冬季利用自然冷卻系統節能

公司屬于半導體集成電路生產企業，生產廠房是全封閉結構的。它依靠空調和排放系統來維持半導體生產工藝對廠房內的潔凈度、溫濕度、風壓方面的特殊要求。這就使得空調系統全年都處于運行狀態。采用技術手段創造并保持一定要求的空氣環境就是空氣調節的任務。由于廠房內生產設備釋放大量的熱量，加上人員等方面的原因，造成冷負荷較大。隨著經濟建設及人民生活水平的提高，制冷空調的總能量消耗會逐年增長。能源與人類的文明和社會發展是緊密相連的，是社會發展的物質基礎。目前所使用的能源絕大部分仍然是不可再生資源，因而能源消耗問題得到了各行各業的高度重視。能源的合理使用也成為全社會共同關注、共同努力的問題。今后我們解決能源問題的主要途徑是開源節流。開源是指開發新能源，如原子能和可再生能源的開發利用和工業中的余熱廢熱等。節流是指節約使用中的能源，即采用新工藝提高操作技能和管理水平來實現節能。制冷空調在工程中實現節能的原則是：在滿足使用要求的前提下，設計最小的制冷和空調負荷，確定合適的工程規模，降低建設投資。從整個運行期考慮，使各個運行期投入設備的能源利用率最高，能量消費最小。開源節流和減少能耗節省空調運行費用是我們空調制冷工作者始終堅持的工作目標之一。為了充分利用冬季的環境冷量資源，節約空調運行中電能消耗，我們根據天津地區近年來氣候變化的統計情況（如表1 所示）得出天津市氣候變化的具體情況是：在每年冬季即1月、2月、3月和11月、12月份室外空氣的平均溫度為 1℃左右。這就給我們在冬季利用自然冷卻系統節能提供了必要條件。

2008 年秋季我們對公司的空調冷卻塔系統進行了技術改造。冷卻塔供冷系統分為冷卻塔直接供冷和冷卻塔間接供冷兩種形式。冷卻塔直接供冷系統的優點是節能效果顯著，缺點是初期投資較高，日常維護麻煩。冷卻塔間接供冷系統是一種敞開式“空氣—循環水冷卻系統”，在冷卻塔間接供冷系統中冷卻水與冷凍水各成系統，它們之間通過板式換熱器進行冷量交換。此系統優點是維護簡單，但由于每年供冷時間短，節能效果低于直接供冷系統。我公司采用的是敞開式冷卻水塔，所以只能采用間接供冷系統。我們在制冷機冷凍水回水管路上安裝了板式換熱器，在冷卻塔水池內添加了冷卻水出水管道，在兩者之間安裝了循環水泵并將它們用管道和閥門以及水過濾器連接起來（如圖1所示）。

在冬季和過渡季節，用戶對冷凍水供水溫度要求比較寬松，供水溫度可在 8℃~13℃之間（夏季冷凍水供/ 回水溫度為5℃~10℃）。本項目所選用的板式換熱器漸進溫度為 3℃（漸進溫度指熱交換器冷流體側進水溫度與暖流體側出水溫度的差值）。當冷卻水溫度<7℃時，將自然冷卻管路上的閥門和循環水泵打開，通過板式換熱器中的低溫冷卻水給制冷機冷凍水回水降溫，以最大限度地降低制冷機負荷或停止制冷機運行達到節約電能的目的。在實際運行中，根據測得的冷凍水供水溫度，調節設置于板式換熱器冷卻水供水管路上的電動調節閥的開度，保證冷凍水的供水溫度在 8℃~13℃之間。

冷卻塔按結構可分為開式和閉式兩種方式。我公司使用的是開式冷卻水塔，運行時流動的空氣從冷卻水塔底部進入，通過填料與被冷卻的水接觸進行熱量交換，然后從塔頂排出。冷卻水是從冷卻塔的上部自動旋轉的布水管噴淋下來，形成細小水滴，流經填料層時形成薄薄的水膜，最后流到塔底。水滴和水膜在流動的過程中同空氣直接接觸發生熱質傳遞。水和空氣溫度差是（顯）熱傳遞動力，通過一部分冷卻水的蒸發帶走冷卻水中的熱量達到降低水溫的目的。

自然冷卻時，冷卻水通過板式換熱器吸收冷凍水回水的熱量升溫，然后在室外的冷卻塔放出熱量降溫，其溫度控制的好壞是自然冷卻系統運行成敗的關鍵，同時也必須處理好冷卻塔和室外冷卻水管道的防凍問題。理論上講，當室外大氣的濕球溫度為5℃時，冷卻水通過冷卻塔后可降溫至10℃（設計選用的冷卻塔在額定流量時降溫能力為 5℃），通過板式換熱器可生產13℃的冷凍水滿足用戶的使用。在實際運行中，考慮到過渡季節氣溫的波動性，當室外大氣的濕球溫度降低為 1℃后才啟動自由冷卻系統，并控制冷卻水的供水溫度在 5℃~9℃之間。這種工作狀況主要通過以下方法實現：（1）現用冷卻塔風機有慢速、中速、快速的變速運行方式，當室外大氣溫度及冷卻水負荷變化時，可調節風機轉速，保證冷卻水溫度的穩定；（2）停開或增開一個或多個冷卻塔，停開冷卻塔風機，靠冷卻水上塔后下落進行自然對流的自然冷卻；（3）冷卻水管路和自然冷卻循環泵的防凍措施，我們采用的是在其表面上加電伴熱線后再加保溫棉和薄不銹鋼板包裹。

此系統的節能情況。以前只采用制冷機制取冷凍水時，需運行的設備有制冷機，冷凍水泵，冷卻水泵及冷卻塔風機；當采用自然冷卻方式時則大大的降低了制冷機負荷停開部分甚至在短時間內將全部制冷機停掉，與前一種方法相比可節約電耗50% 以上。以 2009 年統計空調在冬季的 1，2，3和 11，12 月份為例，2008 年完全靠制冷機制取冷凍水滿負荷運行時用電量為2712 kW。而采用自然冷卻運行系統制取冷凍水用電量為 750 kW。后者比前者用電量少1962 kW。每天節電47088 kWh。如果每 kWh 電價格以0.80 元計算。一天可節約運行費用約 3.7 萬元。每年自然冷卻運行空調系統按大約 100 天計算，一年共可節約運行費用 370 萬元。這樣我們當年不但收回了自然冷卻運行系統的安裝成本 130 萬元，還節省了 274 萬元的運行費用。

在近兩年的使用中我們體會到在合理制定自然冷卻運行系統方案的同時合理選擇設備也很重要。（1）選擇漸進溫度小的板式換熱器，這可以延長每年自然冷卻系統的使用時間，從而更大限度的節約空調運行費用。（2）合理選擇循環冷卻水泵和冷凍水泵，使通過板式換熱器的冷凍水和冷卻水具有相近的壓頭，從而減少板式換熱器結垢的機會。（3）在板式換熱器的冷凍水和冷卻水入口側設置細濾網的過濾器，減少板式換熱器堵塞的可能。經實際運行表明，因冷卻水側為開式系統并通過冷卻塔與室外空氣進行熱交換，水質相對較差。采用細過濾網的過濾器在一定程度上延緩了板式換熱器的堵塞，但不能完全解決問題。

綜上所述，空調系統采用自然冷卻系統運行確實可以大大的降低空調制冷系統的電能耗量，節約運行費用。盡管在使用過程中出現了種種問題，但也都可以研究解決，相信自然冷卻系統將成為今后空調制冷節能降耗的主要措施之一。尤其在我國東北和西北等很多地區冬季氣候寒冷，具有運行自然冷卻系統的條件，我們制冷空調工作者在具體工作中可充分利用這一有利的氣候資源，設計出運行可靠的自然冷卻系統，這對企業節約能耗，降低產品成本具有很重要的意義。