寒冷地區乳業免費供冷方案對比分析

周敏銳 於仲義 雷建平

(中信建筑設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430014)

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寒冷地區乳業免費供冷方案對比分析

周敏銳 於仲義 雷建平

(中信建筑設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430014)

以沈陽地區某典型乳品城的工藝冰水系統設計為基礎，提出了熱源塔和空氣冷卻器兩種免費供冷的方案，并對比分析了這兩種方案的初投資和運行費用，得出了利用熱源塔的免費冷卻系統經濟性更加顯著，可為類似工程提供參考。

自然冷源，熱源塔熱泵，空氣冷卻器，運行費用

0 引言

對于乳業工藝過程全年需要供冷，冷量需求巨大，如果能夠利用自然冷源進行免費供冷，既可以滿足工藝生產需求，也可以降低生產費用。常見的可利用自然冷源有：中北部地區的冬季甚至春秋季，室外空氣中儲存大量冷量；部分海域、河流、地下水水溫較低，儲存大量冷量；部分地區的自來水中也儲存了大量冷量。處于寒冷地區的沈陽，最常用的免費自然冷源為室外冷空氣中冷量，主要技術手段為通過直接或間接的換熱設備，采用一定的水、空氣或特定的循環介質作為載體，將室外冷空氣的冷量取出，借助自動控制系統直接用于室內工藝的制冷所用。本文以沈陽某乳品工藝供冷為例(工藝冰水系統所需的總制冷量為2 000 kW，供回水溫度為2 ℃/10 ℃，冷凍水流量為215 m3/h)，結合乳業生產工藝需求和自然免費冷源條件，重點對比分析熱源塔熱泵、空氣冷卻器2種技術方案，提出可行的技術方案并且評估節能效果。

1 自然冷源參數

沈陽市地處北緯41.7°，東經123.5°，年平均氣溫為8.4 ℃，冬季室外大氣壓力為102.1 kPa[1]。

沈陽在最冷的1月份室外平均干球溫度為-11.5 ℃，相對濕度為68%，平均濕球溫度為-12.46 ℃，室外空氣中的含濕量為1.05 g/kg；為綜合評價本項目免費制冷的經濟性，以此參數作為庫房低溫乙二醇系統主要設備的選型依據。沈陽每年11月中旬～次年3月中旬四個月份的室外平均干球溫度為-6.5 ℃，相對濕度為63%，平均溫球溫度為-8.0 ℃，室外空氣中的含濕量為1.5 g/kg[2]。

2 工藝冷凍水免費供冷系統方案

2.1 熱源塔熱泵免費供冷方案

熱源塔熱泵是一種利用低于冰點載體介質直接從空氣中取熱或放熱，通過熱源塔和熱泵循環，進行供冷、供暖和提供生活熱水的冷熱源利用技術。夏天熱源塔起到高效冷卻塔的作用，通過制冷循環將熱量排到大氣中，實現高效制冷。該熱泵系統充分利用了水冷冷水機組供冷技術成熟可靠、效率高的優勢[3,4]。

2.1.1 方案簡介

沈陽地區每年11月15日～次年3月15日的四個月份室外空氣相對濕度為63%，平均濕球溫度為-8.0 ℃，大部分時間處于-1 ℃以下，特別是12月～次年2月中旬采用直接蒸發式熱源塔機組可以經濟可靠地制備-2 ℃的循環介質(防凍液)，再通過板式換熱機組將9 ℃工藝冷凍水降溫至2 ℃，而-2 ℃的循環介質升溫至3 ℃后進入熱源塔再冷卻，如此反復循環，可不間斷地工作。

選用2臺處理水量為240 m3/h的熱源塔，單臺耗電量為22 kW；防凍液側循環水泵的耗電量為22 kW，每套耗電量為44 kW，總共88 kW的耗電量。

2.1.2 防凍液

為防止載冷介質，本方案載冷介質采用環保安全、低揮發性的防凍液，其主要性能如表1所示：防凍液的密度為1.15 kg/L，其凝固點為-17 ℃；同時設濃度自動檢測、報警及自動加藥系統，防止防凍液在冷卻過程中吸收空氣中的水分所引起濃度的降低，滿足系統不結冰的要求。

表1 熱源塔冷卻系統節能表

2.1.3 系統原理圖

熱源塔冰水風冷方案系統圖見圖1。

2.1.4 自動控制系統

自動控制系統由兩組變頻系統及一套集中能源管理系統組成。一組變頻器用于控制防凍液側循環水泵的轉速，控制工藝冷凍水的溫度在(2±0.5)℃之間。一組變頻器用于控制熱源塔風機的轉速，以便控制熱源塔出口防凍液的溫度：使其不低于防凍液的冰點溫度(-17 ℃)，同時又不高于-3 ℃，在保證可靠性的同時，最大限度的節省運行電費。集中能源管理系統可以顯示系統內的所有參數，包括室外空氣干球溫度與濕球溫度；工藝冷凍水的溫度；防凍液的溫度、密度及冰點；各組水泵運行的頻率及耗電量。同時根據采集到的室外空氣及防凍液參數來設定系統內部的安全參數，并以基于最小耗電量為原則，動態設定系統的控制參數。

2.1.5 防雪系統

防雪系統的主要目標是防止積雪堆積影響設備進風及風機運行和防止積雪融化成水進入防凍液循環系統中，降低防凍液的濃度。熱源塔頂部四周設雨篷，防止積雪封堵熱源塔進風口；熱源塔出風口設90°導風筒，導風筒設一定長度的水平管，其出口背向冬季主導風向，避免積雪落入熱源塔的通風機及葉片，影響設備的正常運行。

2.2 空氣冷卻器免費供冷方案

2.2.1 技術方案

沈陽地區每年12月～次年2月15日的2個半月的室外空氣平均干球溫度-9.6 ℃，平均相對濕度為63.6%，77%以上的時間空氣溫度不高于-5 ℃。采用表冷方式的空氣冷卻器可以制備3 ℃/-2 ℃的循環介質(防凍液)，此過程中要求室外空氣溫度在-9 ℃以下(利用的換熱溫差為7 ℃)。再通過板式換熱機組將9 ℃工藝冷凍水降溫至2 ℃，而-2 ℃的循環介質升溫至3 ℃后進入空氣冷卻器再冷卻，如此反復循環，可持續滿足工藝的冷水需求。選用5臺處理水量為102 m3/h的空冷器，單臺耗電量為21.6 kW；防凍液側循環水泵的耗電量為7.5 kW，單套耗電量為29.1 kW，總耗電量為145.5 kW。

2.2.2 載冷劑與自動控制系統

考慮到低溫結冰的情況，載冷介質采用環保安全低揮發性的防凍液。設濃度自動檢測、報警及自動加藥系統，防止防凍液在冷卻過程中濃度變化導致的換熱效果降低，滿足系統不結冰的要求。

自動控制系統同熱源塔熱泵系統由兩組變頻系統和一組集中能源管理系統組成，不同之處在于一組變頻器用于控制空氣冷卻器風機的轉速，以便控制表冷器出口防凍液的溫度。

3 節能性能評估

3.1 工藝冷凍水免費冷卻系統節約能量

熱源塔工藝冷凍水冷卻系統每年節省運行電量為251萬kWh，如表1所示。系統啟動溫度-1 ℃，滿足全負荷運行時的溫度為-5 ℃。

空氣冷卻器工藝冷凍水冷卻系統每年節省運行電量為130萬kWh，如表2所示。系統啟動溫度-5 ℃，滿足全負荷運行時的溫度為-9 ℃。

3.2 運行成本

沈陽市企業的峰谷時段：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。高峰電價在平段電價基礎上再上浮50%，谷段電價在平段電價基礎上再下降50%。按此電價政策，平段電價為0.560 6元/kWh、高峰時電價為0.840 9元/kWh、低谷時段電價為0.280 3元/kWh，本項目按照平均電價0.5元/kWh計算。各冷卻系統運行成本和節能性見表3。

表2 空氣冷卻器系統節能表

表3 各冷卻系統運行成本和節能性

由表3可見，熱源塔工藝冷凍水冷卻系統和空氣冷卻器冷凍水冷卻系統在晚間電價低谷段運行，節能的運行費用分別為125.5萬元、65.0萬元[5]。

3.3 經濟效益分析

根據兩種不同方案的成本及運行費用可以計算出不同方案的投資回收期，如表4所示。

表4 投資回收期

4 結論與建議

通過乳業生產工藝方案經濟效益分析，不難發現工藝冷凍水免費冷卻系統的節能效果相當明顯，其中熱源塔免費冷卻系統經濟性更加顯著，投資回收期不到3年，建議可以馬上投入改造。

[1] GB 50736—2012，民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].

[2] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[3] 文先太,梁彩華,劉成興,等.基于空氣能量回收的熱源塔溶液再生系統節能性分析[J].化工學報,2011,62(11):3242-3247.

[4] 汪慶軍,陳焰華,雷建平.熱源塔熱泵技術在武漢地區應用適宜性分析[J].建筑熱能與通風空調,2016,35(11):76-79.

[5] GB/T 2589—2008,綜合能耗計算通則[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

周敏銳(1984- )，女，碩士，工程師

TU761.3

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