自然冷卻在空調(diào)和工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)中的應(yīng)用

韓超,殷堯其

(上海阿爾西空調(diào)系統(tǒng)服務(wù)有限公司,上海200063)

在半導(dǎo)體、微電子、注塑、機(jī)械加工、食品、飲料等行業(yè)中,許多產(chǎn)品或工藝生產(chǎn)環(huán)境都要求配備潔凈廠房,車間全年要求溫度和相對濕度保持在一定范圍,其中一些生產(chǎn)過程發(fā)熱量大,設(shè)備或工藝需要低溫水冷卻降溫,甚至在冬季仍然需要空調(diào)供冷,所以冷水機(jī)組、冷卻塔、冷卻水泵和冷凍水泵往往要求全年運行,系統(tǒng)運行能耗高,運行成本高。自然冷卻技術(shù)通過合理使用環(huán)境氣溫或者水溫減少空調(diào)能源消耗,當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度高于室外環(huán)境溫度時直接利用空氣或間接利用水作為冷源載體,將低溫空氣或水送入室內(nèi),經(jīng)過氣-氣或氣-水熱交換后,達(dá)到為室內(nèi)降溫的目的,特別在冬季不僅是技術(shù)上可行的,而且有顯著的節(jié)能效果。本文將對自然冷卻中的新風(fēng)直接冷卻和冷卻水間接冷卻技術(shù)的原理、特點進(jìn)行分析,并結(jié)合案例對這兩種技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行介紹,對兩種技術(shù)的節(jié)能效果進(jìn)行分析。

1 自然冷卻技術(shù)原理

自然冷卻技術(shù)特點就是合理利用自然界天然冷空氣作為冷源,替代冷水機(jī)組運行,從而減少空調(diào)的能耗。根據(jù)冷源載體不同,自然冷卻技術(shù)分為新風(fēng)直接冷卻和冷卻水間接冷卻,兩者都采用環(huán)境溫度調(diào)節(jié)室內(nèi)氣溫,適合冬季空調(diào)供冷。其中新風(fēng)直接冷卻采用的是環(huán)境空氣作為冷源,采用新風(fēng)直接冷卻既可以降溫保證室內(nèi)溫度又可以降低室內(nèi)二氧化碳濃度,提升室內(nèi)空氣品質(zhì);新風(fēng)自然冷卻技術(shù)換熱效率高,但僅適用于空調(diào)系統(tǒng)。冷卻水間接冷卻技術(shù)利用水做為冷源載體,適用于室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量大、冬季空調(diào)系統(tǒng)仍然運行制冷的場合或者工藝生產(chǎn)過程中設(shè)備發(fā)熱量大需要冷卻水冷卻,并且冷卻水需要冷水機(jī)組運行降溫的場合。冷卻水間接冷卻技術(shù)適用范圍廣泛,既適用于空調(diào)系統(tǒng),又適用于需要冷卻水的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)。

1.1 新風(fēng)自然冷卻

采用新風(fēng)自然冷卻,讓室外的低溫新風(fēng)通過通風(fēng)設(shè)備進(jìn)入空調(diào)區(qū)域。吸收人員和設(shè)備排出的熱負(fù)荷,同時形成熱羽流上升。熱羽流在上升過程中不斷卷吸周圍空氣,流量逐漸增加形成熱分層,沿高度將整個空間分為上下兩層。其中下區(qū)空氣由下向上呈單向“活塞流”,沿高度方向形成明顯的溫度梯度;而上區(qū)經(jīng)過充分熱交換的空氣被排出,將房間熱負(fù)荷帶到室外,達(dá)到降溫?fù)Q氣的目的。新風(fēng)直接冷卻運轉(zhuǎn)設(shè)備總功率小,僅需開啟送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī),可利用時間長。新風(fēng)自然冷卻系統(tǒng)控制方便,可以根據(jù)環(huán)境氣溫變化調(diào)整開啟送排風(fēng)機(jī)的臺數(shù),或使用變頻控制送排風(fēng)機(jī),節(jié)能效果更加顯著,投資回收期短。不過新風(fēng)自然冷卻僅適用于空調(diào)系統(tǒng),不適用于對潔凈度有一定要求的場所,或者原來為水冷卻的工藝生產(chǎn)設(shè)備。

1.2 冷卻水間接冷卻

采用冷卻水間接冷卻技術(shù),循環(huán)水經(jīng)過熱源換熱后升溫,溫度較高的循環(huán)水進(jìn)入閉式冷卻塔或開式冷卻塔散熱后溫度降低,低溫循環(huán)水進(jìn)入空調(diào)箱(或生產(chǎn)設(shè)備),通過冷盤管(或生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)部換熱器)換熱,將室內(nèi)(或設(shè)備內(nèi))的熱量轉(zhuǎn)移到循環(huán)水,低溫循環(huán)水吸熱后溫度升高,再經(jīng)過冷卻塔將攜帶的室內(nèi)熱量散發(fā)到大氣中。

冷卻水間接冷卻技術(shù)用于空調(diào)系統(tǒng)時,如果空調(diào)系統(tǒng)僅降溫不除濕,冷卻塔出水溫度只要在15℃以下,該技術(shù)可使用時間長,節(jié)能量也更大;如果空調(diào)系統(tǒng)既要降溫又要除濕,冷卻塔出水溫度就必須不高于7～10℃,該技術(shù)可使用時間就較短,節(jié)能量也較小。冷卻水間接冷卻技術(shù)用于生產(chǎn)工藝?yán)鋮s系統(tǒng)時,根據(jù)不同生產(chǎn)工藝對低溫水溫度有不同的要求,有的生產(chǎn)工藝要求低溫水溫度20℃,有的工藝需要18℃,有的工藝需要15℃等等;對低溫水不同的溫度需求均可以通過溫控實現(xiàn),低溫水的溫度越高,該技術(shù)可使用的時間就越長,節(jié)能量就會越大。

冷卻水間接冷卻技術(shù)中關(guān)鍵設(shè)備可以是閉式冷卻塔或者開式冷卻塔。采用閉式冷卻塔,運行時循環(huán)水從閉式冷卻塔內(nèi)的換熱盤管中流過,與管外噴淋水間接換熱,冷卻后的循環(huán)水從塔體流出,整個換熱過程中循環(huán)水在封閉換熱盤管內(nèi)流動,實現(xiàn)與大氣換熱,不直接接觸大氣,不會受到環(huán)境污染,既可適用于純水又可使用于一般自來水的冷卻。采用開式冷卻塔,運行時循環(huán)水直接在冷卻塔的填料表面流過,通過水的蒸發(fā)吸熱而降溫,循環(huán)水接觸大氣,水質(zhì)會受到大氣環(huán)境污染,因此當(dāng)對循環(huán)水水質(zhì)有要求時,只能采用閉式冷卻塔。冷卻水間接冷卻運轉(zhuǎn)設(shè)備總功率大,需要開啟冷卻塔、冷卻水泵、空調(diào)箱,由于冷卻塔換熱要求一定的溫差,因此這種方式的可利用時間較短,不過室外空氣冷卻水室內(nèi)熱負(fù)荷系統(tǒng)控制方便,可以根據(jù)環(huán)境氣溫變化,控制冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量,因此比較適用于各種空調(diào)場所,也可以用于原來為水冷卻的工藝生產(chǎn)設(shè)備。

2 案例介紹

本文介紹兩個案例,案例一為新風(fēng)自然冷卻在空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用;案例二為冷卻水間接冷卻在工藝生產(chǎn)冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.1 新風(fēng)自然冷卻在某印務(wù)公司車間中的應(yīng)用

某印務(wù)公司的車間原來的空調(diào)系統(tǒng)共配置了3臺風(fēng)冷冷水機(jī)組總制冷量948 kW,總耗電325 kW;配置了4臺組合式空調(diào),每臺風(fēng)量58000m3/h,制冷量445 kW。由于印刷設(shè)備發(fā)熱量大,在春秋過渡季節(jié)甚至冬季還需要空調(diào)供冷,為了提供冷源,冬季和過渡季節(jié)室外氣溫低的情況下,風(fēng)冷式冷水機(jī)組和冷凍水泵仍然需要運行(冬季風(fēng)冷式冷水機(jī)組平均運行在50%負(fù)載),空調(diào)系統(tǒng)能耗大,運行費用高。

印務(wù)公司采用新風(fēng)自然冷卻技術(shù)對原來空調(diào)進(jìn)行了改造,改造工作在車間的空調(diào)系統(tǒng)加裝了進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)系統(tǒng),在空調(diào)機(jī)房的墻壁上安裝防雨百葉將新風(fēng)引入空調(diào)機(jī)房內(nèi);車間屋頂上安裝4臺排風(fēng)機(jī)箱(每臺排風(fēng)機(jī)功率15 kW),排風(fēng)機(jī)箱的風(fēng)量為組合式空調(diào)機(jī)組風(fēng)量的80%,在回風(fēng)管上連接一分支管到排風(fēng)機(jī)箱上,在該支管上增加一個電動排風(fēng)閥;排風(fēng)機(jī)箱的排風(fēng)口也需做防雨裝置,見圖1。

圖1 新風(fēng)自然冷卻技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)

在采用新風(fēng)自然冷卻技術(shù)之前,當(dāng)室外新風(fēng)溫度低于室內(nèi)溫度(由用戶提供,暫且估計為25℃)時,空調(diào)主機(jī)仍然運行,電動排風(fēng)風(fēng)閥3全開,電動新風(fēng)風(fēng)閥1全開,電動回風(fēng)風(fēng)閥2全部關(guān)閉;當(dāng)室外新風(fēng)溫度低于16℃時,關(guān)閉空調(diào)主機(jī),電動排風(fēng)風(fēng)閥3全開,電動新風(fēng)風(fēng)閥1全開,電動回風(fēng)風(fēng)閥2全部關(guān)閉。隨著室外溫度的降低,新風(fēng)自然冷卻系統(tǒng)根據(jù)室外溫度正比例控制電動排風(fēng)風(fēng)閥與電動新風(fēng)風(fēng)閥開度。當(dāng)室外新風(fēng)溫度降到20℃就可開啟全新風(fēng)自然冷卻系統(tǒng),改造后使用全新風(fēng)自然冷卻的時間相對較長,每年大約有150天左右。3臺風(fēng)冷冷水機(jī)組功率為325 kW,改造前平均運行在50%負(fù)載,150天冷水機(jī)組耗電量58.5萬kWh(折合標(biāo)煤236.3 t),電價按0.70元/kW h計算,運行電費約41萬元。在采用新風(fēng)自然冷卻技術(shù)之后,4臺15kW的排風(fēng)機(jī)150天排風(fēng)機(jī)耗電量21.6萬kWh (折合標(biāo)煤87.3 t);運行電費約15萬元。改造后全年減少用電36.9萬kWh(折合標(biāo)煤149 t),節(jié)省電費約25.8萬元,新風(fēng)自然冷卻系統(tǒng)節(jié)能改造投資為36.8萬元,投資回收期約1.4年。

2.2 冷卻水間接冷卻在半導(dǎo)體生產(chǎn)中的應(yīng)用

上海某科技股份有限公司是一家半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè),生產(chǎn)過程中需要工藝?yán)鋮s水冷卻生產(chǎn)設(shè)備。當(dāng)工藝生產(chǎn)設(shè)備全部運行時,冷卻水系統(tǒng)共有 2臺15 kW水泵運行,總流量 87 m3/h,旁通管流量9.2 m3/h,流量工藝設(shè)備流量77.8m3/h;工藝設(shè)備冷卻水進(jìn)水溫度為20℃±2℃,出水溫度25℃。該冷卻水系統(tǒng)和為其提供冷凍水的冷水機(jī)組365天全天運行,即使在冬季室外氣溫低的情況下,冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔繼續(xù)運行,系統(tǒng)運行能耗高,運行費用高,為此決定采用冷卻水間接冷卻技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造。

改造采用了冷卻水間接冷卻技術(shù),冷卻水系統(tǒng)配置了1臺閉式FBN-125T冷卻塔,冷卻塔循環(huán)水量103.5 m3/h,進(jìn)出水溫25℃/20℃;濕球溫度16℃,最大耗電量11 kW。改造增加了密閉式冷卻塔循環(huán)水管路系統(tǒng),提供冬季和過渡季節(jié)時工藝設(shè)備的冷卻水。改造后在過渡季節(jié)當(dāng)室外溫度較低時開啟密閉式冷卻塔水循環(huán)系統(tǒng),由閉式冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)直接提供工藝?yán)鋮s水,減少冷水機(jī)組的負(fù)荷,降低冷水機(jī)組的電耗。閉式冷卻塔風(fēng)機(jī)采用了變頻技術(shù),通過閉式冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻與噴淋水泵的啟停,將閉式冷卻塔德出水溫度控制在20℃±2℃。最后將閉式冷卻塔通過管路連接到原來系統(tǒng)中,替代原來的板式換熱器和冷水機(jī)組等系統(tǒng)。工藝設(shè)備用冷凍水系統(tǒng)節(jié)能改造原理見圖2。

根據(jù)記錄,作為改造前典型日的2009年8月27日,流經(jīng)生產(chǎn)設(shè)備的冷卻水流量77.8m3/h,從用戶端出來25℃水流經(jīng)閉式冷卻塔降溫到20℃,通過計算可以得到對應(yīng)的1號冷卻水系統(tǒng)冷負(fù)荷為452.3 kW;由于冷水機(jī)組COP值4.3,那么冷水機(jī)組運行的理論耗電105.2 kW。

根據(jù)2008-2009年上海冬季氣象數(shù)據(jù),可用自然冷卻天數(shù)162天,全天可用自然冷卻天數(shù)138天,按照將來全天可用閉式冷卻塔自然冷卻天數(shù)130天計算,冷水機(jī)組節(jié)電量按照可以減少壓縮機(jī)運行的功率核算,由于冬季冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔運行除供本次改造系統(tǒng)作為冷源外,還為其他系統(tǒng)提供冷源,故本次節(jié)能量計算忽略了冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔運行能耗和運行費用。

圖2 改造后工藝設(shè)備用冷凍水系統(tǒng)

由于改造前105.2 kW的冷水機(jī)組要運行130天,耗電量為32.8萬kWh(折合標(biāo)煤132.6 t),運行電費約23萬元。節(jié)能改造后采用兩臺4 kW的FBN-125T閉式塔風(fēng)機(jī)和一臺3 kW 的噴淋水泵,按照閉式塔冬季運行130天計算,冷卻塔風(fēng)機(jī)和噴淋水泵隨著室外環(huán)境溫度變化分別變頻控制和啟停控制,故閉式塔實際運行耗電量約為額定耗電量的50%,閉式冷卻塔的耗電量為17160 kWh(折合標(biāo)煤6.9 t),運行電費僅約1.2萬元,節(jié)能改造后全年節(jié)電31.1萬kWh,節(jié)能量為125.7 t標(biāo)煤;與改造前的全年電費23萬元相比可以減少電費支出約21.8萬元,工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)節(jié)能改造的總投資大約36.6萬元,投資回收期1.7年。

3 結(jié)論

自然冷卻技術(shù)是對冬季自然能充分利用。冬季停開冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等耗能設(shè)備,大大節(jié)省了這些設(shè)備運行能耗,降低了運行費用;降低了冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等設(shè)備的冬季運行時間,延長了這些設(shè)備的使用年限;減少了冬季對冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等設(shè)備的運行維護(hù)保養(yǎng)工作量。自然冷卻技術(shù)是一項節(jié)能量大,投資費用低,投資回收期短的先進(jìn)技術(shù),投資回收期一般1～2年,可應(yīng)用范圍廣,可復(fù)制性強(qiáng),值得大力推廣。