冬季利用自然冷却系统节能

公司属于半导体集成电路生产企业，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体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务。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生活水平的提高，制冷空调的总能量消耗会逐年增长。能源与人类的文明和社会发展是紧密相连的，是社会发展的物质基础。目前所使用的能源绝大部分仍然是不可再生资源，因而能源消耗问题得到了各行各业的高度重视。能源的合理使用也成为全社会共同关注、共同努力的问题。今后我们解决能源问题的主要途径是开源节流。开源是指开发新能源，如原子能和可再生能源的开发利用和工业中的余热废热等。节流是指节约使用中的能源，即采用新工艺提高操作技能和管理水平来实现节能。制冷空调在工程中实现节能的原则是：在满足使用要求的前提下，设计最小的制冷和空调负荷，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源利用率最高，能量消费最小。开源节流和减少能耗节省空调运行费用是我们空调制冷工作者始终坚持的工作目标之一。为了充分利用冬季的环境冷量资源，节约空调运行中电能消耗，我们根据天津地区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体情况是：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为 1℃左右。这就给我们在冬季利用自然冷却系统节能提供了必要条件。

2008 年秋季我们对公司的空调冷却塔系统进行了技术改造。冷却塔供冷系统分为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，节能效果低于直接供冷系统。我公司采用的是敞开式冷却水塔，所以只能采用间接供冷系统。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，用户对冷冻水供水温度要求比较宽松，供水温度可在 8℃~13℃之间（夏季冷冻水供/ 回水温度为5℃~10℃）。本项目所选用的板式换热器渐进温度为 3℃（渐进温度指热交换器冷流体侧进水温度与暖流体侧出水温度的差值）。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电能的目的。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电动调节阀的开度，保证冷冻水的供水温度在 8℃~13℃之间。

冷却塔按结构可分为开式和闭式两种方式。我公司使用的是开式冷却水塔，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，同时也必须处理好冷却塔和室外冷却水管道的防冻问题。理论上讲，当室外大气的湿球温度为5℃时，冷却水通过冷却塔后可降温至10℃（设计选用的冷却塔在额定流量时降温能力为 5℃），通过板式换热器可生产13℃的冷冻水满足用户的使用。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为 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）现用冷却塔风机有慢速、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，我们采用的是在其表面上加电伴热线后再加保温棉和薄不锈钢板包裹。

此系统的节能情况。以前只采用制冷机制取冷冻水时，需运行的设备有制冷机，冷冻水泵，冷却水泵及冷却塔风机；当采用自然冷却方式时则大大的降低了制冷机负荷停开部分甚至在短时间内将全部制冷机停掉，与前一种方法相比可节约电耗50% 以上。以 2009 年统计空调在冬季的 1，2，3和 11，12 月份为例，2008 年完全靠制冷机制取冷冻水满负荷运行时用电量为2712 kW。而采用自然冷却运行系统制取冷冻水用电量为 750 kW。后者比前者用电量少1962 kW。每天节电47088 kWh。如果每 kWh 电价格以0.80 元计算。一天可节约运行费用约 3.7 万元。每年自然冷却运行空调系统按大约 100 天计算，一年共可节约运行费用 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。

在近两年的使用中我们体会到在合理制定自然冷却运行系统方案的同时合理选择设备也很重要。（1）选择渐进温度小的板式换热器，这可以延长每年自然冷却系统的使用时间，从而更大限度的节约空调运行费用。（2）合理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能。经实际运行表明，因冷却水侧为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，但不能完全解决问题。

综上所述，空调系统采用自然冷却系统运行确实可以大大的降低空调制冷系统的电能耗量，节约运行费用。尽管在使用过程中出现了种种问题，但也都可以研究解决，相信自然冷却系统将成为今后空调制冷节能降耗的主要措施之一。尤其在我国东北和西北等很多地区冬季气候寒冷，具有运行自然冷却系统的条件，我们制冷空调工作者在具体工作中可充分利用这一有利的气候资源，设计出运行可靠的自然冷却系统，这对企业节约能耗，降低产品成本具有很重要的意义。