322 599 kW·h的5.94%。如果冷却塔供冷只承担新风供冷后建筑剩余冷负荷，可得到冷却塔实际逐时需要提供的冷量，如图14所示。

汇总图14中冷却塔每小时供冷量，得到全年冷却塔实际能够提供的冷量为1 410 786 kW·h，相当于1台COP为5.6的制冷机组消耗约250 000 kW·h的电量才能提供的冷量，该项目冷却塔供冷的实际节能率为3.8%。如电费按0.8元/(kW·h)考虑，每年至少可节省电费20万元。由于全年总耗冷量基数大，因此节能量和经济效益非常可观。

采用与上述相同的分析方法，如果考虑减小冷却塔流量增加可利用时长，冷却塔50%流量时的逐时免费供冷量如图15所示。该工况下冷却塔的供冷量为1 965 251 kW·h，节能率相应提高到了5.3%左右。

需要注意的是，由于冬季室外温度较低，冷却塔供冷系统还需辅以一定的防冻措施以保证冷却水系统在冬季正常运行。工程中较为常见的是采用管道电伴热方法，此时冷却塔供冷的节能量理论上需减去管道电伴热所消耗的电量。但是，在冬季采用冷水机组供冷时，由于对冷却水有最低温度要求，冷却水系统也需采用电伴热防冻措施。经询问厂家，冷水机组运行的冷却水最低温度为10 ℃。而冷却塔免费供冷时，由表2可知，冷却水的运行温度可低于10 ℃。也就是说，冷却塔供冷的防冻电量消耗低于冷水机组供冷时的防冻电量。因此，冷却塔免费供冷减少的耗电量实际应为：1) 冷水机组的耗电量；2) 冷水机组供冷时冷却水防冻耗电量减去冷却塔供冷时冷却水防冻耗电量。笔者所在单位以往的工程设计中，对管道防冻电伴热的设计方法不尽相同，出于简化分析，本文在节能量计算中未考虑冷却塔供冷减少的防冻耗电量，仅考虑减少的冷水机组耗电量。

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5 结语

本文以某具体项目为案例，对影响冷却塔供冷的室外气候条件、冷却塔热工性能和冷水供水温度进行了分析，并介绍了冷却塔供冷的设计流程。减去新风供冷量后，当冷水供水温度低于9 ℃时，冷却塔供冷可以满足剧院建筑内区房间的供冷需求。工程设计中，可以通过减小冷却塔运行流量来提高满足相同出水温度的室外环境湿球温度，从而增加冷却塔供冷的可用时长，提高节能率。分析该项目可知，在假定运营时间为09：00—22：00条件下，冷却塔供冷的可用时长在冷却塔流量为100%，50%时分别为821，1 122 h，分别占项目运营时间的17%和24%，对应的节能率从3.8%提高到5.3%。需要注意，本文对冷却塔供冷运营时间的假定和冷却塔供冷负荷的分析，与将来实际运营情况相比，可能会使上述节能分析结论趋于乐观。但不难看出，冷却塔供冷技术具有一定的节能效益和经济效益，在实际工程中应注重设计方法并加以分析、推广和运用。