风冷技术在企业空调系统中节能应用

朱月星，李 杰，潘 鸣，刘雨婷，李 乐

ZHU Yue-xing, LI Jie, PAN Ming, LIU Yu-ting, LI Le

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

0 引言

目前，能源短缺是我国乃至世界面临的最大问题之一。在我国，工业能耗占全国能源消费总量的70%，可持续发展面临很大的压力。其中，在工业能耗中，工厂辅助设备的能耗占全部能耗的40%多，由于工长主要设备受产品工艺和非标设备限制，节能空间有限。相反辅助设备都是常用标准设备，节能空间很大。本文章讲述利用风冷技术，结合JZN03能源管理系统在摩托罗拉电子工厂空调系统节能改造成功案例。

1 项目概况

摩托罗拉工厂为电子厂房建筑，由于在电子厂房建筑内有大量的余热，一年四季都需要稳定的冷负荷，且制冷机的运行时间较长，耗电量较高，所以该工厂空调系统中制冷机的能耗占有很高的比例。其空调系统的主要设备如表1所示。

表1 空调系统主要设备性能参数

摩托罗拉天津工厂Ⅰ、Ⅱ期制冷机在不同季节的开启情况：夏季Ⅰ期车间需运行2台制冷机，Ⅱ期车间需运行2～3台制冷机；过渡季Ⅰ、Ⅱ期车间一般需分别运行1～2台制冷机；冬季Ⅰ、Ⅱ期各运行1台制冷机。工作人员依据经验判断，手动切换进行启停制冷设备，来满足工厂室内负荷需求。

2 节能原理

原有空调系统运行原理为：1）通过冷冻水将室内热量置换到制冷机。2）通过冷却水将制冷机内热量置换到冷却塔。冷却塔再通过风扇将热量散发到大气中，如图1所示。

图1 冷却塔工作原理

根据电子工厂冬季需要供冷的特点，可以通过风冷技术直接将冷却水和冷冻水热量置换，由原来的Ⅰ、Ⅱ期制冷机提供冷源改为由Ⅱ期冷却塔提供冷源。从而节省制冷机的能耗，以达到节能效果，同时解决冬季、过渡季节空调系统供冷，减少制冷机运行时间，可得到很好的节能效果。

图2 冷却塔间接供冷原理图

3 具体方案

摩托罗拉工厂所在地区的气候条件可以较长时间满足冷却塔供冷所需的室外湿球温度。根据天津市的气象参数，表2及图3给出了天津地区典型年不同湿球温度范围段出现的小时数。

图3 天津市的全年湿球温度

表2 天津地区室外湿球温度分布表

在月份为1月～4月和10月～12月中，经过详细统计，早7点到晚7点，天津市室外湿球温度小于5℃的小时数为2491h，晚8点到次日早6点的小时数为1910h，如表2所示。

表2 10月至转年1月室外湿球温度分布

根据室外气象条件和室内负荷变化，改造后的冷却塔与制冷机联合供冷的系统可采用以下4种供冷模式。

1）台冷却塔单独供冷模式：在该模式下，Ⅰ期和Ⅱ期的需冷量全部由冷却塔供冷系统提供

2）台冷却塔单独供冷模式：在该模式下，Ⅰ期和Ⅱ期的需冷量全部由冷却塔供冷系统提供

3）制冷机供冷与冷却塔供冷联合运行模式：在该模式下，Ⅰ期和Ⅱ期的需冷量主要由Ⅱ期的一台制冷机和冷却塔供冷系统联合提供。其中2台冷却塔直接提供冷源，另外2台给制冷机使用。

4）夏季制冷机单独供冷模式：在该模式下，Ⅰ期和Ⅱ期的需冷量由Ⅰ期和Ⅱ期的制冷机分别提供。

4 原有设备改造及新设备的增加

4.1 供回水管路改造

1）增加换热板换器

按照甲方提供数据，冬季的需冷量最大时约为1300RT。考虑到投资回收期，以及二期动力厂房的现有空间问题，选择冷侧、热侧为1℃温差的板式换热器2台，每台换热器的换热量为650RT（2286kW）。

为了节省投资，冷冻水泵与冷却水泵利用原有设备，根据表1中水泵的性能参数计算，冷却塔供冷系统单台换热器的冷冻水侧设计水流量为1200GPM（76kg/s），冷却水侧设计水流量为2550GPM（161kg/s），具体参数如表3所示。

表3 板式换热器的设计参数

根据以上参数，选择型号T20-PEG阿法拉伐板式换热器，每台换热量2286kW，进出口管径均为DN200，对数温差为2.4℃，传热系数为4774W/（m2×K），换热面积为198.5m2，换热器外型尺寸：长×宽×高为2145mm×780mm×2165mm。

2）增加10路电动蝶阀

为了保证上述4种运行模式，需要在供回水回路上增加10个电动蝶阀，保证在运行模式改变的时候能自动切换供回水路由。

3）冷冻水水泵变频控制方式的改造

原有冷冻水泵为普通水泵，在改造方案中，为保证系统的稳定运行和冷冻水供回水温度差，需将冷冻水泵改为变频控制。

4.2 冷却塔的改造

1）增设蝶阀

原有Ⅱ期的四台冷却塔是并联运行的，不适用Ⅱ期的制冷机与冷却塔的联合运行，所以需对四台冷却塔管路进行改造，将冷却塔CT-201、CT-202并联，再将另外两台冷却塔CT-203、CT-204并联。在冷却水供回水总干管，以及冷却塔的连通管上分别增设蝶阀。

2）增加2台变频柜

原冷却塔的风机为高低速两档，电机功率分别为36.8kW和9.2kW。为满足4种模式运行方式，Ⅱ期两台冷却塔CT-201、CT-202要改为变频控制。改造其供电控制线路，在其供电线路上增加一个变频器（不改变原工作模式），使此风机受变频器控制。可以根据冷却塔供冷侧冷冻水供水管或冷却塔冷却水供水的温度变化控制冷却塔风机的频率。

3）增加1套室外温湿度监测仪器，可以通讯方式和上位监控系统联系。

4）增加1台PLC控制柜及1套JZN03能源管理监控。

为了方便监控整套系统设备的运行情况及手动或自动转换4种运行模式，同时，更好的记录设备能耗情况。

5 控制方案

5.1 根据室外温度控制系统自动切换4种运行方式

1）室外湿球温度稳定且T﹥6℃时，采用制冷机单独制冷模式，具体开启数量由工作人员手动选择。

2）室外湿球温度稳定且1℃﹤T≤6℃时，制冷机供冷与冷却塔供冷联合运行模式。

3）室外湿球温度稳定且-2℃﹤T≤1℃时，4台冷却塔单独供冷模式。

4）室外湿球温度稳定且T≤-2℃时，2台冷却塔单独供冷模式。

5.2 冷却塔风机控制

1）室外湿球温度稳定且T﹥6℃时，制冷机单独制冷。采用原控制方式为通过冷却水温度控制风机高速、低速或停止。

2）T≤6℃时，冷却塔供冷。CT-201、CT-202冷却塔风机采用冷却水供回水温差实现自动变频控制。CT-203、CT-204冷却塔风机采用冷却水温度控制风机高速、低速或停止。

3）PLC控制柜主要是控制包括电机（风扇、水泵）启停控制、状态反馈、故障反馈、本地/远程反馈、温度显示及控制、频率控制及反馈、电磁阀控制及反馈等。

4）变频柜主要是控制CT-201、CT-202冷却塔风机的变频控制及高低速控制。

5）上位监控软件主要是监控各设备的运行状态及采集运行数据，监控各个设备的用能情况，分析节能效果。

6 结束语

通过对摩托罗拉工厂的节能改造，采用风冷技术解决了不通过冷水机制冷而满足冬季供冷问题。最大限度实现节能减排，通过一个冬季的统计数据显示，11月到下年3月停开冷水机1～2台，共节省电费150万元。而整套改造话费120万元，一年即收回成本。但同时这种节能方案也存在一定的局限性，只能适用于电子、冶金等这种高发热的工厂。

[1]陈沛林.间接蒸发冷却在我国适用性的分析[J].暖通空调1994(5).

[2]黄翔.面向环保节能经济及室内空气品质联合挑战的冷却技术[J].建筑热能通风空调,2003,22(4).