Free cooling系統(tǒng)在制冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中的研究與應(yīng)用

孫 蒙

上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司天津卷煙廠

0 引言

制冷站是卷煙制造工廠動(dòng)力中心的一個(gè)重要組成部分，本文以某卷煙廠為對(duì)象開(kāi)展Free cooling系統(tǒng)在制冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中的研究。該廠制冷站冷源系統(tǒng)由2臺(tái)900RT定頻離心式冷水機(jī)組和2臺(tái)900RT 變頻離心式冷水機(jī)組提供。夏季供冷按負(fù)荷需求啟動(dòng)不同臺(tái)數(shù)冷水機(jī)組制冷，過(guò)渡季也有供冷需求，目前通過(guò)啟動(dòng)冷水機(jī)組來(lái)提供。由于過(guò)渡季負(fù)荷比較小，考慮利用室外環(huán)境自然冷卻水為冷源供冷：即在室外氣溫允許的條件下，引用冷卻塔冷卻水為冷源，通過(guò)增加板式換熱器同冷凍水系統(tǒng)熱交換后，使冷凍水降溫以達(dá)到可以使用的空調(diào)條件。從經(jīng)濟(jì)角度可以節(jié)省能源，同時(shí)避免機(jī)組在低溫工況及低負(fù)荷下的強(qiáng)制啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，起到保護(hù)機(jī)組的目的，有效降低制冷能耗，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

1 Free cooling系統(tǒng)應(yīng)用背景

冷卻塔的基本工作原理：干燥（低焓值）的空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)淋水填料進(jìn)入冷卻塔內(nèi)；濕熱（高焓值）的水通過(guò)播水系統(tǒng)噴灑在淋水填料上。當(dāng)水流和空氣接觸時(shí)，一方面由于空氣與水的直接傳熱，另一方面由于水蒸氣分子表面和空氣之間存在壓力差，在壓差的作用下產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，以蒸發(fā)潛熱的形式將水中的熱量帶走，通過(guò)這一蒸發(fā)傳熱過(guò)程達(dá)到降溫的目的。冷卻塔的工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 冷卻塔工作原理圖

相比于夏季室外高溫高濕的狀態(tài)，隨著過(guò)渡季的到來(lái)，室外氣溫及相對(duì)濕度降低，濕球溫度降低，經(jīng)過(guò)冷卻塔處理的冷卻水出水溫度也隨之降低。此時(shí)對(duì)于仍有供冷需求的生產(chǎn)區(qū)域，室內(nèi)濕負(fù)荷及冷負(fù)荷與夏季相比下降較多，空調(diào)末端所需除濕量減少，適當(dāng)提高冷凍水溫或者降低冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即可滿足空調(diào)系統(tǒng)舒適性或生產(chǎn)性的要求。顯然，在此情況下運(yùn)行大功率的冷水機(jī)組，經(jīng)濟(jì)性不高。

Free cooling系統(tǒng)主要用于替代過(guò)渡季節(jié)大功率制冷機(jī)組（電機(jī)功率543 kW）的啟動(dòng)，在過(guò)渡季節(jié)室外環(huán)境溫度允許的條件下（一般氣溫應(yīng)低于18℃），以冷卻水為冷源，通過(guò)板式換熱器與閉式冷凍水系統(tǒng)熱交換，降低冷凍水溫度并輸送至空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工房的溫濕度控制。

2 Free cooling系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本方案采用冷卻塔自然供冷技術(shù)，將出水溫度較低的冷卻水以直接或間接的形式向空調(diào)系統(tǒng)供冷，取代冷水機(jī)組的形式。在過(guò)渡季采用冷卻塔與板式換熱器組合的方式代替冷水機(jī)組處理冷凍水，以滿足室內(nèi)生產(chǎn)需求的空調(diào)負(fù)荷。此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以減少制冷機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，降低其運(yùn)行能耗，空調(diào)系統(tǒng)整體的運(yùn)行能耗明顯降低。系統(tǒng)改造前后設(shè)計(jì)原理示意圖見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 制冷系統(tǒng)現(xiàn)狀示意圖（改造前）

圖3 Free cooling系統(tǒng)改造示意圖（改造后）

3 設(shè)計(jì)方案的實(shí)施

Free cooling系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要針對(duì)局部管路系統(tǒng)，不影響原制冷機(jī)組及系統(tǒng)功能。系統(tǒng)增設(shè)板式換熱器與冷凍水、冷卻水系統(tǒng)連通管，并在管路增設(shè)電動(dòng)及手動(dòng)閥門，保證系統(tǒng)切換順暢以及電動(dòng)閥的正常檢修。

根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，過(guò)渡季所需冷量一般為單臺(tái)機(jī)組的50%，即：

所選取的板式換熱器需要滿足要求并考慮一定的余量，項(xiàng)目選取2 000 kW 換熱量的板式換熱器。

由于新增板式換熱器一、二次側(cè)壓降與制冷機(jī)冷凝器、蒸發(fā)器壓降接近，相應(yīng)的管道阻力特性基本不變，兩套系統(tǒng)可以共用冷凍泵、冷卻泵，系統(tǒng)切換相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性高。其中V2 為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，V1、V3 為電動(dòng)閥，冷水機(jī)組冷凍、冷卻側(cè)為電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥。

系統(tǒng)安裝完成后，具體運(yùn)行策略見(jiàn)表1。

表1 Free cooling模式與原有模式運(yùn)行對(duì)比

系統(tǒng)運(yùn)行可根據(jù)實(shí)際室外氣溫狀況來(lái)決定運(yùn)行Free cooling 系統(tǒng)供冷。每年過(guò)渡季節(jié)，當(dāng)室外濕球溫度傳感器測(cè)得室外濕球溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值（根據(jù)冷卻塔現(xiàn)有參數(shù)，計(jì)算得出當(dāng)濕球溫度達(dá)到8℃以下時(shí)，F(xiàn)ree cooling 系統(tǒng)能投入使用），則系統(tǒng)判定可切換到“Free cooling 系統(tǒng)制冷”。在切換前，系統(tǒng)先確認(rèn)新裝的功能轉(zhuǎn)換閥啟閉到位，保證管路的流程為，冷卻水側(cè)：冷卻塔→冷卻水泵→板式換熱器→冷卻塔；冷凍水側(cè)：集水器→冷凍水泵→板式換熱器→分水器。當(dāng)所有閥門都動(dòng)作到位后，開(kāi)啟冷卻水泵和冷凍水泵，并根據(jù)冷凍水供水溫度調(diào)節(jié)板式換熱器冷卻水側(cè)旁通電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。當(dāng)室外濕球溫度長(zhǎng)時(shí)間≥8 ℃（可調(diào)）或二次側(cè)供水溫度長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法保證，工房溫度指標(biāo)難以滿足時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入冷水機(jī)組供冷。Free cooling 系統(tǒng)運(yùn)行流程見(jiàn)圖4。

圖4 Free cooling系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

4 運(yùn)行效果分析

4.1 節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益

該卷煙廠動(dòng)力中心Free cooling 系統(tǒng)投入運(yùn)行后，制冷系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果顯著。2019 年3 月-5 月，F(xiàn)ree cooling 系統(tǒng)投入運(yùn)行，對(duì)比2018年同期用電數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 Free cooling系統(tǒng)投運(yùn)前后制冷系統(tǒng)用電量對(duì)比

由表2 可見(jiàn)，F(xiàn)ree cooling 系統(tǒng)投入運(yùn)行，2019 年3 月份至4 月份期間，制冷系統(tǒng)用電量同比降低明顯。考慮到2019 年與上年生產(chǎn)日不同，2019 年3 月1 日至5 月29 日運(yùn)行Free cooling 期間，僅統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)日的情況下，制冷系統(tǒng)用電量同比降低108 939 kWh，降低比例20.3%。

過(guò)渡季按照每年春季、秋季計(jì)算，F(xiàn)ree cooling系統(tǒng)改造后，按此計(jì)算系統(tǒng)年運(yùn)行總時(shí)間，改造后每年可節(jié)約用電量為：108 939Χ2=217 878 kWh。按當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.71元/kWh計(jì)算，改造后每年可節(jié)約電費(fèi)約217 878 kWhΧ0.71元/ kWh≈15.5萬(wàn)元。

由此可見(jiàn)，F(xiàn)ree cooling 的投入運(yùn)行，工廠制冷系統(tǒng)的節(jié)能所產(chǎn)生的效應(yīng)顯著，具有較高的推廣價(jià)值。

4.2 降低制冷機(jī)組開(kāi)動(dòng)時(shí)間，提高設(shè)備使用壽命

Free cooling 系統(tǒng)的投入使用，能有效降低大功率制冷機(jī)組開(kāi)動(dòng)時(shí)間，避免了過(guò)渡季節(jié)“大馬拉小車”的低能效運(yùn)行工況，同時(shí)消除了制冷機(jī)組在過(guò)渡季節(jié)低載運(yùn)行時(shí)的頻繁啟停運(yùn)轉(zhuǎn)，起到保護(hù)機(jī)組的目的，提高了制冷設(shè)備的使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了Free cooling 系統(tǒng)在制冷系統(tǒng)運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究與應(yīng)用，通過(guò)在某卷煙廠對(duì)Free cooling 系統(tǒng)改造的應(yīng)用實(shí)例，在春秋過(guò)渡季節(jié)，利用板式換熱器與冷卻塔相結(jié)合的自然供冷方式降溫，不僅達(dá)到工房溫濕度指標(biāo)控制的目標(biāo)，同時(shí)減少了制冷系統(tǒng)的開(kāi)啟時(shí)間，在節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，提高設(shè)備使用壽命的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能降耗經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。通過(guò)Free cooling 系統(tǒng)在卷煙工廠制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用效果分析，F(xiàn)ree cooling 系統(tǒng)在行業(yè)制冷系統(tǒng)中具有較高的推廣價(jià)值。