風冷技術(shù)在企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)中節(jié)能應(yīng)用

朱月星，李 杰，潘 鳴，劉雨婷，李 樂

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

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

目前，能源短缺是我國乃至世界面臨的最大問題之一。在我國，工業(yè)能耗占全國能源消費總量的70%，可持續(xù)發(fā)展面臨很大的壓力。其中，在工業(yè)能耗中，工廠輔助設(shè)備的能耗占全部能耗的40%多，由于工長主要設(shè)備受產(chǎn)品工藝和非標設(shè)備限制，節(jié)能空間有限。相反輔助設(shè)備都是常用標準設(shè)備，節(jié)能空間很大。本文章講述利用風冷技術(shù)，結(jié)合JZN03能源管理系統(tǒng)在摩托羅拉電子工廠空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造成功案例。

1 項目概況

摩托羅拉工廠為電子廠房建筑，由于在電子廠房建筑內(nèi)有大量的余熱，一年四季都需要穩(wěn)定的冷負荷，且制冷機的運行時間較長，耗電量較高，所以該工廠空調(diào)系統(tǒng)中制冷機的能耗占有很高的比例。其空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備如表1所示。

表1 空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備性能參數(shù)

摩托羅拉天津工廠Ⅰ、Ⅱ期制冷機在不同季節(jié)的開啟情況：夏季Ⅰ期車間需運行2臺制冷機，Ⅱ期車間需運行2～3臺制冷機；過渡季Ⅰ、Ⅱ期車間一般需分別運行1～2臺制冷機；冬季Ⅰ、Ⅱ期各運行1臺制冷機。工作人員依據(jù)經(jīng)驗判斷，手動切換進行啟停制冷設(shè)備，來滿足工廠室內(nèi)負荷需求。

2 節(jié)能原理

原有空調(diào)系統(tǒng)運行原理為：1）通過冷凍水將室內(nèi)熱量置換到制冷機。2）通過冷卻水將制冷機內(nèi)熱量置換到冷卻塔。冷卻塔再通過風扇將熱量散發(fā)到大氣中，如圖1所示。

圖1 冷卻塔工作原理

根據(jù)電子工廠冬季需要供冷的特點，可以通過風冷技術(shù)直接將冷卻水和冷凍水熱量置換，由原來的Ⅰ、Ⅱ期制冷機提供冷源改為由Ⅱ期冷卻塔提供冷源。從而節(jié)省制冷機的能耗，以達到節(jié)能效果，同時解決冬季、過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)供冷，減少制冷機運行時間，可得到很好的節(jié)能效果。

圖2 冷卻塔間接供冷原理圖

3 具體方案

摩托羅拉工廠所在地區(qū)的氣候條件可以較長時間滿足冷卻塔供冷所需的室外濕球溫度。根據(jù)天津市的氣象參數(shù)，表2及圖3給出了天津地區(qū)典型年不同濕球溫度范圍段出現(xiàn)的小時數(shù)。

圖3 天津市的全年濕球溫度

表2 天津地區(qū)室外濕球溫度分布表

在月份為1月～4月和10月～12月中，經(jīng)過詳細統(tǒng)計，早7點到晚7點，天津市室外濕球溫度小于5℃的小時數(shù)為2491h，晚8點到次日早6點的小時數(shù)為1910h，如表2所示。

表2 10月至轉(zhuǎn)年1月室外濕球溫度分布

根據(jù)室外氣象條件和室內(nèi)負荷變化，改造后的冷卻塔與制冷機聯(lián)合供冷的系統(tǒng)可采用以下4種供冷模式。

1）臺冷卻塔單獨供冷模式：在該模式下，Ⅰ期和Ⅱ期的需冷量全部由冷卻塔供冷系統(tǒng)提供

2）臺冷卻塔單獨供冷模式：在該模式下，Ⅰ期和Ⅱ期的需冷量全部由冷卻塔供冷系統(tǒng)提供

3）制冷機供冷與冷卻塔供冷聯(lián)合運行模式：在該模式下，Ⅰ期和Ⅱ期的需冷量主要由Ⅱ期的一臺制冷機和冷卻塔供冷系統(tǒng)聯(lián)合提供。其中2臺冷卻塔直接提供冷源，另外2臺給制冷機使用。

4）夏季制冷機單獨供冷模式：在該模式下，Ⅰ期和Ⅱ期的需冷量由Ⅰ期和Ⅱ期的制冷機分別提供。

4 原有設(shè)備改造及新設(shè)備的增加

4.1 供回水管路改造

1）增加換熱板換器

按照甲方提供數(shù)據(jù)，冬季的需冷量最大時約為1300RT?？紤]到投資回收期，以及二期動力廠房的現(xiàn)有空間問題，選擇冷側(cè)、熱側(cè)為1℃溫差的板式換熱器2臺，每臺換熱器的換熱量為650RT（2286kW）。

為了節(jié)省投資，冷凍水泵與冷卻水泵利用原有設(shè)備，根據(jù)表1中水泵的性能參數(shù)計算，冷卻塔供冷系統(tǒng)單臺換熱器的冷凍水側(cè)設(shè)計水流量為1200GPM（76kg/s），冷卻水側(cè)設(shè)計水流量為2550GPM（161kg/s），具體參數(shù)如表3所示。

表3 板式換熱器的設(shè)計參數(shù)

根據(jù)以上參數(shù)，選擇型號T20-PEG阿法拉伐板式換熱器，每臺換熱量2286kW，進出口管徑均為DN200，對數(shù)溫差為2.4℃，傳熱系數(shù)為4774W/（m2×K），換熱面積為198.5m2，換熱器外型尺寸：長×寬×高為2145mm×780mm×2165mm。

2）增加10路電動蝶閥

為了保證上述4種運行模式，需要在供回水回路上增加10個電動蝶閥，保證在運行模式改變的時候能自動切換供回水路由。

3）冷凍水水泵變頻控制方式的改造

原有冷凍水泵為普通水泵，在改造方案中，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和冷凍水供回水溫度差，需將冷凍水泵改為變頻控制。

4.2 冷卻塔的改造

1）增設(shè)蝶閥

原有Ⅱ期的四臺冷卻塔是并聯(lián)運行的，不適用Ⅱ期的制冷機與冷卻塔的聯(lián)合運行，所以需對四臺冷卻塔管路進行改造，將冷卻塔CT-201、CT-202并聯(lián)，再將另外兩臺冷卻塔CT-203、CT-204并聯(lián)。在冷卻水供回水總干管，以及冷卻塔的連通管上分別增設(shè)蝶閥。

2）增加2臺變頻柜

原冷卻塔的風機為高低速兩檔，電機功率分別為36.8kW和9.2kW。為滿足4種模式運行方式，Ⅱ期兩臺冷卻塔CT-201、CT-202要改為變頻控制。改造其供電控制線路，在其供電線路上增加一個變頻器（不改變原工作模式），使此風機受變頻器控制?？梢愿鶕?jù)冷卻塔供冷側(cè)冷凍水供水管或冷卻塔冷卻水供水的溫度變化控制冷卻塔風機的頻率。

3）增加1套室外溫濕度監(jiān)測儀器，可以通訊方式和上位監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)系。

4）增加1臺PLC控制柜及1套JZN03能源管理監(jiān)控。

為了方便監(jiān)控整套系統(tǒng)設(shè)備的運行情況及手動或自動轉(zhuǎn)換4種運行模式，同時，更好的記錄設(shè)備能耗情況。

5 控制方案

5.1 根據(jù)室外溫度控制系統(tǒng)自動切換4種運行方式

1）室外濕球溫度穩(wěn)定且T﹥6℃時，采用制冷機單獨制冷模式，具體開啟數(shù)量由工作人員手動選擇。

2）室外濕球溫度穩(wěn)定且1℃﹤T≤6℃時，制冷機供冷與冷卻塔供冷聯(lián)合運行模式。

3）室外濕球溫度穩(wěn)定且-2℃﹤T≤1℃時，4臺冷卻塔單獨供冷模式。

4）室外濕球溫度穩(wěn)定且T≤-2℃時，2臺冷卻塔單獨供冷模式。

5.2 冷卻塔風機控制

1）室外濕球溫度穩(wěn)定且T﹥6℃時，制冷機單獨制冷。采用原控制方式為通過冷卻水溫度控制風機高速、低速或停止。

2）T≤6℃時，冷卻塔供冷。CT-201、CT-202冷卻塔風機采用冷卻水供回水溫差實現(xiàn)自動變頻控制。CT-203、CT-204冷卻塔風機采用冷卻水溫度控制風機高速、低速或停止。

3）PLC控制柜主要是控制包括電機（風扇、水泵）啟?？刂?、狀態(tài)反饋、故障反饋、本地/遠程反饋、溫度顯示及控制、頻率控制及反饋、電磁閥控制及反饋等。

4）變頻柜主要是控制CT-201、CT-202冷卻塔風機的變頻控制及高低速控制。

5）上位監(jiān)控軟件主要是監(jiān)控各設(shè)備的運行狀態(tài)及采集運行數(shù)據(jù)，監(jiān)控各個設(shè)備的用能情況，分析節(jié)能效果。

6 結(jié)束語

通過對摩托羅拉工廠的節(jié)能改造，采用風冷技術(shù)解決了不通過冷水機制冷而滿足冬季供冷問題。最大限度實現(xiàn)節(jié)能減排，通過一個冬季的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，11月到下年3月停開冷水機1～2臺，共節(jié)省電費150萬元。而整套改造話費120萬元，一年即收回成本。但同時這種節(jié)能方案也存在一定的局限性，只能適用于電子、冶金等這種高發(fā)熱的工廠。

[1]陳沛林.間接蒸發(fā)冷卻在我國適用性的分析[J].暖通空調(diào)1994(5).

[2]黃翔.面向環(huán)保節(jié)能經(jīng)濟及室內(nèi)空氣品質(zhì)聯(lián)合挑戰(zhàn)的冷卻技術(shù)[J].建筑熱能通風空調(diào),2003,22(4).