分布式能源站冷却塔冷却性能影响因素研究

路亮亮 刘文韬 谷菁 赵大周

（1 石家庄华电供热集团有限公司 河北石家庄 050000 2 华电电力科学研究院有限公司 浙江杭州 310030 3 浙江省蓄能与建筑节能技术重点实验室 浙江杭州 310030）

分布式能源站是指分布在用户端的能源综合利用系统，以天然气、可再生能源等绿色资源，为用户端提供热、电、冷等多种能源［1］，实现能源梯级利用，有效地提高了能源利用的安全性和灵活性。分布式能源站多采用电制冷供能，冷却塔［2］是影响电制冷效率的关键因素。冷却塔是利用水与空气流动接触后进行冷热交换产生蒸汽，蒸汽挥发带走热量达到蒸发散热，来散去工作系统产生的余热降低水温的蒸发散热装置［3］。

冷却塔是常用的散热设备，按气水接触方式，可分为干式、湿式和干湿混合式［4］。湿式冷却塔因具有换热效率高、运行稳定、维护费用低等优点被广泛应用于电厂、制冷、空调等领域。湿冷塔中空气充当冷却介质，所以环境对湿冷塔的运行性能有着重要的影响，换热水温、空气温度、空气湿度等因素［5］均会对换热效果产生影响。除以上因素外，由于分布式能源站靠近用户，在其设计布置时还要考虑其噪声对周围环境的影响，多采用设置隔音墙减少噪音，围墙也成为换热效果重要影响因素之一。

相比于实验研究［5］，采用数值计算及计算机流体动力学模拟［6-7］具有高效、低成本和可实现多工况分析的特点。计算流体动力学CFD 目前已被广泛应用。FLUENT 是1 种较为典型的CFD 商用软件，可模拟流体、热传递和化学反应等，具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能。

本文采用数值计算研究空气含湿量对冷却塔冷却效果的影响，采用Fluent 软件模拟冷却塔周围流场，以确定围墙对冷却塔的影响，为分布式能源站工程应用奠定理论基础。

分布式能源站冷却塔为水和空气直接接触换热，很多因素均会对换热效果产生影响。换热后，空气含湿量会发生变化。按《冷却塔验收测试规程》（T/CECS 118—2017）［8］，冷却塔的冷却效果可用冷却数来衡量，冷却数是表征冷却塔内包括喷淋区、淋水填料区和填料下的雨区在内的临水装置的热、质交换能力的特征数［6］。本文采用相同冷却数条件下计算不同空气含湿量得到的出塔水温，以研究空气含湿量冷却塔冷却效果的影响，具体见公式（1）。

式中：Ωh为冷却数；
CW为水的比热；
Δt 为温差；
K 为蒸发冷却带走热量系数；
Δhmh为平均焓差。

蒸发冷却带走热量系数计算式见式（2）。

式中：t2为出塔水温。

平均焓差计算式见式（3）。

式中：Xs根据η 和ξ 查Xs计算图求得，η、ξ 和δh″根据式（4）～（6）计算。

式中：h1为进塔空气焓；
h1″为空气温度等于进塔水温时饱和空气焓；
h2″为空气温度等于出塔水温时饱和空气焓；
λ 为气水比。

干球温度一定条件下，通过焓湿图可得到不同空气含湿量下的比焓，进而可计算得到不同出塔温度。本文研究空气含湿量这一影响因素对冷却效果的影响，取空气含湿量在0.5～1.5 之间的相等间隔数据，得到比焓，结果见表1，通过公式（1）～（7）计算得到出塔温度，结果见图1。

图1 不同比焓下出塔温度和冷却数的关系

表1 不同空气组分数下比焓值

可以看出，空气含湿量越大，比焓越大；
相同入口水温条件下，出塔温度随空气含湿量增大而增大，说明冷却效果变差。这是由于在环境空气中，入口空气湿度越大，水分含量越多，在热交换的过程中，所吸收的水分和热量就会越少，因此才会降低冷却的效率。

3.1 模型构建

3.1.1 几何模型

本文对石家庄某分布式能源站冷却塔开展数值模拟，简化后建立的计算模型如图2 所示，网格分布如图3 所示。冷却塔周围空气为湍流流动，模型充分考虑空气扩散域，其中最内侧的黄色矩形为电制冷冷却塔，外侧的黄色为围墙墙体，最外侧为气流流动的流体域。冷却塔部分尺寸为35 m×15 m×6 m，围墙内流体域尺寸为66 m×46 m×8m，外围流体域尺寸为166 m×96 m×38 m。

图2 计算模型

图3 网格分布

3.1.2 边界条件

入口条件采用速度入口，速度分别设为2.78 m/s，出口条件采用压力出口。壁面设置为无滑移边界条件。在定义所有边界条件时必须给定温度和水蒸汽质量分数。

3.1.3 计算模型

流体运动以雷诺数Re 的大小决定，分为湍流与层流。本文流体为湍流运动，在Fluent 中有很多湍流计算方法，本文采用标准k-epsilon 模型进行N-S 方程求解。模拟采用稳态压力基处理器，采用组分模型，设定为湿空气。求解方法采用Simple 方法。

3.2 存在围墙模拟分析

3.2.1 南北向风力模拟

研究夏季南北向风力2.78 m/s，气温32 ℃时的气流运行情况，模拟结果如图4 和图5 所示。

图4 南侧进风速度分布图

图5 南侧进风流线分布图

选取典型截面进行研究，可以看出，当南北风吹来时，遇到墙体气流向上运动，墙后侧形成低速区（动力阴影区［9］），并在冷却塔的左上方形成旋涡，导致冷却塔上方的高温气体不易扩散，影响散热效果。

动力阴影区影响高度计算公式［10］，见式（7）。

式中：Hk为动力阴影区的影响高度；
A 为迎风面的面积。

计算可得Hk=5.75 m，略小于围墙高度6 m，对冷却塔周围流体扩散形成不良效果。

3.2.2 东西向风力模拟

研究东西向风力2.78 m/s，气温32 ℃时，冷却塔周围的气流分布情况。模拟结果如图6 和图7 所示。

图6 东侧进风速度分布图

图7 东侧进风流线分布图

可以看出，当风从东侧吹来，在围墙与冷却塔东侧、冷却塔顶部、冷却塔与围墙西侧形成了空气旋流，西侧的旋流由冷却塔顶部形成，一定程度上影响了冷却塔的冷却效果。

东西侧进风时，围墙内仍然为低速区，同时冷却塔顶部存在“动力阴影区”，根据动力阴影区影响高度计算公式计算得到Hk=6.89 m。即东西向进风由于迎风面积大于南北方向进风，因此动力阴影区的影响范围大于南北向。

同时冷却塔为东西两侧横向进风，冷却塔顶部排出的高湿空气受动力阴影区影响会再次从下方进入冷却塔，空气湿度聚集增加，冷却效果进一步降低。

3.3 去掉围墙后模拟

当去掉围墙后，研究夏季南北向风力2.78 m/s、气温32 ℃时的气流运行情况，模拟结果如图8 和图9 所示。

图8 去掉围墙后南侧进风速度分布图

可以看出，当去掉围墙后，空气碰到冷却塔后仍会在上方产生涡流，但涡流影响范围小了很多，仅在冷却塔下风向形成“动力阴影区”。根据动力阴影区影响高度计算公式计算得到Hk=2.85 m，远小于有围墙时的动力阴影区大小，因此较有围墙时，散热效果得到了加强。

本文分别采用数值计算和Fluent 软件模拟研究空气湿度和设置围墙对分布式能源站冷却塔冷却性能的影响，得出如下2 个结论：

（1）相同冷却数下，出塔温度随空气含湿量增大而增大，空气含湿量的增加将不利于冷却塔散热，冷却效果更差。

（2）由于“去工业化”增加的围墙影响了气流正常运动，围墙后及冷却塔上方产生涡流，动力阴影区是未设置围墙的2 倍以上，且东西侧方向的动力阴影区大于南北侧，动力阴影区越大，冷却效果越差，热量无法有效扩散出去。

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