寒冷地區冬季免費供冷在低溫工藝冷卻水中的應用

王曉衛

（航空工業自控所，西安710065）

1 工程概況

本工程是位于西安市的某環境試驗中心，地上1 層，總建筑面積約4 000m2。環境試驗中心布置有高低溫試驗箱、快速溫變試驗箱、溫控轉臺、三綜合試驗箱等環境試驗設備。環境試驗中心承擔企業所有產品的耐候試驗，基本上處于7×24h的工作狀態。

環境試驗設備工作時，對降溫速率要求較高，因此，需為每臺環境試驗設備全年提供不高于20℃的低溫工藝冷卻水。通常，工業循環冷卻水系統采用冷卻塔直接降溫的制冷形式，但由于本工程環境試驗設備對循環水最高溫度有限制，只有先對西安市氣候特點進行認真分析，才能據此篩選出經濟可行的低溫工藝冷卻水系統制冷方案。

2 室外氣象參數分析

西安屬于寒冷地區，冬冷夏熱的特征非常明顯，冬夏季長，春秋過渡季短。

夏季，西安市空氣調節室外計算濕球溫度25.8℃[1]，如采用冷卻塔直接冷卻方法，低溫工藝冷卻水極限低溫為25.8℃，不能滿足環境試驗設備要求。因此，夏季為了給環境試驗設備提供不超過20℃的低溫工藝冷卻水，必須采用冷水機組制冷。

冬季，西安市空氣調節室外計算溫度為-5.7℃，利用冷卻塔免費供冷完全可以滿足低溫工藝冷卻水對溫度的要求。由于本工程中冷卻塔為開式型號，若采用直接供冷系統，冷卻水容易把空氣中的污物帶入環境試驗設備的換熱管道中，造成管路堵塞[2]，引起換熱效率下降，甚至環境試驗設備故障。因此，本工程采用冷卻塔間接供冷，即流經冷卻塔的冷卻水與低溫工藝冷卻水通過板式換熱器進行換熱。

在過渡季節采用何種制冷方式，取決于過渡季節的室外濕球溫度。根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據》提供的統計數據，近30 年來，西安市3 月份逐時平均最高濕球溫度12.5℃，10 月下旬逐時平均最高濕球溫度14℃。即在3 月份和10 月下旬，室外氣候條件滿足免費供冷方式，能為環境試驗設備提供不超過20℃的低溫工藝冷卻水。

根據以上分析，將低溫工藝冷卻水系統運行工況劃分為，2 種工況：夏季工況和冬季工況。每年4 月初至10 月中旬為夏季工況，采用冷水機組制冷；每年10 月下旬至來年3 月底為冬季工況，采用冷卻塔免費供冷方式。

3 免費供冷模式與冷水機組制冷模式的整合

通過對工程所在地室外氣象條件分析可知，為了滿足夏季工況下低溫工藝冷卻水的達標運行，必須采用冷水機組制冷，即常規的“冷卻塔+冷水機組+水泵”的制冷模式。冷水機組冷凍端向環境試驗設備提供穩定的、滿足要求的低溫工藝冷卻水，并且由于冷水機組的冷凍端為閉式系統，能有效控制進入環境試驗設備的低溫冷卻水水質。

冬季工況下，為了利用室外自然冷源，該系統增加了板式換熱器，系統原理如圖1 所示。板式換熱器與冷水機組并聯安裝，共用冷卻塔和循環水泵。同時，增加相應的切換閥門，夏季工況時關閉板式換熱器，開啟冷水機組；冬季工況時關閉冷水機組，開啟板式換熱器。

圖1 增加板式換熱器后系統原理圖

這樣的設計方案，將夏季冷水機組制冷模式和冬季冷卻塔免費供冷模式有機地結合在一起，極大地提高了低溫工藝冷卻水系統的整體效率。

根據環境試驗設備冷負荷計算結果，環境試驗中心低溫工藝冷卻水系統冷源選擇2 臺水冷螺桿式冷水機組，總制冷量為2420kW，低溫工藝冷卻水供回水溫度為7℃/12℃。冷卻塔配置為開式逆流玻璃鋼冷卻塔2 組，夏季冷卻水流量660m3/h，進出口水溫37℃/32℃，冬季冷卻水流量為550m3/h，進出口水溫度為18℃/13℃。2 臺板式換熱器與冷水機組并聯設置，用于冬季工況下免費間接供冷。板式換熱器的換熱容量為3000kW，其中一次側供回水設計溫度為13℃/18℃，二次側供回水設計溫度為15℃/20℃。

根據工程經驗和冷卻塔廠家提供的技術參數，本工程選用的冷卻塔冷幅在冬季按3.5℃考率，板式換熱器一次側供回水溫度為13℃/18℃。在此條件下，滿足冷卻塔免費供冷所需要的室外空氣濕球溫度應不高于14℃。結合西安市室外氣象參數，在每年10 月下旬至來年3 月底，共有161d 滿足室外日平均濕球溫度低于14℃，占全年總供冷天數的44%。因此，該工程冬季工況是非常適用免費供冷模式的。

4 經濟性分析

在建設階段，低溫工藝冷卻水系統增加冬季免費供冷模式相比較單獨的采用水冷螺桿式冷水機組制冷模式，建設費用是增加的，主要表現在2 方面：（1）增加板式換熱器的設備采購及安裝費，約30.8 萬元；（2）增加連接板式換熱器的管道及用于冬季工況、夏季工況切換的閥門，相關費用約3.7 萬元。可見，在建設階段合計增加建設費用34.5 萬元。

本工程建成投用后，由于板式換熱器幾乎不產生額外的運行費用，唯一增加的運行成本就是每年冬季工況、夏季工況切換時開關閥門及板式換熱器定期保養維護的費用。因此，可認為后期運行增加費用為0 元，不予考慮。

低溫工藝冷卻水系統按照每月停機維護保養2d，水冷螺桿式冷水機組能效比COP 值取6.0，環境試驗設備冷負荷按照60%計取，可以計算出此條件下，水冷螺桿式冷水機組的平均輸入功率242kW。在冬季工況免費供冷期間，水冷螺桿式冷水機組被板式換熱器替代，其減少運行的時間為：24×（161-11）=3600h。工程所在地西安市的工業用電價格為1 元/（kW·h），每個免費供冷期，可節約的電費為：242×3 600×1=871 200 元，即87.12 萬元。

根據以上數據，可計算出增加的建設費用的投資回收期為：34.5÷87.12≈0.4 年。

可見，該低溫工藝冷卻水系統因增加免費供冷功能而增加的建設投資不到一年就可全部回收，經濟效益非常明顯，節能潛力巨大。

5 結語

寒冷地區的低溫工藝冷卻水系統，利用板式換熱器與冷水機組并聯安裝，可實現夏季采用冷水機組供冷，冬季采用冷卻塔免費間接供冷，極大地減少了冷水機組的年度運行時間，在提高經濟效益的同時，還大大延長了冷水機組的壽命。同時，該方案由于冬季冷水機組不運行，避免了冷水機組冬季因冷卻水溫過低而無法啟動的情況，提高了低溫工藝冷卻水系統運行的可靠性。