冬季利用自然冷卻系統(tǒng)節(jié)能的應用

王東海

(中芯國際集成電路制造 (天津)有限公司,天津300222)

0 前 言

隨著經(jīng)濟建設及人民生活水平的提高,制冷空調(diào)的總能量消耗會逐年增長。能源與人類的文明和社會發(fā)展是緊密相連的,是社會發(fā)展的物質(zhì)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(yè)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。今后我們獲取能源的主要途徑之一是開源節(jié)流。開源是指開發(fā)新能源如:原子能的開發(fā)利用和工業(yè)中的余熱廢熱等。節(jié)流是指節(jié)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(xiàn)節(jié)能。制冷空調(diào)在工程中實現(xiàn)節(jié)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(diào)負荷,確定合適的工程規(guī)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(jié)流和減少能耗節(jié)省空調(diào)運行費用是我們空調(diào)制冷工作者始終堅持的工作目標之一。

1 公司概況和冬季氣候背景

筆者所在公司屬于半導體集成電路生產(chǎn)企業(yè),生產(chǎn)廠房是全封閉結(jié)構的。它依靠空調(diào)和排風系統(tǒng)來維持半導體生產(chǎn)工藝對廠房內(nèi)的潔凈度,溫濕度,風壓方面的特殊要求。這就使得空調(diào)系統(tǒng)全年都處于運行狀態(tài)。采用技術手段創(chuàng)造并保持一定要求的空氣環(huán)境就是空氣調(diào)節(jié)的任務。由于廠房內(nèi)生產(chǎn)設備釋放大量的熱量,加上人員密集等方面的原因,造成冷負荷較大。

為了充分利用冬季的環(huán)境冷量資源,節(jié)約空調(diào)運行中電能消耗,我們根據(jù)天津地區(qū)近年氣候變化的統(tǒng)計情況 (如表1所示),得出我市氣候變化的具體情況是:在每年冬季即:1、2、3和11、12月份的平均溫度大約為1℃左右,這就給我們在冬季利用自然冷卻系統(tǒng)節(jié)能提供了必要條件。

表1 1998-2007年天津地區(qū)氣候狀況記錄

2 工程節(jié)能改造的具體做法

2008年秋季我們對公司的空調(diào)冷卻塔系統(tǒng)進行了技術改造。冷卻塔供冷系統(tǒng)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(tǒng)的優(yōu)點是節(jié)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(tǒng)是一種敞開式“空氣—循環(huán)水冷卻系統(tǒng)”,在冷卻塔間接供冷系統(tǒng)中冷卻水與冷凍水各成系統(tǒng),它們之間通過板式換熱器進行冷量交換。此系統(tǒng)優(yōu)點是維護簡單,但由于每年供冷時間短,節(jié)能效果低于直接供冷系統(tǒng)。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(tǒng)。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(nèi)添加了冷卻水出水管道,在兩者之間安裝了循環(huán)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)。系統(tǒng)主要設備的參數(shù)為:循環(huán)水泵選用額定流量為1400t/h,揚程為0.19MPa;冷卻水塔循環(huán)水量為1400t/h,功率為2600冷噸;板式換熱器為設計功率4500kW,冷凍水側(cè)流量為508t/h,冷卻水側(cè)流量為648t/h,額定阻力為0.08MPa。本自然冷卻系統(tǒng)設計的外界氣溫條件是:外界氣溫焓值低于14kJ/kg時即可投入使用,這個條件在冬季完全可以滿足。

圖1 技術改造后空調(diào)冷卻塔系統(tǒng)

在冬季和過渡季節(jié),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(cè)進水溫度與暖流體側(cè)出水溫度的差值)。當冷卻水溫度小于7℃時,將自然冷卻管路上的閥門和循環(huán)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,以最大限度的降低制冷機負荷或停止制冷機運行達到節(jié)約電能的目的。在實際運行中,根據(jù)測得的冷凍水供水溫度,調(diào)節(jié)設置于板式換熱器冷卻水供水管路上的電動調(diào)節(jié)閥的開度,保證冷凍水的供水溫度在8～13℃之間。

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(zhuǎn)的布水管噴淋下來,形成細小水滴,流經(jīng)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(fā)生熱質(zhì)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(fā)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(tǒng)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(chǎn)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(jié)氣溫的波動性,當室外大氣的濕球溫度降低為1℃后才啟動自然冷卻系統(tǒng),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(xiàn):

(1)現(xiàn)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(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速,保證冷卻水溫度的穩(wěn)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(huán)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。

3 節(jié)能效果

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了部分甚至在短時間內(nèi)將全部制冷機停掉,與前一種方法相比可節(jié)約電耗50%以上。以2008年和2009年冬季的1、2、3和11、12月份空調(diào)用電量統(tǒng)計對比為例,2008年完全靠制冷機制取冷凍水滿負荷運行時用電量為2712kW,而2009年采用自然冷卻運行系統(tǒng)制取冷凍水用電量為750kW,后者比前者用電量少1962kW,每天節(jié)電47088kWh。如果每kWh電價格以0.80元計算,一天可節(jié)約運行費用約3.7萬元,每年自然冷卻運行空調(diào)系統(tǒng)按大約運行100天計算,一年共可節(jié)約運行費用370萬元,這樣當年不但就收回了自然冷卻運行系統(tǒng)的安裝成本130萬元,還節(jié)省了274萬元運行費用。

4 結(jié)語與推廣前景

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(tǒng)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,這樣可以延長每年自然冷卻系統(tǒng)的使用時間,從而更大限度的節(jié)約空調(diào)運行費用;

(2)合理選擇循環(huán)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(jié)垢的機會;

(3)在板式換熱器的冷凍水和冷卻水入口側(cè)設置細濾網(wǎng)的過濾器,減少板式換熱器堵塞的可能。經(jīng)實際運行表明,因冷卻水側(cè)為開式系統(tǒng)并通過冷卻塔與室外空氣進行熱交換,水質(zhì)相對較差。采用細過濾網(wǎng)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(diào)系統(tǒng)采用自然冷卻系統(tǒng)運行確實可以大大的降低空調(diào)制冷系統(tǒng)的電能耗量,節(jié)約運行費用。盡管在使用過程中出現(xiàn)了種種問題但也都可以在使用中研究解決,相信自然冷卻系統(tǒng)將成為今后空調(diào)制冷節(jié)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(qū)冬季氣候寒冷,具有運行自然冷卻系統(tǒng)的條件,我們制冷空調(diào)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(tǒng),這對企業(yè)節(jié)約能耗,降低產(chǎn)品成本具有很重要的意義。

[1]李金川.空調(diào)運行管理手冊[M].上海:上海交通大學出版社,2000

[2]彥啟森.空氣調(diào)節(jié)用制冷技術 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010

[3]張祉佑.制冷空調(diào)設備使用維修手冊 [M].北京:北京機械工業(yè)出版社,1997