机械通风冷却塔与无风机冷却塔分析报告.docx
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机械通风冷却塔与无风机冷却塔分析报告
郴州项目中央空调
无风机冷却塔与机械通风冷却塔
从初投资成本和性能及后期运行维护成本分析
湖南美世界物业管理有限公司
暖通工程师：
吴超彪
1结构方式与冷却原理-2-
1.1无风机冷却塔-2-
1.2机械通风冷却塔-2-
2环境适应性评价-2-
3热力性能评价-3-
4噪音评价-3-
5耗水量分析-4-
6控制方式与节能途径-5-
6.1无风机冷却塔-5-
6.2机械通风冷却塔-5-
7综合运行能耗分析-5-
7.1机械通风冷却塔配套风机电机的功率确定-5-
7.2两种塔进水压力比较-5-
7.3水泵及其电机能耗-6-
7.4综合能耗比较-6-
7.5小结-7-
8综合维护评价-7-
9占地面积评价-7-
10成本和市场占有率评价-7-
11结论-8-
机械通风冷却塔与无风机冷却塔分析报告
1结构方式与冷却原理
1.1无风机冷却塔
无风机塔利用特殊结构的喷嘴和扩散器，将循环冷却水喷射成为细微的水滴（水滴的粒径几乎小于50um），这些水滴与吸热上升的空气接触时，增加了接触面积，在混合过程中发生动能转化，从而能有效的进行换热，冷却水落至填料层后与进入塔内的空气进行二次热交换来完成冷却水散热量的要求。
存在问题：
A、因为塔内的空气是自然流动，流动速度比较低，塔内湿热空气残留较多导致湿球温比外界自然环境高，热力性能变化较大，得不到强制保证。
B、单位体积的散热能力较差，因此无风机冷却塔的内部须填料体积较大，塔体大。
以流量100T/h的塔为例，无风机塔的体积就是机械抽风塔的1.6-2.0倍。
1.2机械通风冷却塔
机械通风冷却塔空气的流动是依靠风机的转动来驱动的，流动速度大，空气的流量也较大，不易使塔内外的湿球温度发生变化；进出风口面积的不一样，进出风口的风速也不一样，形成塔内外有明显的压差，对诱导冷却水的蒸发形成有利前提条件；单位体积的散热效率高，填料的体积也会比无风机冷却塔小的多，设备整体体积小、占地面积小。
重力式散水设计，水膜分布均匀，距离大，不易阻塞结垢；重力自然落下之散水系统，压力低，水流速度缓慢，散水均匀，无水滴声，增加水流在散热片的停留时间，热交换效果非常好。
机械通风冷却塔现是目前市场主导设计、使用方向。
2环境适应性评价
环境适应性指的是冷却塔可以根据气候条件、系统运行负荷变化来调节自己运行方式的能力和条件。
表1环境适应性比较
无风机冷却塔
机械通风方形横流冷却塔
环境温度
无风机塔中空气是依靠热气流来提升，交换的是潜热，这就对空气的湿度有要求。
如果外界状况稍微偏离设计状况（例如：
外界湿球温度变高，外界的风速），无风机塔的额定自我调节能力就会变差，其热力性能会迅速受到影响。
机械通风冷却塔在环境湿球温度变化或空调机组负荷变化时，可以通过对电机功率或风机转速、风机叶轮角度的调节，来满足工况变化要求，适应性非常强。
运行水质
无风机塔利用利用特殊结构的喷嘴来产生细微水滴，这对于水质要求特别高，由于一部分水滴的蒸发会使循环冷却水中的矿物质和其他杂质留下来，这些物质极易堵塞很微小的喷嘴孔径。
维护成本高。
采用重力自然池式布水，配水池水平，孔口光滑，积水深度为200mm。
选用口径较大的横流塔专门布水喷头，低水压设计（20mmH2O），其优点是防止堵塞、布水均匀，另外播水盆上加设盆盖，有效地防止杂物进入冷却水系统造成水污染，有效避免频繁清洗布水盘的麻烦。
由表1对比分析可知，机械通风冷却塔的环境适应性明显要强于无风机冷却塔。
3热力性能评价
冷却塔的热力性能是中央空调系统效果的保证，冷却塔的热力性能取决于出风量、进风量、湿球温度、换热面积等因素，现就这些因素比较如下：
冷却塔的热力性能影响因素
表2环境适应性比较
影响冷效的因素
无风机冷却塔
机械抽风式冷却塔
进风量
因多（≥3台时）台拚装，进风面只有原来的67%，风量实际运行中只有原设计的67%
机械横流塔不会因拚装影响进风面积。
出风量
由外部自然环境决定出风量，而且无法调节，实际出风量≤设计出风量
由电机驱动，强制出风，改变风叶角度，可满足不同工况。
实际出风量≥设计出风量
出风回流
出风口风速≤3.5m/s，低于夏季平均风速，因此受外界影响，存在出风回流的效率隐患
机械抽风时，出风口风速≥7-8m/s，出风高，迅速扩散不存在回流。
湿球温度
受进风、出风、回流方面的影响，塔内湿球温度高于外界自然环境，填料散热进一步困难，风吸收水蒸汽能力变差。
塔内湿球温度≥自然湿球温度
塔内外压差较大，塔内冷却水蒸发条件相对较好。
塔内湿球温度≤自然湿球温度
水流场空间
因高速向上喷射，带动空气流动，需要设备空间较大，体积较机力塔大40%
水直接经过喷头进入填料换热，设备体积较小只有无风机的60%
可调节性
无法调节
可以调节
性能衰减趋势
实际性能是设计性能的50-100%
实际性能是设计性能的95-100%
风险评估
有严重的热力性能隐患
无热力性能隐患
由表2可以看出，无风机冷却塔的热力性能完全受外界因素影响，热力性能较难保证达到设计额定性能；而机械抽风式则完全可以避免这些不利因素而保证系统出力。
4噪音评价
无风机冷却塔素以“无能耗、无噪音”做为自身特点，但其高压喷射的水声却是较大的，同时颗粒水经2-3米高回落到填料的冲击声及填料到集水盆的3米滴水声却相当大。
比较机械抽风其优势也不是非常明显。
小系统实测噪音值基本相当，大系统也只不超过5dB（A）的差距，而且在冷却塔摆放位置稍作调整即可回避噪音问题。
表3两种型式冷却塔噪音比较
噪音项目
无风机冷却塔
机械通风冷却塔
噪音源
1、经填料落人水盘的水滴声；
2、喷口水高速喷射噪声
1、风机转动时发出的风切声；
2、马达运转的电磁噪声
噪音种类
高频噪音为主
低频噪音为主
噪音测试
标准点D噪音值：
55dB（A）
D=6.0m处噪声值：
57.5dB（A）
标准点D噪音值：
60dB（A）
降噪方式
1、在无风机冷却塔水盘中装高效消音毯；
2、增加消音设施；
3、增加隔音设施。
1、选择低噪音马达；
2、增加消音设施；
3、增加隔音设施；
4、增加消音风筒。
调节方式
无法调节
1、可根据负荷要求调节风机转速降低噪音；
2、可安装变频控制柜，变频调节电机转速。
由表3两种型式的冷却塔噪音比较可知，无风机冷却塔引以“自豪”的是噪音低，但是水从喷头高速射出，由于出口处速度非常快，也会发出巨大的喷射噪声，只是这个噪音相对于机械通风冷却塔风机来说较小而已。
无风机塔采用自然出风，所以其进风设计口设计的比较大，填料到底盘高度比机械通风风机塔要高得多，落水声比机械通风塔大；而且无风机冷却塔无法从负荷大小调节噪音大小。
所以从噪声角度来比较很难确切定性。
5耗水量分析
现举例说明两种型式冷却塔的性能比较，如下：
表4两种型式冷却塔耗水量比较
无风机冷却塔（16500T）
机械通风方形横流冷却塔（300T）
漂
水
量
漂水损失：
0.1%x16500x12x30x6=35640m3/a
漂水损失：
0.001%x16500x12x30x6=356.4m3/a
水
池
一般须设计补水池。
无须设计补水池。
注：
1）、表4中冷却塔按每天12小时，每月运行30天计算的全年6个月耗水量；
2）、从二种冷却塔耗水量比较可知，机械通风方形横流冷却塔全年节约水量35283.6吨。
3）、无风机塔一般设计有专用的补水水池，浪费占地面积和增加施工难度。
机械抽风则无须设置。
6控制方式与节能途径
6.1无风机冷却塔
无风机冷却塔的控制主要体现在水泵的控制方面。
如果可以通过在出水管路上设置传感器控制水泵的转速，从而控制进入冷却塔的水流量。
流量调整的同时，冷却水泵的扬程同样也被调整，影响喷口水流速，从而导致散热性能急剧降低。
因此局限性较大。
6.2机械通风冷却塔
6.2.1双速恒温自动控制
冷却塔作为制冷空调系统的重要部分，在设计时通常按照“最不利工况”进行产品选型，在“非最不利工况”（如部分负荷状态下）与过渡季节，如果对冷却塔的风机进行有效的控制，就可以达到显着的节能目的。
因此，如果采用机械通风冷却塔时可配置“冷却塔双速恒温自动控制”系统，该系统控制过程不须人工干预，完全处于自动状态，其特点如下：
轴流风机风量的变化与风机转速的变化成正比，当风机转速降低为标准转速的一半时，风机的风量也是标准风量的一半，而同时其功耗只有标准功耗的八分之一。
可见，采用双速电机省电是非常明显的。
另外，在低速运转下，比高速运转时降低噪音约5dB（A），若处于自动停机的工作状态，其噪音还可比低速运行时降低约3dB（A），可降低冷却塔运行噪音。
6.2.2温度调节控制
当环境的湿球温度降低时，冷却塔的冷却能力增加，出水温度降低，在出水温度管路上加设温度传感器，感知水温变化从而调节风机的运转方式：
改变运转速度；控制风机的运转台数或者控制风机的起停，达到节能的目的。
7综合运行能耗分析
7.1机械通风冷却塔配套风机电机的功率确定
机械通风冷却塔风机电机功率参考“中小型玻璃纤维增强塑料冷却塔”GB7190.1-1997中C型塔Δt=5℃的工况选定，根据其规定，实测耗电比不大于0.04kW（m3/h），为了便于对照设计计算，还参考了一些厂家的配套功率，具体工程应以具体产品样本进行校核。
以下分析案例为300吨机械通风冷却塔配套风机电机的额定功率及风机耗能，见表4。
表5机械通风塔配套风机电机的额定功率
冷却水流量（m3/h）
300
电机功率（kW）
7.5
风机能耗（kW）
6.522
注：
通常风机选用时应考虑功率储备系数，其值宜取1.10-1.15之间。
折算掉储备系数后即为风能消耗，计算时小于20kW的电机其储备按1.15折算，大于20kW的电机其储备系数按1.10折算。
7.2两种塔进水压力比较
无风机冷却塔进塔压力参考某品牌冷却塔比较机械通风冷却塔，具体情况见表5.
表6两种冷却塔进水压力比较
无风机冷却塔
机械通风冷却塔
冷却水流量（m3/h）
300
300
进塔压力（m）
15
4.6
水压差（kW）
10.4
7.3水泵及其电机能耗
水泵的扬程=空调机组水头损失+布水器所需水头（或塔体扬程）+管道水头损失，并假定冷却塔的进出水管均从塔的底部接入，其中空调机组局部阻力按8mH2O计算，管道阻力按5mH2O计算。
要得到水泵的能耗，必须先计算出泵的轴功率，并考查传动效率、电动机的效率。
文中以KQW型泵的参数进行论述，该型泵采用电机直接连接，机泵轴完全同心，传动效率高，计算泵的能耗时该项忽略不计；电动机的效率以其额定工况的效率进行计算。
其流量、扬程、电机功率电机效率、泵的轴功率，泵的能耗等数据见表6。
表7两种冷却塔配套水泵能耗
LFC-300配套水泵
YHA-300配套水泵
水泵型号
KQW200/250-30/4（Z）
KQW200/315-45/4（Z）
流量（m3/h）
300
300
扬程（m）
32
20
功率（kW）
45
30
轴功率（kW）
31.22
20.14
电机效率（%）
92.3
92.2
能耗（kW）
33.824
21.844
7.4综合能耗比较
根据表5中机械通风冷却塔配套风机电机的风机耗能和表7中机械通风冷却塔配套水泵及无风机冷却塔配套水泵能耗数据，得出机械通风冷却塔和无风机冷却塔综合能耗，具体内容详见表7。
表8两种冷却塔的综合能耗
无风机冷却塔
机械通风冷却塔
冷却水量（m3/h）
300*55=16500
300*55=16500
水泵能耗（kW）
33.824*55=1860
21.844*55=1201
风机能耗（kW）
0
6.522*55=359
塔总能耗（kW）
（33.824+0）*55=1860
（21.844+6.522）*55=1560
能耗差（kW）
1560-1860=-300
节能效率（%）
-300/1560=-19.23%
由表8两种冷却塔的综合能耗分析可知，冷却水量为16500T/h的无风机冷却塔较机械通风冷却塔节能效率为负值（-19%），反而不节能。
7.5能耗小结
（1）如果把机械通风冷却塔系统改造成无风机冷却塔，其原有的循环水泵既使考虑选泵时形成的压力富余，基本上不能满足无风机冷却塔需增加的能量要求。
（2）两种塔型的综合能耗，无风机冷却塔的需增能耗值不能采用两种塔型的进塔水压差折算，必须通过比较两种系统的水泵能耗及机械通风冷却塔的风机能耗才能确定。
（3）分析可知，采用无风机冷却塔反而不节能。
8设备维护评价
无风机流力塔为使水喷为雾状，其喷头开孔非常小（口径3mm-5mm），喷头对水质要求甚高，稍有杂质、泥污等其它东西进入冷却水管，即可堵塞喷头，因其铜质材料，其成本较高，维修几率大，同时因其逆流式结构，维修难度较大。
因为冷却塔是开式循环,实际上也是一个空气滤尘器，其循环水的水质很差，存在大量杂物，喷头开孔过小，很容易被堵塞，而清理堵塞的喷头时又必须停机并拆开塔，清理工作是相当麻烦的。
所以无风机流力塔可维护性较差。
而机械通风横流塔开机时均可走到塔内进行维护，机械使用寿命长，维护简单。
9占地面积评价
如一台600的无风机塔须要占地面积：
4.8m*10.8m=51.84m2，如总系统须30台合计18000m3/h的冷却塔时，占地面积为：
51.84m2*30台=1555.2m2的占地尽面积，如考虑现场条件，分成风组摆放时，为预留进风距离和走道，占地更须扩大一倍。
如一台600的机械抽风冷却塔占地面积为：
4.6m*6m=27.6m2，同样总量为30台合计18000m/h的冷却塔时，占地面积为：
27.6m2*30=828m2，只相当于无风机塔的占地面积的53%，而节省了727.7m2的面积。
表9占地面积的对比
项目名称
（16500m3/h）
无风机冷却塔
机械抽风冷却塔
冷却塔占地面积
1555.2m2
828m2
由表9两种冷却塔的占地面积相比，无风机冷却塔占地净面积比较机械抽风大一倍，在楼宇施工成本和经济效益上均要差一些。
10成本和市场占有率评价
无风机塔因单位体积散热效率较差，须增加较大设备体积，因此成本比机械抽风式强制排风的冷却塔成本高40%以上。
在冷却塔行业中，技术领先的一线品牌企业（包括欧美地区）都放弃了无风机冷却塔类型产品，均不生产此类无风机冷却塔。
现阶段即使有生产此类无风机产品的企业，其无风机产品也只占的极少销售量，约在行业中占有率≤1%。
10成本对比和市场占有率对比分析
名称（16500m3/h）
无风机冷却塔
机械抽风冷却塔
冷却塔购买成本
7,000,000元左右
4,200,000元左右
市场占率
≤1%
≥99%
从表10可以看出，无风机冷却塔生产购买成本高出较多，同时在行业的占有率较小，只是一些个别的用户仍在设计、生产和销售此类型设备。
11结论
无风机塔早在上世纪七十年代已出现，不是什么新产品，由于许多技术原因（冷效差、耗能多、占地大、成本高等）现已被放弃；纵观全国冷却塔行业，只有个别品牌在个别市场领域凭借行业资源占有一席之地以外，其它市场无风机冷却塔逐渐淡出市场。
无风机产品为何在技术、结构、能耗、水损失等方面存在弊端，为何在业主使用过程中反应良莠不齐呢？
原因有三：
第一，在项目设计初期计制冷量远大于实际运行负荷，在实际运行中因天气，使用面积，节能运行等诸多因素，负荷只有设计负荷的40-60%。
所以冷却水温根本不会超过报警指标。
第二：
湿球温度未达极限：
设计时的湿球温度是每年的极限指标，可能在一年只会出现十天，五天，或者不会出现，所以冷却塔出水温度绝大部分时间在主机要求的回水温度报警值以下，所以一直可以使用。
第三：
业主的专业人员不够专业：
专业人员的专业知识不够全面，无法理解冷却水回水温度的标准值与湿球温度的关系。
对冷却塔的散热原理、结构设计、系统能耗的知识理解不够充分。
只要主机不报警、能运行即可的态度运行，大部份开发商聘用的暖通工程师没有实践经验导致采购无风机冷却塔。
目前，随着气候变暖、业主的知识面逐步提升，对冷却塔在中央空调运行中的重要性和节能性越来越重视。
在项目设计初期、方案选型、厂家品牌、结构材料、性能参数等方面对冷却塔开始关注起来。
部分无风机冷却塔使用情况：
1、武汉五环广场使用无风机塔因使用效果不好，2年后改造成机械抽风塔。
2、湖南省国际会展中心使用无风机塔降温不够，4年后改造成机械抽风塔。
3、武汉光谷广场华美达大酒店使用无风机塔降温不够，正在拟定改造计划。
4、武汉康明斯东亚研发中心因设计无风机塔新购进无风机塔，与老系统对比数据。
5、湖南湘汇大酒店使用无风机塔降温效果不好，3年后改成机械抽风塔
6、湖南广电使用无风机塔降温效果不好，3年后改成机械抽风塔
7、省人大使用无风机塔降温效果不好，1年后改成机械抽风塔
8、目前还有娄底市政府在用，冷却塔离办公区域有50米距离都能听见噪音，使用时，四周没有干燥过，到处是水。
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