Free cooling系統在制冷系統經濟運行中的研究與應用

孫 蒙

上海煙草集團有限責任公司天津卷煙廠

0 引言

制冷站是卷煙制造工廠動力中心的一個重要組成部分，本文以某卷煙廠為對象開展Free cooling系統在制冷系統經濟運行中的研究。該廠制冷站冷源系統由2臺900RT定頻離心式冷水機組和2臺900RT 變頻離心式冷水機組提供。夏季供冷按負荷需求啟動不同臺數冷水機組制冷，過渡季也有供冷需求，目前通過啟動冷水機組來提供。由于過渡季負荷比較小，考慮利用室外環境自然冷卻水為冷源供冷：即在室外氣溫允許的條件下，引用冷卻塔冷卻水為冷源，通過增加板式換熱器同冷凍水系統熱交換后，使冷凍水降溫以達到可以使用的空調條件。從經濟角度可以節省能源，同時避免機組在低溫工況及低負荷下的強制啟動運轉，起到保護機組的目的，有效降低制冷能耗，實現質量和經濟效益。

1 Free cooling系統應用背景

冷卻塔的基本工作原理：干燥（低焓值）的空氣經過風機驅動，通過淋水填料進入冷卻塔內；濕熱（高焓值）的水通過播水系統噴灑在淋水填料上。當水流和空氣接觸時，一方面由于空氣與水的直接傳熱，另一方面由于水蒸氣分子表面和空氣之間存在壓力差，在壓差的作用下產生蒸發現象，以蒸發潛熱的形式將水中的熱量帶走，通過這一蒸發傳熱過程達到降溫的目的。冷卻塔的工作原理見圖1。

圖1 冷卻塔工作原理圖

相比于夏季室外高溫高濕的狀態，隨著過渡季的到來，室外氣溫及相對濕度降低，濕球溫度降低，經過冷卻塔處理的冷卻水出水溫度也隨之降低。此時對于仍有供冷需求的生產區域，室內濕負荷及冷負荷與夏季相比下降較多，空調末端所需除濕量減少，適當提高冷凍水溫或者降低冷卻塔風機轉速，即可滿足空調系統舒適性或生產性的要求。顯然，在此情況下運行大功率的冷水機組，經濟性不高。

Free cooling系統主要用于替代過渡季節大功率制冷機組（電機功率543 kW）的啟動，在過渡季節室外環境溫度允許的條件下（一般氣溫應低于18℃），以冷卻水為冷源，通過板式換熱器與閉式冷凍水系統熱交換，降低冷凍水溫度并輸送至空調系統，實現工房的溫濕度控制。

2 Free cooling系統設計

本方案采用冷卻塔自然供冷技術，將出水溫度較低的冷卻水以直接或間接的形式向空調系統供冷，取代冷水機組的形式。在過渡季采用冷卻塔與板式換熱器組合的方式代替冷水機組處理冷凍水，以滿足室內生產需求的空調負荷。此類系統設計可以減少制冷機組運行時間，降低其運行能耗，空調系統整體的運行能耗明顯降低。系統改造前后設計原理示意圖見圖2和圖3。

圖2 制冷系統現狀示意圖（改造前）

圖3 Free cooling系統改造示意圖（改造后）

3 設計方案的實施

Free cooling系統的設計主要針對局部管路系統，不影響原制冷機組及系統功能。系統增設板式換熱器與冷凍水、冷卻水系統連通管，并在管路增設電動及手動閥門，保證系統切換順暢以及電動閥的正常檢修。

根據歷史運行數據，過渡季所需冷量一般為單臺機組的50%，即：

所選取的板式換熱器需要滿足要求并考慮一定的余量，項目選取2 000 kW 換熱量的板式換熱器。

由于新增板式換熱器一、二次側壓降與制冷機冷凝器、蒸發器壓降接近，相應的管道阻力特性基本不變，兩套系統可以共用冷凍泵、冷卻泵，系統切換相對簡單，可靠性高。其中V2 為電動調節閥，V1、V3 為電動閥，冷水機組冷凍、冷卻側為電動開關閥。

系統安裝完成后，具體運行策略見表1。

表1 Free cooling模式與原有模式運行對比

系統運行可根據實際室外氣溫狀況來決定運行Free cooling 系統供冷。每年過渡季節，當室外濕球溫度傳感器測得室外濕球溫度達到設計值（根據冷卻塔現有參數，計算得出當濕球溫度達到8℃以下時，Free cooling 系統能投入使用），則系統判定可切換到“Free cooling 系統制冷”。在切換前，系統先確認新裝的功能轉換閥啟閉到位，保證管路的流程為，冷卻水側：冷卻塔→冷卻水泵→板式換熱器→冷卻塔；冷凍水側：集水器→冷凍水泵→板式換熱器→分水器。當所有閥門都動作到位后，開啟冷卻水泵和冷凍水泵，并根據冷凍水供水溫度調節板式換熱器冷卻水側旁通電動調節閥。當室外濕球溫度長時間≥8 ℃（可調）或二次側供水溫度長時間無法保證，工房溫度指標難以滿足時，系統轉入冷水機組供冷。Free cooling 系統運行流程見圖4。

圖4 Free cooling系統運行流程圖

4 運行效果分析

4.1 節能經濟效益

該卷煙廠動力中心Free cooling 系統投入運行后，制冷系統節能經濟運行效果顯著。2019 年3 月-5 月，Free cooling 系統投入運行，對比2018年同期用電數據見表2。

表2 Free cooling系統投運前后制冷系統用電量對比

由表2 可見，Free cooling 系統投入運行，2019 年3 月份至4 月份期間，制冷系統用電量同比降低明顯。考慮到2019 年與上年生產日不同，2019 年3 月1 日至5 月29 日運行Free cooling 期間，僅統計生產日的情況下，制冷系統用電量同比降低108 939 kWh，降低比例20.3%。

過渡季按照每年春季、秋季計算，Free cooling系統改造后，按此計算系統年運行總時間，改造后每年可節約用電量為：108 939Χ2=217 878 kWh。按當地電價0.71元/kWh計算，改造后每年可節約電費約217 878 kWhΧ0.71元/ kWh≈15.5萬元。

由此可見，Free cooling 的投入運行，工廠制冷系統的節能所產生的效應顯著，具有較高的推廣價值。

4.2 降低制冷機組開動時間，提高設備使用壽命

Free cooling 系統的投入使用，能有效降低大功率制冷機組開動時間，避免了過渡季節“大馬拉小車”的低能效運行工況，同時消除了制冷機組在過渡季節低載運行時的頻繁啟停運轉，起到保護機組的目的，提高了制冷設備的使用壽命。

5 結束語

本文介紹了Free cooling 系統在制冷系統運行中的經濟運行研究與應用，通過在某卷煙廠對Free cooling 系統改造的應用實例，在春秋過渡季節，利用板式換熱器與冷卻塔相結合的自然供冷方式降溫，不僅達到工房溫濕度指標控制的目標，同時減少了制冷系統的開啟時間，在節省運行費用，提高設備使用壽命的同時，達到節能降耗經濟運行的目標。通過Free cooling 系統在卷煙工廠制冷系統中的應用效果分析，Free cooling 系統在行業制冷系統中具有較高的推廣價值。