第二章 文獻回顧
2.3 箱型空調系統介紹
2.3.3 冷卻水塔側
2.3.3.1 冷卻水塔運作原理
ㄧ般的冷卻塔中，有一個或多個螺旋槳或離心式風扇使空氣鉛直 或水平地流過冷卻塔，而將熱水送至噴嘴噴灑或使熱水沿冷卻塔由一 阻板向下灑到另一阻板，即造成很大的水表面積與通過之移動空氣相 接觸，使熱水與冷空氣之間產生顯熱之熱交換作用，同時部分的熱水 被蒸發，亦即蒸發水汽中其蒸發潛熱被排放至空氣中，最後經冷卻後 的水落入水槽內，利用濾泵將其傳送蒸發器中，再予吸收熱量，如圖 2-19 所示。當水與空氣相互接觸時，二種熱傳遞現象會伴隨發生：(1) 溫差的不同，造成熱量的傳遞；(2)形態之改變，造成潛熱之傳遞；
即部分的水在空氣中蒸發的作用。上述二種熱傳遞方式為水在冷卻水 塔中冷卻之機制。
2.3.3.2 冷卻水塔運轉概念
用來表示水塔冷卻性能常用界限溫差∆
T
wc（range temperature difference）與接近溫差A （approach temperature difference）兩個溫
pp 度差的指標。如圖2-20 所示，所謂接近溫差指的就是冷卻水塔供應 冷凝器的水溫T
wi與外氣濕球溫度T
owb的差值，而界限溫差則是水塔的 入水溫度T
wi與出水溫度T
wo的差值，這個溫度差在空調冷凍應用中接 近冷凝器的溫差（忽略輸送管路的熱傳量時），另一種說法為冷卻水 塔之負載及冷凝器之負載，及流過冷凝器之冷卻水，在冷凝器中因吸 熱而產生之溫升，在冷卻水塔必須放出而產生與溫升相同溫差之溫降，在流回冷凝器，如此循環地吸熱放熱，將冷凍空間中的熱間街傳 至大氣裡。
冷却水塔主要的散熱能力來自於蒸發潛熱，而環境的濕球溫度對 於蒸發量有極大的影響。由冷卻水塔廠商設計資料（陳國珍, 2003）
可以瞭解，環境濕球溫度、界限溫差以及接近溫差對於冷卻水塔性能 的影響。當濕球溫度、界定溫差與接近溫差上升時，系統對冷卻水塔 的需求能力上升（就是要加大冷卻水塔），要解決增大水塔能力的需 求，可以從水量與風量二者著手。
就界限溫差與接近溫差兩個溫度差的基準點而言，環境濕球的基 準點是設計者難以控制的，因此只需針對界定溫差著手。在環境濕球 溫度固定的情況下，如果能讓冷卻水從灑水分佈頭落下到水塔底部的 過程中移除更多的熱量，不必增加冷卻水容量（體積）仍然可以達到 範圍溫差加大的效果。冷卻水塔依據能量平衡可以表示如式（2-34）
所示。
Q
=L
×( T
wo −T
wi)
=G
×( h
ao −h
ai)
（2-34）根據式（2-35）基礎熱傳公式可看出，加大冷凝器進出口的溫差，
將有助於增進熱傳，達到降低冷凝溫度的效果，要增加該階段的散熱 效果可以從增加冷卻水量與風扇風量來進行。ㄧ般而言，控制冷卻水 塔的風量將比控制水泵更為經濟，冷卻風扇的消耗功率較小，相關控 制設備費用較低，而且在不需要拆除水路的條件之下即可進行改裝與 調整工程。
h
=UA
∆T
（2.35）基於上述理由，增加冷卻風扇的轉速來加大冷卻水塔的風量可以 提升主機性能。事實上風量無法無限制提升，風量與電動機轉速接近 線性關係，而電動機轉速與電動機消耗功率是呈現近似三次方曲線的
增加，控制不當反而造成整個系統更為耗能；此外，在過低冷凝溫度 之下主機也會發生不穩定的情形。因此最適當的風量應該是該風扇耗 能曲線與主機耗能曲線和的最小值。
風量大小的控制ㄧ般都是以維持冷凝器固定供水溫度為依據，其 實以維持冷凝器供水溫度與環境濕球溫度的溫差更為適宜，因為水塔 的性能取決於它的蒸發散能力，而冷卻水與濕球溫度差為蒸發散熱能 力的主要因素。另外在多主機並聯系統時，水塔通常也是採用並聯策 略。如果每一個水塔都由一組迴受控制器依據冷凝水溫控制轉速（無 段變頻控制），各個獨立風扇的轉速設定點無法被確認，也就是一旦 其中一個風扇改變速度時，整個控制條件都在改變，各個風扇的控制 器會ㄧ直追逐適當的設定點，發生追逐效應（hunting effect）的現象，
而發生水塔控制不穩定的情形。ㄧ旦發生追逐現象，控制器與風扇會 不斷地過動作，產生噪音變化過大與機件容易損壞的情形。因此如何 有效地控制水塔風扇在最佳點穩定的運作，是ㄧ個相當重要的問題。
2.3.3.3 退伍軍人症與空調冷卻水塔之關係
退伍軍人症是ㄧ種急性細菌性疾病（潘子明, 1995），經由空氣中 小氣泡顆粒傳播，屬於飛沫傳染。本菌（Legionella pneumophila）適 合生長的環境溫度約29～40℃快速繁殖溫度為 35～37℃，60℃以上 很難存活；在pH6.5～7.5 之間可以生長，最適合生長於 pH6.9，不耐 酸或鹼，容易存於高CO
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含量與含氧量低之大氣的水中，並常以土壤 或水中阿米巴原蟲做為自然宿主而生存。空調用冷卻水塔是空調系統中的排熱裝置。冷卻水的操作溫度恰 為退伍軍人菌的滋長溫度，若水質未能經常維護控制，很容易會讓各 種微機體及大量物質從補給水或空氣中帶到冷卻水塔內。而水中沉澱 物，藻類，微機體成為本菌成長的養分，加上水塔的噴灑冷卻程序，
使之藉由水霧擴散至鄰近地區，形成潛在的威脅，空調冷卻水塔的設 計操作及維護未盡妥善極可能形成退伍軍人症產生的溫床。故本研究 嘗試以循環地下水作為空調系統中冷卻排熱的裝置，以代替冷卻水塔 於空調系統中扮演的角色。