冬季利用(yòng)自然冷却系统节能(néng)

公司属于半导體(tǐ)集成電(diàn)路生产企业，生产厂房是全封闭结构的。它依靠空调和排放系统来维持半导體(tǐ)生产工艺对厂房内的洁净度、温湿度、风压方面的特殊要求。这就使得空调系统全年都处于运行状态。采用(yòng)技术手段创造并保持一定要求的空气环境就是空气调节的任務(wù)。由于厂房内生产设备释放大量的热量，加上人员等方面的原因，造成冷负荷较大。随着经济建设及人民(mín)生活水平的提高，制冷空调的总能(néng)量消耗会逐年增長(cháng)。能(néng)源与人类的文(wén)明和社会发展是紧密相连的，是社会发展的物(wù)质基础。目前所使用(yòng)的能(néng)源绝大部分(fēn)仍然是不可(kě)再生资源，因而能(néng)源消耗问题得到了各行各业的高度重视。能(néng)源的合理(lǐ)使用(yòng)也成為(wèi)全社会共同关注、共同努力的问题。今后我们解决能(néng)源问题的主要途径是开源节流。开源是指开发新(xīn)能(néng)源，如原子能(néng)和可(kě)再生能(néng)源的开发利用(yòng)和工业中的余热废热等。节流是指节约使用(yòng)中的能(néng)源，即采用(yòng)新(xīn)工艺提高操作技能(néng)和管理(lǐ)水平来实现节能(néng)。制冷空调在工程中实现节能(néng)的原则是：在满足使用(yòng)要求的前提下，设计最小(xiǎo)的制冷和空调负荷，确定合适的工程规模，降低建设投资。从整个运行期考虑，使各个运行期投入设备的能(néng)源利用(yòng)率最高，能(néng)量消费最小(xiǎo)。开源节流和减少能(néng)耗节省空调运行费用(yòng)是我们空调制冷工作者始终坚持的工作目标之一。為(wèi)了充分(fēn)利用(yòng)冬季的环境冷量资源，节约空调运行中電(diàn)能(néng)消耗，我们根据天津地區(qū)近年来气候变化的统计情况（如表1 所示）得出天津市气候变化的具體(tǐ)情况是：在每年冬季即1月、2月、3月和11月、12月份室外空气的平均温度為(wèi) 1℃左右。这就给我们在冬季利用(yòng)自然冷却系统节能(néng)提供了必要条件。

2008 年秋季我们对公司的空调冷却塔系统进行了技术改造。冷却塔供冷系统分(fēn)為(wèi)冷却塔直接供冷和冷却塔间接供冷两种形式。冷却塔直接供冷系统的优点是节能(néng)效果显著，缺点是初期投资较高，日常维护麻烦。冷却塔间接供冷系统是一种敞开式“空气—循环水冷却系统”，在冷却塔间接供冷系统中冷却水与冷冻水各成系统，它们之间通过板式换热器进行冷量交换。此系统优点是维护简单，但由于每年供冷时间短，节能(néng)效果低于直接供冷系统。我公司采用(yòng)的是敞开式冷却水塔，所以只能(néng)采用(yòng)间接供冷系统。我们在制冷机冷冻水回水管路上安装了板式换热器，在冷却塔水池内添加了冷却水出水管道，在两者之间安装了循环水泵并将它们用(yòng)管道和阀门以及水过滤器连接起来（如图1所示）。

在冬季和过渡季节，用(yòng)户对冷冻水供水温度要求比较宽松，供水温度可(kě)在 8℃~13℃之间（夏季冷冻水供/ 回水温度為(wèi)5℃~10℃）。本项目所选用(yòng)的板式换热器渐进温度為(wèi) 3℃（渐进温度指热交换器冷流體(tǐ)侧进水温度与暖流體(tǐ)侧出水温度的差值）。当冷却水温度<7℃时，将自然冷却管路上的阀门和循环水泵打开，通过板式换热器中的低温冷却水给制冷机冷冻水回水降温，以最大限度地降低制冷机负荷或停止制冷机运行达到节约電(diàn)能(néng)的目的。在实际运行中，根据测得的冷冻水供水温度，调节设置于板式换热器冷却水供水管路上的電(diàn)动调节阀的开度，保证冷冻水的供水温度在 8℃~13℃之间。

冷却塔按结构可(kě)分(fēn)為(wèi)开式和闭式两种方式。我公司使用(yòng)的是开式冷却水塔，运行时流动的空气从冷却水塔底部进入，通过填料与被冷却的水接触进行热量交换，然后从塔顶排出。冷却水是从冷却塔的上部自动旋转的布水管喷淋下来，形成细小(xiǎo)水滴，流经填料层时形成薄薄的水膜，最后流到塔底。水滴和水膜在流动的过程中同空气直接接触发生热质传递。水和空气温度差是（显）热传递动力，通过一部分(fēn)冷却水的蒸发带走冷却水中的热量达到降低水温的目的。

自然冷却时，冷却水通过板式换热器吸收冷冻水回水的热量升温，然后在室外的冷却塔放出热量降温，其温度控制的好坏是自然冷却系统运行成败的关键，同时也必须处理(lǐ)好冷却塔和室外冷却水管道的防冻问题。理(lǐ)论上讲，当室外大气的湿球温度為(wèi)5℃时，冷却水通过冷却塔后可(kě)降温至10℃（设计选用(yòng)的冷却塔在额定流量时降温能(néng)力為(wèi) 5℃），通过板式换热器可(kě)生产13℃的冷冻水满足用(yòng)户的使用(yòng)。在实际运行中，考虑到过渡季节气温的波动性，当室外大气的湿球温度降低為(wèi) 1℃后才启动自由冷却系统，并控制冷却水的供水温度在 5℃~9℃之间。这种工作状况主要通过以下方法实现：（1）现用(yòng)冷却塔风机有(yǒu)慢速、中速、快速的变速运行方式，当室外大气温度及冷却水负荷变化时，可(kě)调节风机转速，保证冷却水温度的稳定；（2）停开或增开一个或多(duō)个冷却塔，停开冷却塔风机，靠冷却水上塔后下落进行自然对流的自然冷却；（3）冷却水管路和自然冷却循环泵的防冻措施，我们采用(yòng)的是在其表面上加電(diàn)伴热線(xiàn)后再加保温棉和薄不锈钢板包裹。

此系统的节能(néng)情况。以前只采用(yòng)制冷机制取冷冻水时，需运行的设备有(yǒu)制冷机，冷冻水泵，冷却水泵及冷却塔风机；当采用(yòng)自然冷却方式时则大大的降低了制冷机负荷停开部分(fēn)甚至在短时间内将全部制冷机停掉，与前一种方法相比可(kě)节约電(diàn)耗50% 以上。以 2009 年统计空调在冬季的 1，2，3和 11，12 月份為(wèi)例，2008 年完全靠制冷机制取冷冻水满负荷运行时用(yòng)電(diàn)量為(wèi)2712 kW。而采用(yòng)自然冷却运行系统制取冷冻水用(yòng)電(diàn)量為(wèi) 750 kW。后者比前者用(yòng)電(diàn)量少1962 kW。每天节電(diàn)47088 kWh。如果每 kWh 電(diàn)价格以0.80 元计算。一天可(kě)节约运行费用(yòng)约 3.7 万元。每年自然冷却运行空调系统按大约 100 天计算，一年共可(kě)节约运行费用(yòng) 370 万元。这样我们当年不但收回了自然冷却运行系统的安装成本 130 万元，还节省了 274 万元的运行费用(yòng)。

在近两年的使用(yòng)中我们體(tǐ)会到在合理(lǐ)制定自然冷却运行系统方案的同时合理(lǐ)选择设备也很(hěn)重要。（1）选择渐进温度小(xiǎo)的板式换热器，这可(kě)以延長(cháng)每年自然冷却系统的使用(yòng)时间，从而更大限度的节约空调运行费用(yòng)。（2）合理(lǐ)选择循环冷却水泵和冷冻水泵，使通过板式换热器的冷冻水和冷却水具有(yǒu)相近的压头，从而减少板式换热器结垢的机会。（3）在板式换热器的冷冻水和冷却水入口侧设置细滤网的过滤器，减少板式换热器堵塞的可(kě)能(néng)。经实际运行表明，因冷却水侧為(wèi)开式系统并通过冷却塔与室外空气进行热交换，水质相对较差。采用(yòng)细过滤网的过滤器在一定程度上延缓了板式换热器的堵塞，但不能(néng)完全解决问题。

综上所述，空调系统采用(yòng)自然冷却系统运行确实可(kě)以大大的降低空调制冷系统的電(diàn)能(néng)耗量，节约运行费用(yòng)。尽管在使用(yòng)过程中出现了种种问题，但也都可(kě)以研究解决，相信自然冷却系统将成為(wèi)今后空调制冷节能(néng)降耗的主要措施之一。尤其在我國(guó)东北和西北等很(hěn)多(duō)地區(qū)冬季气候寒冷，具有(yǒu)运行自然冷却系统的条件，我们制冷空调工作者在具體(tǐ)工作中可(kě)充分(fēn)利用(yòng)这一有(yǒu)利的气候资源，设计出运行可(kě)靠的自然冷却系统，这对企业节约能(néng)耗，降低产品成本具有(yǒu)很(hěn)重要的意义。