无风冷却塔综合运行能耗分析
摘要：无风冷却塔与机械通风冷却塔相比，噪声小，节省了风机电机的能耗，但无风机冷却塔比机械通风冷却塔的进塔压力高0.10Mpa左右，需要水泵提供更多的能量，与节省掉的风机电机能耗相比之后，才能确定是否节能，不能简单地把要冷却塔的进塔水压差折算成无风机冷却塔的增加能耗，这是不准确的。
关键词：无风机冷却塔 机械通风冷却塔 水泵 综合能耗
0概述
冷却塔通过汽水交换把热量带入大气中，是系统的关键设备。无风机冷却塔（亦称喷雾通风冷却塔、“免风机电机”水力取风冷却塔等）由风筒、收水器、塔体淋水筛网、喷雾装置、进风百叶窗和集水盆组成。无风机冷却塔喷雾装置是一种射流元件，它取代了传统冷却塔的填料和风机，喷雾装置由旋流雾化喷头、风叶、密封转动机构三大部分组成，利用液压驱动。低压液流通过旋流雾化喷头形成雾化，喷雾流的反作用推动密封传动机构和风叶作反向旋转，产生由下部吹向雾流的风力，气水比可达1.0~1.3。雾化水滴与进塔空气在雾化状态下进行热交换，达到预期的降温效果。从原理上，无风机冷却塔不需要填料和风机，节省了风机的电耗，但综合运行电耗仍需进一步测试，才能确定无风机冷却塔在何种情况下节约能量。
要确定系统的综合电耗，必须对循环冷却却水系统涉及到的要素进行逐项分析，比如水泵的选型、水泵电机电耗、冷却塔的放置位置及风机电耗、空调机组的压力损失、管道及阀门的压力损失等。通常机械通风冷却塔进塔压力要求一般在0.05MPa（个别塔型达0.10MPa），无风机冷却塔进塔压力要求约 0.15MPa左右，就会比机械通风冷却塔高0.10MPa，对系统总的能耗而言，要以系统为基础综合各方面的因素进行电能消耗比较。
1 冷却塔的位置及管道的压力损失
冷却塔设定放在建筑物的裙房屋面上，管道总长按70m计算，管道局部损失按沿途损失的30%计算。为了减少管道的损失，建议管径≥DN200，V＜2.0m/s；DN100~150，V＜1.50m/s。管道计算流量以冷却塔的循环水量为准。以下是不同流量的管道的流速、配管尺寸及管道损失等，见表1。
表1 管道的流速、配管尺寸及管道损失
| 流量（m3/h） | 75 | 100 | 150 | 200 | 300 | 400 |
| 管径（mm） | 150 | 150 | 200 | 200 | 250 | 300 |
| 流速（m/s） | 1.24 | 1.65 | 1.37 | 1.82 | 1.67 | 1.52 |
| 管损（m） | 1.80 | 3.20 | 1.49 | 2.65 | 1.64 | 1.06 |
续表1 管道的流速、配管尺寸及管道损失
| 流量（m3/h） | 500 | 600 | 700 | 900 | 1000 |
| 管径（mm） | 300 | 350 | 350 | 400 | 400 |
| 流速（m/s） | 1.90 | 1.67 | 1.95 | 1.93 | 2.15 |
| 管损（m） | 1.66 | 1.03 | 1.41 | 1.17 | 1.45 |
实际以计算数据为准，建议总管损小于或等于0.05MPa，以节约能耗。
2 机械通风冷却塔配套功率的确定
机械通风冷却塔风机电机功率“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，还参考了良机集团LRCM-LN、LBC-M塔的配套功率，具体工程应以具体产品进行校核。以下是不同循环水量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2。
表2 机械通风冷却塔配套风机电机的额定功率
| 流量（m3/h） | 75 | 100 | 150 | 200 | 300 | 400 |
| 电机功率（kW） | 3.0 | 3.7 | 5.5 | 7.5 | 1.0 | 15.0 |
| 风机耗能（kW） | 2.609 | 3.217 | 4.783 | 6.522 | 9.565 | 13.043 |
续表2 机械通风冷却塔配套风机电机的额定功率
| 流量（m3/h） | 500 | 600 | 700 | 900 | 1000 |
| 电机功率（kW） | 18.5 | 22.0 | 30.0 | 37.0 | 45.0 |
| 风机耗能（kW） | 16.087 | 20.000 | 27.273 | 33.636 | 40.909 |
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。
3 两种塔进水压比较
无风机冷却塔进塔压力参考良机LFC型冷却塔，机械通风冷却塔进塔压力参考良机LRCM-LN和LBC-M两种塔型，具体情况见表3-1和表3-2。
表3-1 LRCM-LN和LFC进塔压力比较
| 流量（m3/h） | 75 | 100 | 150 | 200 | 300 | 400 |
| LRCM-LN进塔压力H1（m） | 3.0 | 3.0 | 3.5 | 3.2 | 3.5 | 3.4 |
| LFC进塔压力H2（m） | 14 | 14 | 14 | 15 | 15 | 15 |
| 水压差ΔH=H2-H1（m） | 11.0 | 10.8 | 10.5 | 11.8 | 11.5 | 11.6 |
续表3-1 LRCM-LN和LFC进塔压力比较
| 流量（m3/h） | 500 | 600 | 700 | 900 | 1000 |
| LRCM-LN进塔压力H1（m） | 3.5 | 3.5 | 3.5 | 3.5 | 3.5 |
| LFC进塔压力H2（m） | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 |
| 水压差ΔH=H2-H1（m） | 11.5 | 11.5 | 11.5 | 11.5 | 11.5 |
表3-2 LBC-M和LFC进塔压力比较
| 流量（m3/h） | 75 | 100 | 150 | 200 | 300 | 400 |
| LBC-M进塔压力H1（m） | 3.2 | 3.5 | 4.1 | 4.1 | 4.5 | 5.5 |
| LFC进塔压力H2（m） | 14 | 14 | 14 | 15 | 15 | 15 |
| 水压差ΔH=H2-H1（m） | 10.8 | 10.5 | 9.9 | 10.9 | 10.5 | 9.5 |
续表3-2 LBC-M和LFC进塔压力比较
| 流量（m3/h） | 500 | 600 | 700 | 900 | 1000 |
| LBC-M进塔压力H1（m） | 6.5 | 6.5 | 7.0 | 7.5 | 7.5 |
| LFC进塔压力H2（m） | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 |
| 水压差ΔH=H2-H1（m） | 8.5 | 8.5 | 8.0 | 7.5 | 7.5 |
不同型号机组的压力损失是不一样的，本文以远大VII型直燃机（溴化锂）的压力损失进行，具体工程以设计选定的机组为准。不同冷却水量的空调机组的压力损失见表4。
表4 空调机组的压力损失
| 流量（m3/h） | 75 | 100 | 150 | 200 | 300 | 400 |
| 损失（MPa） | 0.07 | 0.07 | 0.07 | 0.10 | 0.10 | 0.15 |
续表4 空调机组的压力损失
| 流量（m3/h） | 500 | 600 | 700 | 900 | 1000 |
| 损失（MPa） | 0.12 | 0.12 | 0.12 | 0.11 | 0.11 |
5 水泵及其电机能耗
① 水泵扬程
水泵扬程的确定与冷却却循环水系统的形式有关，限于篇幅本文以下列冷却循环水的图式确定水泵扬程：
这样水泵的扬程=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，其中管道损失考虑一定的余量按0.05MPa计算。不同流量、不同塔型水泵扬程的计算数据见表5-1、5-2。
表5-1 LRCM-LN塔和LFC塔水泵扬程
| 流量（m3/h） | 75 | 100 | 150 | 200 | 300 | 400 |
| LRCM-LN塔所需水泵扬程（m） | 15.0 | 15.2 | 15.5 | 18.2 | 18.5 | 23.5 |
| LFC塔所需水泵扬程（m） | 26.0 | 26.0 | 26.0 | 30.0 | 30.0 | 35.0 |
续表5-1 LRCM-LN塔和LFC塔水泵扬程
| 流量（m3/h） | 500 | 600 | 700 | 900 | 1000 |
| LRCM-LN塔所需水泵扬程（m） | 20.4 | 20.5 | 20.5 | 19.5 | 19.5 |
| LFC塔所需水泵扬程（m） | 32.0 | 32.0 | 32.0 | 31.0 | 31.0 |
表5-2 LBC-M塔和LFC塔水泵扬程
| 流量（m3/h） | 75 | 100 | 150 | 200 | 300 | 400 |
| LBC-M塔所需水泵扬程（m） | 15.2 | 15.5 | 16.1 | 19.1 | 19.5 | 25.5 |
| LFC塔所需水泵扬程（m） | 26.0 | 26.0 | 26.0 | 30.0 | 30.0 | 35.0 |
表5-2 LBC-M塔和LFC塔水泵扬程
| 流量（m3/h） | 500 | 600 | 700 | 900 | 1000 |
| LBC-M塔所需水泵扬程（m） | 23.5 | 23.5 | 24.0 | 23.5 | 23.5 |
| LFC塔所需水泵扬程（m） | 32.0 | 32.0 | 32.0 | 31.0 | 31.0 |
从表5-1、5-2的数据分析，LBC-M型塔所需水泵扬程稍大，下文的计算均以表5-2的数据为依据。
② 水泵的能耗
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。根据表5-2的数据选出合适的水泵，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5-3。
表5-3机械通风冷却塔配套水泵及无风机冷却塔配套水泵能耗
| 流量（m3/h） | 75 | 100 | 150 | 200 | 300 | 400 | |
| 机械通风冷却塔配套水泵 | 型号 | 100/110 -7.5/2 | 100/125 -11/2 | 125/125 -15/2 | 150/250 -18.5/4 | 200/250 -30/4(Z) | 200/300-55/4 |
| 扬程（m） | 17.5 | 20 | 19.8 | 20 | 20 | 25.66 | |
| 功率（kW） | 7.5 | 11 | 15 | 18.5 | 30 | 45 | |
| 轴功率（kW） | 6.0 | 8.8 | 12 | 13.96 | 20.14 | 40.51 | |
| 电机效率（％） | 86.2 | 87.2 | 88.2 | 91 | 92.2 | 92.3 | |
| 能耗（kW） | 6.961 | 10.092 | 13.605 | 15.341 | 21.844 | 43.889 | |
| 无风机冷却塔配套水泵 | 型号 | 100/150 -11/2 | 100/160 -15/2 | 125/150-18.5/2 | 150/315 -30/4 | 200/315 -45/4(Z) | 200/315-55/4 |
| 扬程（m） | 30.6 | 32 | 28 | 32 | 32 | 32 | |
| 功率（kW） | 11 | 15 | 18.5 | 30 | 45 | 55 | |
| 轴功率（kW） | 8.53 | 11.87 | 15.3 | 22.06 | 31.22 | 47.13 | |
| 电机效率（％） | 87.2 | 88.2 | 89 | 92.2 | 92.3 | 92.6 | |
| 能耗（kW） | 9.782 | 13.458 | 17.191 | 23.926 | 33.824 | 50.896 | |
续表5-3机械通风冷却塔配套水泵及无风机冷却塔配套水泵能耗
| 流量（m3/h） | 500 | 600 | 700 | 900 | 1000 | |
| 机械通风冷却塔配套水泵 | 型号 | 250/300 -55/4 | 300/425 -55/6 | 300/450 -75/6 | 350/480 -110/6（Z） | 350/480 -110/6（Z） |
| 扬程（m） | 28 | 24 | 26 | 26.4 | 24.4 | |
| 功率（kW） | 55 | 55 | 75 | 110 | 110 | |
| 轴功率（kW） | 50 | 48.75 | 64.5 | 84.44 | 87.78 | |
| 电机效率（％） | 92.6 | 91.6 | 92 | 92.5 | 92.5 | |
| 能耗（kW） | 53.996 | 53.221 | 70.109 | 91.291 | 94.895 | |
| 无风机冷却塔配套水泵 | 型号 | 250/315 -75/4 | 300/485-90/6 | 300/485-90/6 | 350/525 -132/6（Z） | 350/525 -132/6（Z） |
| 扬程（m） | 33.41 | 33.1 | 32 | 32.8 | 31.4 | |
| 功率（kW） | 75 | 90 | 90 | 132 | 132 | |
| 轴功率（kW） | 63.25 | 67.5 | 74.25 | 102.22 | 101.44 | |
| 电机效率（％） | 92.7 | 92 | 92 | 92.5 | 92.5 | |
| 能耗（kW） | 68.231 | 73.370 | 80.707 | 110.508 | 112.908 | |
6 综合能耗比较
根据表2中机械通风冷却塔配套风机电机的风机耗能和表5-3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6。
表6 机械通风冷却塔和无风机冷却塔的综合能耗
| 水量(m3/h) | 机械通风冷却塔能耗N1（kW） | 无风机冷却塔能耗N2（kW） | 机构通风冷塔风机电机能耗N3（kW） | 能耗差ΔN=N1+N3-N2 （kW） | 节能效率(100ΔN)/N3 （%） |
| 75 | 6.961 | 9.782 | 2.609 | -0.212 | -8.13 |
| 100 | 10.092 | 13.458 | 3.217 | -0.149 | -4.63 |
| 150 | 13.605 | 17.191 | 4.783 | 1.197 | 25.03 |
| 200 | 15.341 | 23.926 | 6.522 | -2.063 | -31.63 |
| 300 | 21.844 | 33.824 | 9.565 | -2.415 | -25.25 |
| 400 | 43.889 | 50.896 | 13.043 | 6.036 | 46.28 |
| 500 | 53.996 | 68.231 | 16.087 | 1.852 | 11.51 |
| 600 | 53.221 | 73.370 | 20.000 | -0.049 | -0.25 |
| 700 | 70.109 | 80.707 | 27.273 | 16.675 | 61.14 |
| 900 | 91.291 | 110.508 | 33.636 | 14.419 | 42.87 |
| 1000 | 94.895 | 112.908 | 40.909 | 22.896 | 55.97 |
表6中节能效率，正值表示节能，负值表示不节能。
7 结论
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的能量要求。
②计算两种塔型的能耗，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小型塔（≤300m3/h）采用无风机冷却塔基本不节能，大型塔（≥400m3/h）采用无风机冷却塔节能效果明显。
1张飞栓，给水排水，第一期，98（2000）
2胡国林，李丽萍，给水排水第四期，90（2000）
3市政工程西北设计院，给水排水设计手册第一册，建筑出版社，19861