来源：《制冷》2026年第三期  文章编号: ISSN1005 - 9180 (2026) 03 - 0065 – 05

变工况下并联横流冷却塔的优化运行

陈勇春¹，谭小卫²，苏振兴²，谭志锋²，刘金平^3，4

(1.    广东电网有限责任公司揭阳供电局，揭阳，522000;2.新菱空调(佛冈)有限公司，清远，511600;3.华南理工大学电力学院，广州，510641;4.广东省能源高效清洁利用重点实验室，广州，510641)

[摘要] 在冷却水系统中，冷却塔可通过增加风机耗功，降低冷却水进水温度的方式以提高制冷系统的整体性能，因此在冷却塔并联运行中，当系统非满流量负荷运行时，可通过对运行冷却塔工况的合理调配从而使系统的能耗降低。因此本文基于实验的填料经验关联式，建立了冷却水系统能耗计算模型，分析冷却塔并联运行时不同冷却塔工况下系统总功耗的变化。结果表明，冷却塔并联运行，且风机采用变频调节以适应不同的冷却任务时，系统总功耗随着冷却塔运行台数的减小而增大。在不同冷却水量下，存在冷却塔的最佳逼近度，当系统以额定水量1680m2M为基准，流量负荷率为60%时，系统的最佳逼近度为2.9°C，系统总功耗相较额定工况(逼近度4°C)降低9.47 kW。当维持总冷却水量不变时，可通过主动增大风机功耗以降低冷却塔逼近度，从而提升冷水机组性能，当流量负荷率为40%，冷却塔运行台数为4台时，相比2台与3台冷却塔运行时最佳逼近度分别降低1.3°C与0.5°C，系统总功耗分别减小24.71kW与9.16kW。

[关键词] 横流式冷却塔;并联运行;系统功耗;逼近度

[中图分类号]  TU831  [文献标志码] B  doi: 10.3969/J.ISSN.1005-9180.2026.03.0015

Operational Optimization of Parallel-Connected Crossflow CoolingTowers Under Variable Load Conditions

CHEN Yongchun¹, TAN Xiaowei², SU Zhenxing², TAN Zhifeng², LIU Jinping^3,4 

(1.    Jieyang Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Jieyang,522000; 2. Sinro Air Conditioning(Fogang) Co., Ltd., Qingyuan, 511600; 3. School of Electric Power Engineering, South China University ofTechnology, Guangzhou, 510641; 4. Guangdong Province Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization, Guangzhou, 510641)

Abstract: In the cooling water system, the cooling tower can improve the overall perormance of the refrigeration system by increasing the power consumption of the fan and reducing the inlet temperature of the cooling water. Therefore, in parallel operation of the cooling tower, when the system is not operating at full flow load, the energy consumption of the system can be reduced by reasonably adjusting the operating conditions of the cooling tower. Therefore, based on experimental packing experience correlation, this article establishes an energy consumption calculation model for cooling water systems and analyzes the changes in total power consumption of the system under different cooling tower operating conditions when cooling towers are operated in parallel. The results show that when the cooling towers are operated in parallel and the fans are adjusted by frequency conversion to adapt to different cooling tasks, the total power consumption of the system increases with the decrease of the number of operating cooling towers. At different cooling water volumes, there exists an oplimal approach for the cooling tower. When the system is based on a rated water volume of 1680 m³/h and a flow load rate of 60 %, the optimal approach of the system is 2.9 C, and the total power consumption of the system is reduced by 9.47 kW compared to the rated operating condition (approach of 4 C). When the total cooling water volume remains constant, the cooling tower approach can be reduced by actively increasing the fan power consumption to improve the performance of the chiller unit. When the flow load rate is 40% and the number of operating cooling towers is 4, the optimal approach is reduced by 1.3 C and 0.5 C respectively compared to 2 and 3 cooling towers, and the total power consumption of the system is reduced by 24.71 kW and 9.16 kW respectively.

Key words: Crossflow Cooling Tower; Parallel Operation; System Power Consumption; Approach

据《2022全球二氧化碳排放》报告中的数据显示^[1]，2022年，全球电力和供热领域的碳排放量占比最大，总量达到了146亿吨的历史新高。而在电力和供热领域中，制冷设备占据着重要地位，制冷行业的用电量占社会总用电量的15%以上^[2]。因此，制冷空调系统能效的提高对制冷空调行业的发展有着重要意义。而在制冷空调系统中，冷却塔可通过增加风机耗功，降低冷却水进水温度的方式以提高制冷系统的整体性能^[3-4]，因此在冷却塔并联运行中，当系统非满流量负荷运行时，可通过对运行冷却塔工况的合理调配从而使系统的能耗降低。

目前针对制冷空调系统节能运行分析的相关研究较多^[5-7]，但已有研究针对部分负荷下并联冷却塔的优化运行相对较少，因此本文基于实验的横流冷却塔填料经验关联式，建立了冷却水系统能耗计算模型，分析冷却塔并联运行时不同冷却塔工况下系统总功耗的变化，为并联横流冷却塔的运行提供参考。

1 能耗计算模型

在冷却水系统中，主要能耗由冷水机组、冷却水泵及冷却塔风机三部分组成。在冷却塔中，填料风阻随风速的增大迅速增大，因此随着冷负荷的增大，冷却塔所需风量提升，风机功耗的变化较为明显。而冷却水泵的功耗主要受冷却水量的影响，由于本文不对比系统总运行水量改变导致的功耗变化，因此冷却水系统总功耗的变化主要与冷水机组的功耗及冷却塔风机功耗相关，如式(1)所示。

其中E为系统总能耗，kW;E_cop为冷水机组在对应COP值下的功耗，kW;E_f为不同工况下的冷却塔风机总功率，kW。

冷水机组的COP值与各系统参数的关系如式(2)所示。

其中Q为冷水机组制冷量，kW; c为水的定压比热容，取4.187kJ/(kg*K);m_w为冷却水流量，kg/s; t₁与t₂分别为冷却塔的进出水温度，°C 。

冷水机组的压缩机功耗可由式(3)求得:

1.1冷却塔风机功耗计算

冷却塔风机功率一般在满足最大负荷工况时，会额外保留一定的余量，而当冷却负荷降低时，通常采用变频或减少冷却塔运行台数的方式以适应不同的冷却任务。其中通过变频调速会导:致风机效率有所下降，但降幅较小。冷却塔的风机输入功率如式(4)所示。

冷却塔的热力计算模型基于Merkel理论公式建立^[9]，并根据冷却任务及冷却塔填料尺寸计算实际所需风量，随后根据式(4)~(7)计算冷却塔的风机总功率。模型中填料的容积散质系数关联式及填料区风阻关联式基于实际的冷却塔实验台测得，实验填料为人字波纹填料，如式(8)~(9)所示。

1.2 冷却水温对冷水机组COP的影响

冷水机组实际运行过程中，冷水机组COP值受冷水机组制冷量Q、冷冻水出水温度Te₂,及冷却水进水温度Tc₁影响，即式(10)所示。

本文仅分析由冷却塔工况变化引起的系统总能耗变化，因此冷水机组制冷量Q及冷冻水出水温度Te₂视为不变，则实际冷水机组COP值可由式(11)计算。

选取某品牌额定制冷量为1,688kW，额定COP值为6.18的水冷式螺杆机组为研究对象，根据厂家的冷水机组工况参数，当冷冻水出水温度为7°C时，以冷却水进水温度35°C为标准工况，可得到冷水机组在不同冷却水进水温度下的COP影响系数曲线，如图1所示。

图1不同冷却水进水温度下的COP影响系数

2 冷却塔并联运行下的功耗分析

冷却水系统一般按图2的方式连接，实际应用中冷却水泵与冷水机组的数量一般相同，并根据实际冷却水系统负荷控制实际运行的冷却塔台数，当冷却负荷改变时，可通过改变冷却塔运行台数、重新分配水量以适应不同工况。

图2冷却水系统示意图

冷却塔运行台数对系统总功耗的影响2.1当冷却水系统负荷降低，并联运行中单台冷却塔的循环水量减小，此时可通过增大单塔循环水量以减小冷却塔运行台数。为探究冷却塔运行台数对系统总功耗的影响，设计四台冷却塔共同承担冷却任务，总冷却水量为1,680m³h，单台冷却塔的额定水量为420m³/h，填料高度为3.276m，填料径深为1.021m，填料宽度为3.94m，进塔干球温度为31.5°C，进塔湿球温度为28°C，大气压力为99.4kPa，进塔水温为37°C，进出塔水温差5°C，冷却塔风机直径为3.84m，冷却塔运行时保持水量均匀分配，风机风量采用变频调节以适应不同的冷却任务，由于改变冷却塔运行台数时，出塔水温与总冷却水量不变，因此系统总功耗中仅冷却塔风机功耗发生改变，由能耗计算模型可得到风机总功耗随运行冷却塔运行台数的变化如图3所示。

由图3可知，在不同的循环水量下，冷却塔运行台数越多，风机总功耗越小，其原因在于减小冷却塔运行台数后，单台冷却塔运行的冷却水量较大，风量随冷却塔的负荷提升，虽然风量的提升可以增强冷却塔的传热传质性能，但风量的增大使得导致填料区风阻迅速增大，因此风机功耗也迅速增大;而当冷却任务由更多的冷却塔共同承担时，虽然运行的风机数量增加，但平均每台冷却塔的冷却水量减小，在设计进出水温度不变的情况下，单塔所需风量迅速降低，因此风机功耗也迅速下降。当总循环水量为1,000m³/h时，将运行冷却塔台数由四台减小为三台，单塔所需风量由145,976m³/h增加至194,059m³/h，增大约32.9%，填料区风阻由42.72 Pa增大至78.42 Pa，增大84%，风机总功耗由12.84kW增大至22.49kW，增大75%。

图3不同冷却塔台数下的风机功耗变化

2.2逼近度对系统总功耗的影响

在制冷系统中，冷却塔出塔水温与湿球温度的差值称为逼近度，逼近度是衡量冷却塔性能的重要指标，逼近度越低，冷却塔的出水温度越低，冷却塔换热性能越好，冷水机组COP值越高。但逼近度的减小也会不可避免的增大冷却塔:的风机功耗，在风量需求较高时冷却塔的风机耗功将迅速增大，因此在不同的冷却塔工况下，对于冷却水系统应存在最佳逼近度值。

保持填料尺寸及环境参数不变，冷却塔采用四塔运行，以冷却水量1,680m³h为基准，冷却水温差为5°C，当冷水机组负荷率下降时，可增大单台冷却塔的风机功耗，从而降低冷却塔的逼近度，由能耗计算模型可得到不同冷水机组负荷率:下，冷却塔风机总功耗及冷却水系统的总功耗随逼近度的变化，如图4所示。由图4可知，随着逼近度的减小，风机总功耗有明显增大，而系统的总功耗呈先减小后增大的趋势。当冷水机组负荷率为60%时，系统的最佳逼近度为2.9°C，相比于额定工况(逼近度4°C)时，风机总功耗由13.17kW提升至27.82kW，增大1.11倍，但系统总功耗由871.8 kW降低至862.33kW，减少9.47kW。此外，随着单塔冷却负荷的增大，相同进出水温差下所需的风量有明显提升，因此随着逼近度的降低，风机功耗的增大更为明显，从而使冷却塔的最佳逼近度有所增大。机组流量负荷率每增大20%，最佳逼近度增大约0.6~0.7°C。

图4不同逼近度下的功耗变化

当机组流量负荷率为40%时，冷却塔风机总功耗与系统总功耗随不同运行策略的变化如图5所示，由图5可知，当总冷却水量一定时，虽然减少冷却塔运行台数会使单台冷却塔的风机总功耗上升，但可通过主动增大风量以降低冷却塔逼近度，从而提升冷水机组性能，在单台冷却塔承担的冷却负荷较低时，相比于运行塔数更多的额定工况，系统总功耗反而有所下降。多塔运行时额定工况与最佳逼近度工况下的运行功耗汇总如表1所示，由表1可以看出，当冷却塔运行台数为4台时，采用最佳逼近度(2.2°C)工况运行，系统总功耗为561.48kW，相比2台与3台冷却塔运行时最佳逼近度分别降低1.3°C与0.5°C，系统总功耗分别减小24.71kW与9.16kW。

图5不同运行方式下的功耗变化

3 结论

本文基于实验的填料经验关联式，建立了冷却水系统能耗计算模型，分析横流冷却塔并联运行时不同冷却塔工况下系统总功耗的变化，得到的主要结论如下:

(1)当冷却塔并联运行，风机采用变频调节以适应不同的冷却任务时，系统总功耗随着冷却塔运行台数的减小而增大。

(2)在不同冷却水量下，存在冷却塔的最佳逼近度。当系统以额定水量1,680m2h为基准，流量负荷率为60%时，系统的最佳逼近度为2.9°C，系统总功耗相较额定工况(逼近度4°C)降低9.47kW.

(3)当总冷却水量不变时，可通过主动增大风机功耗以降低冷却塔逼近度，从而提升冷水机组性能，当流量负荷率为40%，冷却塔运行台数为4台时，相比2台与3台冷却塔运行时最佳逼近度分别降低1.3°C与0.5°C，系统总功耗分别减小24.71kW与9.16kW。

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