自然冷却在空调和工艺冷却水系统中的应用

韩超,殷尧其

(上海阿尔西空调系统服务有限公司,上海200063)

在半导体、微电子、注塑、机械加工、食品、饮料等行业中,许多产品或工艺生产环境都要求配备洁净厂房,车间全年要求温度和相对湿度保持在一定范围,其中一些生产过程发热量大,设备或工艺需要低温水冷却降温,甚至在冬季仍然需要空调供冷,所以冷水机组、冷却塔、冷却水泵和冷冻水泵往往要求全年运行,系统运行能耗高,运行成本高。自然冷却技术通过合理使用环境气温或者水温减少空调能源消耗,当室内环境温度高于室外环境温度时直接利用空气或间接利用水作为冷源载体,将低温空气或水送入室内,经过气-气或气-水热交换后,达到为室内降温的目的,特别在冬季不仅是技术上可行的,而且有显著的节能效果。本文将对自然冷却中的新风直接冷却和冷却水间接冷却技术的原理、特点进行分析,并结合案例对这两种技术的应用进行介绍,对两种技术的节能效果进行分析。

1 自然冷却技术原理

自然冷却技术特点就是合理利用自然界天然冷空气作为冷源,替代冷水机组运行,从而减少空调的能耗。根据冷源载体不同,自然冷却技术分为新风直接冷却和冷却水间接冷却,两者都采用环境温度调节室内气温,适合冬季空调供冷。其中新风直接冷却采用的是环境空气作为冷源,采用新风直接冷却既可以降温保证室内温度又可以降低室内二氧化碳浓度,提升室内空气品质;新风自然冷却技术换热效率高,但仅适用于空调系统。冷却水间接冷却技术利用水做为冷源载体,适用于室内设备发热量大、冬季空调系统仍然运行制冷的场合或者工艺生产过程中设备发热量大需要冷却水冷却,并且冷却水需要冷水机组运行降温的场合。冷却水间接冷却技术适用范围广泛,既适用于空调系统,又适用于需要冷却水的生产工艺系统。

1.1 新风自然冷却

采用新风自然冷却,让室外的低温新风通过通风设备进入空调区域。吸收人员和设备排出的热负荷,同时形成热羽流上升。热羽流在上升过程中不断卷吸周围空气,流量逐渐增加形成热分层,沿高度将整个空间分为上下两层。其中下区空气由下向上呈单向“活塞流”,沿高度方向形成明显的温度梯度;而上区经过充分热交换的空气被排出,将房间热负荷带到室外,达到降温换气的目的。新风直接冷却运转设备总功率小,仅需开启送风机和排风机,可利用时间长。新风自然冷却系统控制方便,可以根据环境气温变化调整开启送排风机的台数,或使用变频控制送排风机,节能效果更加显著,投资回收期短。不过新风自然冷却仅适用于空调系统,不适用于对洁净度有一定要求的场所,或者原来为水冷却的工艺生产设备。

1.2 冷却水间接冷却

采用冷却水间接冷却技术,循环水经过热源换热后升温,温度较高的循环水进入闭式冷却塔或开式冷却塔散热后温度降低,低温循环水进入空调箱(或生产设备),通过冷盘管(或生产设备内部换热器)换热,将室内(或设备内)的热量转移到循环水,低温循环水吸热后温度升高,再经过冷却塔将携带的室内热量散发到大气中。

冷却水间接冷却技术用于空调系统时,如果空调系统仅降温不除湿,冷却塔出水温度只要在15℃以下,该技术可使用时间长,节能量也更大;如果空调系统既要降温又要除湿,冷却塔出水温度就必须不高于7～10℃,该技术可使用时间就较短,节能量也较小。冷却水间接冷却技术用于生产工艺冷却系统时,根据不同生产工艺对低温水温度有不同的要求,有的生产工艺要求低温水温度20℃,有的工艺需要18℃,有的工艺需要15℃等等;对低温水不同的温度需求均可以通过温控实现,低温水的温度越高,该技术可使用的时间就越长,节能量就会越大。

冷却水间接冷却技术中关键设备可以是闭式冷却塔或者开式冷却塔。采用闭式冷却塔,运行时循环水从闭式冷却塔内的换热盘管中流过,与管外喷淋水间接换热,冷却后的循环水从塔体流出,整个换热过程中循环水在封闭换热盘管内流动,实现与大气换热,不直接接触大气,不会受到环境污染,既可适用于纯水又可使用于一般自来水的冷却。采用开式冷却塔,运行时循环水直接在冷却塔的填料表面流过,通过水的蒸发吸热而降温,循环水接触大气,水质会受到大气环境污染,因此当对循环水水质有要求时,只能采用闭式冷却塔。冷却水间接冷却运转设备总功率大,需要开启冷却塔、冷却水泵、空调箱,由于冷却塔换热要求一定的温差,因此这种方式的可利用时间较短,不过室外空气冷却水室内热负荷系统控制方便,可以根据环境气温变化,控制冷却塔风机风量,因此比较适用于各种空调场所,也可以用于原来为水冷却的工艺生产设备。

2 案例介绍

本文介绍两个案例,案例一为新风自然冷却在空调系统的应用;案例二为冷却水间接冷却在工艺生产冷却系统的应用。

2.1 新风自然冷却在某印务公司车间中的应用

某印务公司的车间原来的空调系统共配置了3台风冷冷水机组总制冷量948 kW,总耗电325 kW;配置了4台组合式空调,每台风量58000m3/h,制冷量445 kW。由于印刷设备发热量大,在春秋过渡季节甚至冬季还需要空调供冷,为了提供冷源,冬季和过渡季节室外气温低的情况下,风冷式冷水机组和冷冻水泵仍然需要运行(冬季风冷式冷水机组平均运行在50%负载),空调系统能耗大,运行费用高。

印务公司采用新风自然冷却技术对原来空调进行了改造,改造工作在车间的空调系统加装了进风与排风系统,在空调机房的墙壁上安装防雨百叶将新风引入空调机房内;车间屋顶上安装4台排风机箱(每台排风机功率15 kW),排风机箱的风量为组合式空调机组风量的80%,在回风管上连接一分支管到排风机箱上,在该支管上增加一个电动排风阀;排风机箱的排风口也需做防雨装置,见图1。

图1 新风自然冷却技术在空调系统

在采用新风自然冷却技术之前,当室外新风温度低于室内温度(由用户提供,暂且估计为25℃)时,空调主机仍然运行,电动排风风阀3全开,电动新风风阀1全开,电动回风风阀2全部关闭;当室外新风温度低于16℃时,关闭空调主机,电动排风风阀3全开,电动新风风阀1全开,电动回风风阀2全部关闭。随着室外温度的降低,新风自然冷却系统根据室外温度正比例控制电动排风风阀与电动新风风阀开度。当室外新风温度降到20℃就可开启全新风自然冷却系统,改造后使用全新风自然冷却的时间相对较长,每年大约有150天左右。3台风冷冷水机组功率为325 kW,改造前平均运行在50%负载,150天冷水机组耗电量58.5万kWh(折合标煤236.3 t),电价按0.70元/kW h计算,运行电费约41万元。在采用新风自然冷却技术之后,4台15kW的排风机150天排风机耗电量21.6万kWh (折合标煤87.3 t);运行电费约15万元。改造后全年减少用电36.9万kWh(折合标煤149 t),节省电费约25.8万元,新风自然冷却系统节能改造投资为36.8万元,投资回收期约1.4年。

2.2 冷却水间接冷却在半导体生产中的应用

上海某科技股份有限公司是一家半导体生产企业,生产过程中需要工艺冷却水冷却生产设备。当工艺生产设备全部运行时,冷却水系统共有 2台15 kW水泵运行,总流量 87 m3/h,旁通管流量9.2 m3/h,流量工艺设备流量77.8m3/h;工艺设备冷却水进水温度为20℃±2℃,出水温度25℃。该冷却水系统和为其提供冷冻水的冷水机组365天全天运行,即使在冬季室外气温低的情况下,冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔继续运行,系统运行能耗高,运行费用高,为此决定采用冷却水间接冷却技术进行节能改造。

改造采用了冷却水间接冷却技术,冷却水系统配置了1台闭式FBN-125T冷却塔,冷却塔循环水量103.5 m3/h,进出水温25℃/20℃;湿球温度16℃,最大耗电量11 kW。改造增加了密闭式冷却塔循环水管路系统,提供冬季和过渡季节时工艺设备的冷却水。改造后在过渡季节当室外温度较低时开启密闭式冷却塔水循环系统,由闭式冷却塔循环水系统直接提供工艺冷却水,减少冷水机组的负荷,降低冷水机组的电耗。闭式冷却塔风机采用了变频技术,通过闭式冷却塔风机变频与喷淋水泵的启停,将闭式冷却塔德出水温度控制在20℃±2℃。最后将闭式冷却塔通过管路连接到原来系统中,替代原来的板式换热器和冷水机组等系统。工艺设备用冷冻水系统节能改造原理见图2。

根据记录,作为改造前典型日的2009年8月27日,流经生产设备的冷却水流量77.8m3/h,从用户端出来25℃水流经闭式冷却塔降温到20℃,通过计算可以得到对应的1号冷却水系统冷负荷为452.3 kW;由于冷水机组COP值4.3,那么冷水机组运行的理论耗电105.2 kW。

根据2008-2009年上海冬季气象数据,可用自然冷却天数162天,全天可用自然冷却天数138天,按照将来全天可用闭式冷却塔自然冷却天数130天计算,冷水机组节电量按照可以减少压缩机运行的功率核算,由于冬季冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔运行除供本次改造系统作为冷源外,还为其他系统提供冷源,故本次节能量计算忽略了冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔运行能耗和运行费用。

图2 改造后工艺设备用冷冻水系统

由于改造前105.2 kW的冷水机组要运行130天,耗电量为32.8万kWh(折合标煤132.6 t),运行电费约23万元。节能改造后采用两台4 kW的FBN-125T闭式塔风机和一台3 kW 的喷淋水泵,按照闭式塔冬季运行130天计算,冷却塔风机和喷淋水泵随着室外环境温度变化分别变频控制和启停控制,故闭式塔实际运行耗电量约为额定耗电量的50%,闭式冷却塔的耗电量为17160 kWh(折合标煤6.9 t),运行电费仅约1.2万元,节能改造后全年节电31.1万kWh,节能量为125.7 t标煤;与改造前的全年电费23万元相比可以减少电费支出约21.8万元,工艺冷却水系统节能改造的总投资大约36.6万元,投资回收期1.7年。

3 结论

自然冷却技术是对冬季自然能充分利用。冬季停开冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等耗能设备,大大节省了这些设备运行能耗,降低了运行费用;降低了冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等设备的冬季运行时间,延长了这些设备的使用年限;减少了冬季对冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等设备的运行维护保养工作量。自然冷却技术是一项节能量大,投资费用低,投资回收期短的先进技术,投资回收期一般1～2年,可应用范围广,可复制性强,值得大力推广。