淺談工業廠房的冷源系統節能設計

林鵬飛

(信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司，四川 成都 610021)

《“十三五”全民節能行動計劃》指出，工業能源消費是我國能源消費的重點領域，通過全面落實《中國制造2025》，推動工業綠色轉型升級，全面提高工業能源利用效率和清潔化水平。“十三五”時期規模以上單位工業增加值能耗降低18%，力爭2020年工業能源消費達到峰值。工業能源的消費，對于某一個工業廠房來說，除了工藝機臺需求的能耗較高外，便以冷凍站、空壓站等的高能耗尤為突出[1]。

1 免費制冷系統

免費制冷(Free-cooling)，是指在春秋季(過渡季節)或冬季，利用外界的低溫大氣作為冷源，將換熱升溫后的高溫循環水進行冷卻，從而可以起到降低冷水機組運行負載或減開/不開冷水機組，減少耗能。

由于工藝產品對于生產環境要求較高，故在工業廠房中一般均會設置恒溫恒濕的潔凈室。同時需求的冷水溫度種類也較多，包括低溫冷凍水(供/回水溫度設計為5/10℃或7/12℃等)、中溫冷凍水(供/回水溫度設計為12/18℃等)、工藝冷卻水Process Cooling Water(供/回水溫度設計為18/23℃等)等。

冷卻塔的出水溫度受大氣濕球溫度的影響，在未有實際測量數據之前，室外氣象參數的設計取值主要依據現行國家相關規范，包括《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范GB 50019—2015》《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范 GB 50736—2012》[1]。一般來說，冷卻塔出水溫度比濕球溫度高3～5℃。在過渡季節或者冬季，隨著室外濕球溫度降低，冷卻塔的出水溫度也隨之降低。這就為免費制冷系統的應用創造了可能性。

由于我國幅員遼闊，受限于地理位置，北方相比南方區域全年可用于免費制冷的時間更長，但只要需求水溫可通過免費制冷制取且需求量相對穩定，便可考慮將免費制冷系統作為一種優選的過渡季節或冬季應采用的制冷方案。

目前免費制冷系統的設置主要有兩種形式。

1.1 采用開式冷卻塔配套板式換熱器的組合方式

由于板式換熱器一次側和二次側換熱溫差的要求，故冷卻塔的出水溫度一般應比需求的冷凍水溫度低3℃及以上，相應要求室外濕球溫度也應比冷卻塔出水溫度低3～5℃以上。按該種做法，如果系統設置合理，冬季可以關停冷水機組，僅需運行冷卻塔及配套的冷卻水泵、冷凍水泵等。由于采用開式冷卻塔，初投資相對較小，但免費制冷的時間相對就會減少。

在長春某傳感芯片生產線項目的設計過程中，筆者深入研究了該廠房的全年冷負荷需求情況。發現該項目中，中溫冷凍水(12～18℃)和工藝冷卻水(20～25℃)的需求量大并且相當穩定。這為筆者后續設計出有效的冷凍站節能措施提供了有力的數據支持。

在了解到這些需求后，決定引入免費制冷系統的設計。在設計這一系統時，考慮到了長春的全年氣象參數。長春位于較北部地區，冬季天氣寒冷，有很好的自然冷卻條件。基于這一情況，設計了兩臺板式換熱器，它們在室外濕球溫度低于6℃且能夠穩定運行一段設定的時間后，能夠將系統切換至免費制冷模式。

在免費制冷模式下，選擇關閉冷水機組，開啟免費制冷所用之冷卻塔，同時根據需要開啟或關閉相應的水泵和閥門。這樣，冷卻塔可以提供9～14℃的冷卻水，通過板式換熱器進行熱交換后，可以得到12～18℃的冷凍水，這正好滿足全廠中溫水及工藝冷卻水的需求。

這種設計在理論上是可行的，但在實施過程中，也面臨了一些挑戰。首先，如何準確地根據氣象數據預測冷凍水的需求并進行有效控制是一大挑戰。其次，如何確保板式換熱器和其他設備在低溫條件下的穩定運行也急需克服。

通過精細的設計和精心的操作管理，成功地實現了這一設計方案。實際運行結果顯示，免費制冷系統有效地降低了能源消耗，提高了整個冷凍站的能效。這為工業廠房的節能設計提供了一種有效的實踐案例。

1.2 采用閉式冷卻塔

由于閉式冷卻塔對水質的要求較為苛刻，一般管道內循環水應采用純水或軟化水，而外部噴淋水采用自來水，有條件建議可搭配一定比例的軟化水，以降低自來水硬度較高而造成后期冷卻塔噴淋頭的堵塞。系統無需設置板式換熱器，故免費制冷的時間相對得到延長。但閉式冷卻塔的造價約是同當量開式冷卻塔的2～3倍，是否采用閉式冷卻塔在方案制定前需同客戶進行討論確定。

在浙江嘉興的某玩具制造項目中，筆者發現該項目全年對工藝冷卻水(30～32℃)的需求量較高且穩定，這種需求的特性為冷卻塔的節能設計提供了突破口。

面對這樣的需求情況，筆者首先分析了該地的氣候特征和氣象數據。嘉興地處江南，氣候溫和，特別是在過渡季節和冬季，濕球溫度經常低于22℃。這種氣候條件為應用免費制冷提供了自然優勢。因此，設計了一臺閉式冷卻塔，用于實現在適宜的時候切換至免費制冷模式。

在設計選擇的過程中，對比考慮了開式冷卻塔和閉式冷卻塔兩種選擇。雖然開式冷卻塔的初投資相對較小，但考慮到長期運行中，閉式冷卻塔的運行效率更高，節能效果更顯著，最終選擇了閉式冷卻塔。

在實施過程中，面臨的主要挑戰是如何精確地控制系統的切換。具體來說，需要在濕球溫度低于22℃且穩定運行一段設定的時間后，才切換至免費制冷，即關閉冷水機組，開啟閉式冷卻塔，同時開啟或關閉相應的水泵和閥門。

為了解決這個問題，采用了自動化控制系統，通過設置溫度傳感器和時間控制器，實現了自動切換。此外，還設置了遠程監控系統，使得在切換過程中出現問題時，可以及時進行人工干預，確保系統的穩定運行。

實施的結果證明了這個設計方案的有效性。在實際運行中，發現過渡季節和冬季的大部分時間，都可以利用免費制冷模式，大大節省了冷源系統的能源消耗。這個案例展示了利用自然條件，結合自動化控制技術，可以實現冷源系統的高效節能。

2 中溫系統與低溫系統分開

一般來說對于某一臺確定的冷水機組，其設定的冷凍水出水溫度越低，可提供的冷量會越少。根據冷水機組廠家提供的選型報告可知，某臺冷凍水供水溫度為7℃且制冷量為1 000USRT的冷水機組，在耗電相同的情況下，當供水溫度降低至5℃，能提供的制冷量約為940USRT；當供水溫度提高至12℃，能提供的制冷量約為1 100～1 150USRT。即此時12℃中溫水相對于5℃的低溫水約節能17%。這也從側面證明了當供水溫度每降低1℃，能耗約增加2～3%。

許多工業廠房的中溫冷凍水主要通過設置板式換熱器與低溫冷凍水換熱制取。該種方式雖然系統簡單，但冷水機組由于出水溫度較低，導致后期系統的運行能耗較高[2]。

隨著冷水機組的產品技術的提升，我們可以發現在一些工廠，尤其是集成電路廠房或者鋰電池工廠的設計中，將中/低溫系統分開已經成為了一種主要的節能主流措施：根據全年冷負荷計算情況，合理地配置中溫機和低溫機的臺數，并設置1～2臺低溫冷水機組作為公用備機。

在泉州的某集成電路項目中，筆者主要負責冷凍站的設計工作。項目中的主要任務是確保供冷需求的滿足，同時盡可能地降低能耗。這是一個挑戰，因為集成電路的生產過程對環境的穩定性要求極高，而高效供冷通常意味著較高的能耗。

設計選擇的過程在于尋找和調整最佳的設備配置。首先，選定了包括一臺制冷量為1 200USRT的低溫冷水機組、五臺制冷量為2 300 USRT的低溫冷水機組在內的多臺設備。這些設備主要負責低溫環節的冷卻需求。

然后，為中溫環節選擇了一臺制冷量為1 300 USRT的中溫熱回收冷水機組，三臺制冷量為2 500USRT的中溫熱回收冷水機組，以及三臺制冷量為2 500 USRT的中溫單冷型冷水機組。并且額外配置了一臺1 200USRT的低溫冷水機組和一臺2 300USRT的低溫冷水機組作為備用設備，以應對可能的設備故障或特殊高需求的情況。

面臨的最大挑戰是如何精確地匹配不同溫度環節的供冷需求與冷凍站的設備配置，以實現最大的能效。為此，采取了深入的數據分析和多次模擬，確定了上述的設備配置方案。

實施的結果證明了這一設計方案的有效性。通過后期的實際運行數據對比分析，發現這個項目的能耗相對于使用傳統配置方案的廠房要低，尤其是在同等冷卻量的條件下。這說明合理的設備配置和精細的運行管理，可以在保證集成電路生產過程穩定性的同時，實現冷凍站的高效節能。

3 采用熱回收冷水機組替代鍋爐

工業廠房全年對于熱負荷均有一定的需求，但熱源的選擇受諸多因素影響。我國北方地區的熱源主要有市政蒸汽或者自備鍋爐，南方地區除了周邊有熱電廠可利用余熱外，均不會有集中熱源，故除了工藝有高溫熱水或者需求蒸汽外，一般均不會自備鍋爐。

冷水機組在制冷的時候，蒸發器和壓縮機工作所產生的熱量主要通過冷卻塔散逸到大氣中，如果能將這部分熱量回收用于制備熱水，就可以減少冷卻塔的運行數量或者降低冷卻塔風機轉速，從而減少電耗。此時熱回收型冷水機組是一種可以考慮匹配的機型。

熱回收型冷水機組主要包括部分熱回收型與全熱回收型。部分熱回收冷水機組回收熱量主要為顯熱，可回收的熱量約為制冷量的15～20%。全熱回收型冷水機組回收的熱量包括顯熱和潛熱，可回收的熱量約為制冷量的100～110%。一般設定的熱回收水出水溫度為35～45℃。溫度過高反而不利于節能。

在廈門的一家微電子元器件制造項目中，筆者主要負責設計和調整冷熱系統。全年的冷熱負荷需求是決定這個設計的關鍵因素。為了精確地滿足全廠的冷熱需求，進行了深入的負荷分析，并根據分析結果設計了相應的設備配置。

在設計選擇過程中，首先對全廠全年的冷熱負荷進行了詳細分析。通過數據模擬仿真，發現中溫全熱回收冷水機組能最有效地滿足廠房的冷熱需求，因此，筆者設計了三臺制冷量為1200USRT的中溫全熱回收冷水機組，其熱水供/回水溫度設定為38/32℃。

該項目面臨的主要挑戰是如何確保這三臺冷水機組能在全年不同季節和不同負荷需求下，穩定高效地運行。為此，進行了一系列嚴格的性能測試和模擬，以確認這種配置可以在各種工況下穩定運行。

實施的結果超出了預期。在后期的實際使用中，這三臺冷水機組完全滿足了全廠的熱負荷需求。冬季時，由于全熱回收系統的高效運行，冷卻塔的運行臺數明顯減少，電耗也相應降低。這一設計方案還帶來了投資的節約：原規劃中的備用熱水鍋爐房和風冷熱泵系統都被取消了，因為這三臺全熱回收冷水機組已足夠滿足全廠的冷熱需求。

這個案例充分證明了全熱回收冷水機組在微電子元器件制造項目中的應用價值。它不僅可以滿足生產的冷熱需求，而且能顯著降低能耗，節約投資。

4 新興技術與創新在冷源系統節能設計中的應用展望

在當今能源緊張和環保需求加強的背景下，新興技術與創新在冷源系統節能設計中的應用變得尤為重要。面臨能源消耗高和環境壓力大的挑戰，冷源系統的設計必須向更高效、更綠色和更智能的方向發展。

首先，對于新興技術，如利用可再生能源的冷源系統正在得到廣泛關注。太陽能、風能、地熱等可再生能源被用于驅動吸收式制冷系統或熱驅動的冷水機組，以減少傳統能源的消耗，實現真正意義上的綠色制冷。此外，新型的冷卻技術，如磁制冷、熱電制冷等也在不斷發展，雖然目前尚在實驗室階段，但未來有可能成為主流的冷源技術。

其次，對于創新應用，智能控制系統在冷源系統節能設計中發揮著重要作用。通過采集和分析大數據，結合人工智能技術進行優化決策，可以實現冷源系統的實時監控和自我調整，從而在確保舒適度的同時提高能源效率。比如，通過物聯網技術，可以對冷源系統進行遠程監控和故障預警，降低運維成本，提高系統的可靠性和穩定性。

5 結語

隨著近些年來高效機房HPCP(High Performance Chiller Plant)概念的提出，并逐步開始推廣至實際工程案例中，我們可以發現，隨著市場競爭的日趨激烈、制造成本的降低、生產技術的更新換代，已經出現了一些新的節能措施，如選用一級或超一級能效的冷水機組、選用一級能效的水泵、選用全變頻系統、采用自適應工況型的冷卻塔等。但無論采用何種節能措施，在設計的前期，應充分進行各種方案的比選、初投資分析、運行費用分析、經濟回報分析等，并結合客戶的初始預算、期望回報周期、產能提升、市場帶來的產品變動等各種因素，選用對應項目最適合的節能措施。