寒冷地区乳业免费供冷方案对比分析

周敏锐 於仲义 雷建平

(中信建筑设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430014)



寒冷地区乳业免费供冷方案对比分析

周敏锐 於仲义 雷建平

(中信建筑设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430014)

以沈阳地区某典型乳品城的工艺冰水系统设计为基础，提出了热源塔和空气冷却器两种免费供冷的方案，并对比分析了这两种方案的初投资和运行费用，得出了利用热源塔的免费冷却系统经济性更加显著，可为类似工程提供参考。

自然冷源，热源塔热泵，空气冷却器，运行费用

0 引言

对于乳业工艺过程全年需要供冷，冷量需求巨大，如果能够利用自然冷源进行免费供冷，既可以满足工艺生产需求，也可以降低生产费用。常见的可利用自然冷源有：中北部地区的冬季甚至春秋季，室外空气中储存大量冷量；部分海域、河流、地下水水温较低，储存大量冷量；部分地区的自来水中也储存了大量冷量。处于寒冷地区的沈阳，最常用的免费自然冷源为室外冷空气中冷量，主要技术手段为通过直接或间接的换热设备，采用一定的水、空气或特定的循环介质作为载体，将室外冷空气的冷量取出，借助自动控制系统直接用于室内工艺的制冷所用。本文以沈阳某乳品工艺供冷为例(工艺冰水系统所需的总制冷量为2 000 kW，供回水温度为2 ℃/10 ℃，冷冻水流量为215 m3/h)，结合乳业生产工艺需求和自然免费冷源条件，重点对比分析热源塔热泵、空气冷却器2种技术方案，提出可行的技术方案并且评估节能效果。

1 自然冷源参数

沈阳市地处北纬41.7°，东经123.5°，年平均气温为8.4 ℃，冬季室外大气压力为102.1 kPa[1]。

沈阳在最冷的1月份室外平均干球温度为-11.5 ℃，相对湿度为68%，平均湿球温度为-12.46 ℃，室外空气中的含湿量为1.05 g/kg；为综合评价本项目免费制冷的经济性，以此参数作为库房低温乙二醇系统主要设备的选型依据。沈阳每年11月中旬～次年3月中旬四个月份的室外平均干球温度为-6.5 ℃，相对湿度为63%，平均温球温度为-8.0 ℃，室外空气中的含湿量为1.5 g/kg[2]。

2 工艺冷冻水免费供冷系统方案

2.1 热源塔热泵免费供冷方案

热源塔热泵是一种利用低于冰点载体介质直接从空气中取热或放热，通过热源塔和热泵循环，进行供冷、供暖和提供生活热水的冷热源利用技术。夏天热源塔起到高效冷却塔的作用，通过制冷循环将热量排到大气中，实现高效制冷。该热泵系统充分利用了水冷冷水机组供冷技术成熟可靠、效率高的优势[3,4]。

2.1.1 方案简介

沈阳地区每年11月15日～次年3月15日的四个月份室外空气相对湿度为63%，平均湿球温度为-8.0 ℃，大部分时间处于-1 ℃以下，特别是12月～次年2月中旬采用直接蒸发式热源塔机组可以经济可靠地制备-2 ℃的循环介质(防冻液)，再通过板式换热机组将9 ℃工艺冷冻水降温至2 ℃，而-2 ℃的循环介质升温至3 ℃后进入热源塔再冷却，如此反复循环，可不间断地工作。

选用2台处理水量为240 m3/h的热源塔，单台耗电量为22 kW；防冻液侧循环水泵的耗电量为22 kW，每套耗电量为44 kW，总共88 kW的耗电量。

2.1.2 防冻液

为防止载冷介质，本方案载冷介质采用环保安全、低挥发性的防冻液，其主要性能如表1所示：防冻液的密度为1.15 kg/L，其凝固点为-17 ℃；同时设浓度自动检测、报警及自动加药系统，防止防冻液在冷却过程中吸收空气中的水分所引起浓度的降低，满足系统不结冰的要求。

表1 热源塔冷却系统节能表

2.1.3 系统原理图

热源塔冰水风冷方案系统图见图1。

2.1.4 自动控制系统

自动控制系统由两组变频系统及一套集中能源管理系统组成。一组变频器用于控制防冻液侧循环水泵的转速，控制工艺冷冻水的温度在(2±0.5)℃之间。一组变频器用于控制热源塔风机的转速，以便控制热源塔出口防冻液的温度：使其不低于防冻液的冰点温度(-17 ℃)，同时又不高于-3 ℃，在保证可靠性的同时，最大限度的节省运行电费。集中能源管理系统可以显示系统内的所有参数，包括室外空气干球温度与湿球温度；工艺冷冻水的温度；防冻液的温度、密度及冰点；各组水泵运行的频率及耗电量。同时根据采集到的室外空气及防冻液参数来设定系统内部的安全参数，并以基于最小耗电量为原则，动态设定系统的控制参数。

2.1.5 防雪系统

防雪系统的主要目标是防止积雪堆积影响设备进风及风机运行和防止积雪融化成水进入防冻液循环系统中，降低防冻液的浓度。热源塔顶部四周设雨篷，防止积雪封堵热源塔进风口；热源塔出风口设90°导风筒，导风筒设一定长度的水平管，其出口背向冬季主导风向，避免积雪落入热源塔的通风机及叶片，影响设备的正常运行。

2.2 空气冷却器免费供冷方案

2.2.1 技术方案

沈阳地区每年12月～次年2月15日的2个半月的室外空气平均干球温度-9.6 ℃，平均相对湿度为63.6%，77%以上的时间空气温度不高于-5 ℃。采用表冷方式的空气冷却器可以制备3 ℃/-2 ℃的循环介质(防冻液)，此过程中要求室外空气温度在-9 ℃以下(利用的换热温差为7 ℃)。再通过板式换热机组将9 ℃工艺冷冻水降温至2 ℃，而-2 ℃的循环介质升温至3 ℃后进入空气冷却器再冷却，如此反复循环，可持续满足工艺的冷水需求。选用5台处理水量为102 m3/h的空冷器，单台耗电量为21.6 kW；防冻液侧循环水泵的耗电量为7.5 kW，单套耗电量为29.1 kW，总耗电量为145.5 kW。

2.2.2 载冷剂与自动控制系统

考虑到低温结冰的情况，载冷介质采用环保安全低挥发性的防冻液。设浓度自动检测、报警及自动加药系统，防止防冻液在冷却过程中浓度变化导致的换热效果降低，满足系统不结冰的要求。

自动控制系统同热源塔热泵系统由两组变频系统和一组集中能源管理系统组成，不同之处在于一组变频器用于控制空气冷却器风机的转速，以便控制表冷器出口防冻液的温度。

3 节能性能评估

3.1 工艺冷冻水免费冷却系统节约能量

热源塔工艺冷冻水冷却系统每年节省运行电量为251万kWh，如表1所示。系统启动温度-1 ℃，满足全负荷运行时的温度为-5 ℃。

空气冷却器工艺冷冻水冷却系统每年节省运行电量为130万kWh，如表2所示。系统启动温度-5 ℃，满足全负荷运行时的温度为-9 ℃。

3.2 运行成本

沈阳市企业的峰谷时段：高峰8 h：7:00～11:00，17:00～21:00；平段8 h：5:00～7:00，11:00～17:00；低谷8 h：21:00～次日5:00。高峰电价在平段电价基础上再上浮50%，谷段电价在平段电价基础上再下降50%。按此电价政策，平段电价为0.560 6元/kWh、高峰时电价为0.840 9元/kWh、低谷时段电价为0.280 3元/kWh，本项目按照平均电价0.5元/kWh计算。各冷却系统运行成本和节能性见表3。

表2 空气冷却器系统节能表

表3 各冷却系统运行成本和节能性

由表3可见，热源塔工艺冷冻水冷却系统和空气冷却器冷冻水冷却系统在晚间电价低谷段运行，节能的运行费用分别为125.5万元、65.0万元[5]。

3.3 经济效益分析

根据两种不同方案的成本及运行费用可以计算出不同方案的投资回收期，如表4所示。

表4 投资回收期

4 结论与建议

通过乳业生产工艺方案经济效益分析，不难发现工艺冷冻水免费冷却系统的节能效果相当明显，其中热源塔免费冷却系统经济性更加显著，投资回收期不到3年，建议可以马上投入改造。

[1] GB 50736—2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[2] 中国气象局气象信息中心气象资料室.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3] 文先太,梁彩华,刘成兴,等.基于空气能量回收的热源塔溶液再生系统节能性分析[J].化工学报,2011,62(11):3242-3247.

[4] 汪庆军,陈焰华,雷建平.热源塔热泵技术在武汉地区应用适宜性分析[J].建筑热能与通风空调,2016,35(11):76-79.

[5] GB/T 2589—2008,综合能耗计算通则[S].

Comparison analysis of dairy free cooling scheme in cold area

Zhou Minrui Yu Zhongyi Lei Jianping

(CITICGeneralInstituteofArchitecturalDesignandResearchCo.,Ltd，Wuhan430014，China)

This paper put forward two different free cooling schemes, hot source tower and air cooler, which are based on the ice water system design for a typical dairy city in cold area, Shenyang. According to comparison analysis the initial cost and operating cost, it can be found that hot source tower free cooling system is more significant in economy, it can provide reference for similar projects.

natural cold source, hot source tower hot pump, air cooler, operating cost

1009-6825(2017)14-0112-03

2017-03-01

周敏锐(1984- )，女，硕士，工程师

TU761.3

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