綜合動力站房節能設計應用

朱進平

（中國電子系統工程第二建設有限公司，江蘇 無錫214000）

集成電路凈化廠房因為能耗高備受關注，據半導體廠務運行經驗，綜合動力站動力設備能耗占廠房耗電能耗的50%。綜合動力站房合理的節能設計對運行費用的降低可從源頭上進行控制。

綜合動力站有大型冰機、空壓設備、水泵等高能耗設備，對廠房溫濕度要求嚴格，要求小溫差，大風量送風。全空氣空調系統采用溫濕度獨立控制方式，常采用全新風機組+干盤管形式。MAU 為了穩定的溫濕度，常采用冷、熱量抵消的方式，控制溫濕度。冰機熱回收可以提供穩定的熱源，一次泵和二次泵系統的合理利用，可以控制水泵的輸送能耗。冷卻塔供冷技術的應用，可以在過渡季節減少冰機的運行時間，節約冰機的能耗。

本文從冰機熱回收技術、一次泵和二次泵系統合理應用、冷卻塔供冷技術三個方面淺談綜合動力站常用的節能設計。

1 冰機熱回收系統的設計應用

綜合動力站中單冷型冰機，蒸發器可以提供冰水，冷凝器釋放的熱量一般是通過冷卻塔排放到空氣中，造成了熱污染。而熱回收機組在蒸發器供冷的同時，冷凝器的冷凝熱可以回收利用，通過閉式循環為MAU 提供熱水，提高了空調機組出風的相對濕度，對潔凈廠房溫濕度精度控制有益。冷凝器多余的熱量可以通過冷卻塔散熱排放到大氣中。熱回收機組的熱回收量，理論上是冰機制冷量與壓縮機作功量的總和。此部分熱量如果全部合理利用起來，對廠房的電費運行也相當可觀。既減少對環境產生熱污染，也減少冷卻塔運行費用和噪聲。因此設計時需注意以下幾點：

（1）熱回收機組的熱回收量，理論上是冰機制冷量與壓縮機作功量的總和，在未滿負荷運行時，熱回收量隨冰機的制冷量減少而降低。

（2）由于熱回收冷水機組主要是制冷，而熱回收的熱量僅僅是其制冷中的副屬產品，同時熱水溫度過高也會對冰機的制冷效率產生影響，甚至影響冰機的不穩定運行，一般是通過輔助熱源來進一步提高熱水或熱風溫度。

（3）設計時宜采用控制熱水的回水溫度方式來控制熱量。熱回收機組運行必須有足夠的基本冷負荷，通常將熱回收機組與其他的單冷機組組合起來。熱回收可分為顯熱回收和全熱回收。

表1 熱回收機組顯熱和全熱的性能比較表

熱回收冷水機組常規流程圖如圖1。

圖1 熱回收冷水機組常規流程圖

工藝流程：

（1）當供熱時，首先設定進入熱回收冷凝器的水溫T2，再開啟與熱回收冷凝器相連接的泵P2。

（2）當T2 的監測值小于設定值時，說明熱回收熱量不夠，則需要關閉與標準冷凝器相連的水泵P1 和三通閥V1，使冷卻水不流經冷卻塔，壓縮機全部向熱回收冷凝器放熱，使T2 的監測值提高，并不斷接近于T2。

（3）當T2 的監測值大于設定值時，表明供熱過剩，此時需要開啟與標準冷凝器相連的水泵P1，并打開三通閥V1，使流經冷卻塔的冷卻水流回標準冷凝器，通過調節冷卻塔中風扇啟停的個數和轉數，來調節壓縮機對上述2 個冷凝器的放熱比例，從而使T2 的監測值降低，不斷接近于設定值。

（4）可通過調節輔助加熱器的加熱量，使進水溫度T1 穩定在設定值。

（5）當無供熱需求時，則直接利用冷卻塔散熱，與熱回收冷凝器相連的水泵P2 關閉。

2 一次泵和二次泵的設計應用

一次泵系統也稱一次循環，冰機、水泵、冷卻塔為一一對應關系；一次循環亦可分為定流量系統和變流量系統，但定流量一次泵系統不節能，一般用在樓層較低的項目。

圖2 一次泵定流量系統

由于空調系統大部分時間不滿負荷運行，此時我們需要保證用戶的用冷量，2 臺機組（制冷量為51%～100%設計負荷）或1 臺機組（制冷量為10%～50%設計負荷）及其相對應的水泵都必須處于開啟狀態，而在末端負荷低于設計負荷或設計負荷的50%時，水泵流量將大于末端流量。此時會存在幾個缺點：（1）浪費能量；（2）由于水流量不變，供回水溫差變小，末端除濕能力降低；（3）由于各末端設備負荷的減少與機組總負荷減少并不同步，會造成末端設備負荷需求大的房間，供冷（熱）量小，不滿足需求，末端設備負荷需求小的房間，供冷（熱）量大，造成熱力不均。（4）關閉一臺泵后，管網曲線不變，水泵流量為Qc，大于并聯運行時流量Qb,水泵超流量運行，運行水泵過載。因此該系統只能用于1 臺冷水機組和水泵的小型工程。（III- 管網特性曲線，II-2 臺泵并聯運行曲線，I- 單臺泵運行曲線；A-2 臺泵并聯運行點，B-2 臺泵并聯運行時單臺泵狀態點，C- 單臺泵單獨運行時狀態點）。

一次泵變流量系統，分為一級泵壓差旁通控制變流量系統和一級泵變頻變流量系統。一級泵壓差旁通控制變流量系統，通過壓差旁通管道實現機房側定流量，而用戶側則通過安裝電動二通閥實現變流量，主機和一次水泵為定流量運行，節能是通過用戶一側的流量變化，它由自控系統調節主機和水泵運行的臺數實現的（圖4，5）。

根據室內負荷變化，調節進入AHU 的水流量。當室內負荷小于設計負荷或設計負荷的50%時，AHU 流量減小，供回水壓差變大，當大于設定值時，旁通閥打開，部分水流量由旁通管道直接回到機組。顯然，水系統阻力增大使得水泵流量減少，減少的幅度取決于水泵自身的性能曲線。減少幅度越大，越節能。

圖4 一次泵壓差旁通控制變流量系統圖

一級泵變頻變流量系統：通過變頻器調速改變冷水泵的轉速，以減少冷水量的供應，使冷水泵能耗降低。就現階段的產品來說，冷水機組內部流量的變化仍有一定的范圍（并且對流量變化的速率有要求），一般冷水機組的最小允許流量為額定流量的50%～70%左右，冷水泵的最低運行頻率應該加以限制，為了確保冷水機組能在最小流量下安全運行，管路中的壓差旁通控制閥仍然需要設置。

二級泵系統：系統作用半徑較大，設計水流阻力較高的大型工程，空調冷水宜采用變流量二級泵。在負荷側管路中設置若干臺并聯的循環泵，冷源側設置若干臺并聯的一次泵和冰機及平衡管。負荷側二次泵運行臺數常采用壓差旁通控制，而供回水管上的壓差控制器則控制二次泵的運行臺數。水泵變速宜根據系統壓差變化進行控制，系統壓差監測點宜設在最不利環路的干管靠近末端處。設定一個供回水壓力波動范圍ΔP，當需求端負荷變化時，引起二次管網流量變化，供回水壓差ΔP 也隨之改變，當大于設定的上限值時，減少二次泵的頻率直至停開一臺泵；當低于設定下限值時，增加二次泵的頻率直至開啟一臺泵；冷源側一次泵的臺數控制采用負荷控制法。通過檢測二次側供回水主管上的溫差和流量得到需要的冷量。當需冷量減少相當于1 臺冰機的冷量，停一臺一次水泵及相應的冰機；當需冷量增大到等于一臺冰機的冷量時，開啟一臺冷水機組及相應的水泵。二級泵設計尤其注意，由于1 次泵和2 次泵屬于串聯關系，1 次泵和2 次泵的揚程務必精確計算，確保平衡管供、回兩端壓力差為零壓差。

圖6 二次泵變流量系統流程圖

3 冷卻塔供冷技術的應用

對于在冬季也需提供空調冷水的建筑，可以考慮利用冷卻塔換熱直接提供空調冷水，這樣可減少冷水機組的運行時間，以此獲取較好的節能效果。

但在具體的應用中，需注意以下幾點：

（1）冷卻塔的防凍要求：在冬季室外易結冰的地區，對于冷卻塔及室外的冷卻水管，必須考慮防凍的措施。

（2）合理確定供水參數和選擇冷卻塔。從目前的設備情況來看，一般認為在低溫狀態下，冷卻塔出水溫度比濕球溫度高2-3 ℃，對于室內末端設備，如果按照夏季空調冷水溫度（7/12℃）選擇的末端設備，在利用冷卻塔冬季供冷時，如果要求末端設備的供冷能力相同，室外空氣的濕球溫度必須在4-5℃時才能做到。如果冬季末端要求的供冷能力小于夏季，則應對末端設備在冬季供冷量要求條件下復核冷水供水溫度，從而確定室外濕球溫度。對于開式冷卻塔，為了防止過多的雜質進入空調水系統之中，通常設備熱交換器，水系統還存在1-2℃的換熱溫差損失也應該考慮。

圖7 冷卻塔供冷技術的應用

案例應用：

某半導體項目，綜合動力站應用冰機熱回收技術。冰機熱回收冷凝器出來的熱水經過溫水循環泵為MAU 再熱段提供熱源。冰機采用約克螺桿機，5-12℃系統采用1 臺熱回收+2 臺單冷冰機（1100RT），12-20℃系統采用4 臺熱回收+4 臺高溫冷水冰機（1600RT）,夏季運行時，車間空調制冷負荷需求量大，熱回收顯熱回收量多，回收的熱量能夠持續提供36-37℃的熱水，作為MAU 的加熱源，再熱經過表冷器后的空氣；冬季溫度降低，車間冷負荷需求少，冰機冷負荷減少，熱回收熱量減少，回收的熱量僅能提供20-25℃的溫水，此時啟動鍋爐作為補充熱源，給溫水加熱，可以滿足MAU 冬季再熱需求。此熱回收極大地降低了鍋爐熱負荷的用量，基本實現了MAU 再熱段的正常運行，減少了鍋爐熱源的投入使用時間，節省了運行費用。