冬季利用自然冷卻系統(tǒng)節(jié)能

公司屬于半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)廠房是全封閉結(jié)構(gòu)的。它依靠空調(diào)和排放系統(tǒng)來維持半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝對廠房內(nèi)的潔凈度、溫濕度、風(fēng)壓方面的特殊要求。這就使得空調(diào)系統(tǒng)全年都處于運行狀態(tài)。采用技術(shù)手段創(chuàng)造并保持一定要求的空氣環(huán)境就是空氣調(diào)節(jié)的任務(wù)。由于廠房內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備釋放大量的熱量，加上人員等方面的原因，造成冷負荷較大。隨著經(jīng)濟建設(shè)及人民生活水平的提高，制冷空調(diào)的總能量消耗會逐年增長。能源與人類的文明和社會發(fā)展是緊密相連的，是社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前所使用的能源絕大部分仍然是不可再生資源，因而能源消耗問題得到了各行各業(yè)的高度重視。能源的合理使用也成為全社會共同關(guān)注、共同努力的問題。今后我們解決能源問題的主要途徑是開源節(jié)流。開源是指開發(fā)新能源，如原子能和可再生能源的開發(fā)利用和工業(yè)中的余熱廢熱等。節(jié)流是指節(jié)約使用中的能源，即采用新工藝提高操作技能和管理水平來實現(xiàn)節(jié)能。制冷空調(diào)在工程中實現(xiàn)節(jié)能的原則是：在滿足使用要求的前提下，設(shè)計最小的制冷和空調(diào)負荷，確定合適的工程規(guī)模，降低建設(shè)投資。從整個運行期考慮，使各個運行期投入設(shè)備的能源利用率最高，能量消費最小。開源節(jié)流和減少能耗節(jié)省空調(diào)運行費用是我們空調(diào)制冷工作者始終堅持的工作目標(biāo)之一。為了充分利用冬季的環(huán)境冷量資源，節(jié)約空調(diào)運行中電能消耗，我們根據(jù)天津地區(qū)近年來氣候變化的統(tǒng)計情況（如表1 所示）得出天津市氣候變化的具體情況是：在每年冬季即1月、2月、3月和11月、12月份室外空氣的平均溫度為 1℃左右。這就給我們在冬季利用自然冷卻系統(tǒng)節(jié)能提供了必要條件。

2008 年秋季我們對公司的空調(diào)冷卻塔系統(tǒng)進行了技術(shù)改造。冷卻塔供冷系統(tǒng)分為冷卻塔直接供冷和冷卻塔間接供冷兩種形式。冷卻塔直接供冷系統(tǒng)的優(yōu)點是節(jié)能效果顯著，缺點是初期投資較高，日常維護麻煩。冷卻塔間接供冷系統(tǒng)是一種敞開式“空氣—循環(huán)水冷卻系統(tǒng)”，在冷卻塔間接供冷系統(tǒng)中冷卻水與冷凍水各成系統(tǒng)，它們之間通過板式換熱器進行冷量交換。此系統(tǒng)優(yōu)點是維護簡單，但由于每年供冷時間短，節(jié)能效果低于直接供冷系統(tǒng)。我公司采用的是敞開式冷卻水塔，所以只能采用間接供冷系統(tǒng)。我們在制冷機冷凍水回水管路上安裝了板式換熱器，在冷卻塔水池內(nèi)添加了冷卻水出水管道，在兩者之間安裝了循環(huán)水泵并將它們用管道和閥門以及水過濾器連接起來（如圖1所示）。

在冬季和過渡季節(jié)，用戶對冷凍水供水溫度要求比較寬松，供水溫度可在 8℃~13℃之間（夏季冷凍水供/ 回水溫度為5℃~10℃）。本項目所選用的板式換熱器漸進溫度為 3℃（漸進溫度指熱交換器冷流體側(cè)進水溫度與暖流體側(cè)出水溫度的差值）。當(dāng)冷卻水溫度<7℃時，將自然冷卻管路上的閥門和循環(huán)水泵打開，通過板式換熱器中的低溫冷卻水給制冷機冷凍水回水降溫，以最大限度地降低制冷機負荷或停止制冷機運行達到節(jié)約電能的目的。在實際運行中，根據(jù)測得的冷凍水供水溫度，調(diào)節(jié)設(shè)置于板式換熱器冷卻水供水管路上的電動調(diào)節(jié)閥的開度，保證冷凍水的供水溫度在 8℃~13℃之間。

冷卻塔按結(jié)構(gòu)可分為開式和閉式兩種方式。我公司使用的是開式冷卻水塔，運行時流動的空氣從冷卻水塔底部進入，通過填料與被冷卻的水接觸進行熱量交換，然后從塔頂排出。冷卻水是從冷卻塔的上部自動旋轉(zhuǎn)的布水管噴淋下來，形成細小水滴，流經(jīng)填料層時形成薄薄的水膜，最后流到塔底。水滴和水膜在流動的過程中同空氣直接接觸發(fā)生熱質(zhì)傳遞。水和空氣溫度差是（顯）熱傳遞動力，通過一部分冷卻水的蒸發(fā)帶走冷卻水中的熱量達到降低水溫的目的。

自然冷卻時，冷卻水通過板式換熱器吸收冷凍水回水的熱量升溫，然后在室外的冷卻塔放出熱量降溫，其溫度控制的好壞是自然冷卻系統(tǒng)運行成敗的關(guān)鍵，同時也必須處理好冷卻塔和室外冷卻水管道的防凍問題。理論上講，當(dāng)室外大氣的濕球溫度為5℃時，冷卻水通過冷卻塔后可降溫至10℃（設(shè)計選用的冷卻塔在額定流量時降溫能力為 5℃），通過板式換熱器可生產(chǎn)13℃的冷凍水滿足用戶的使用。在實際運行中，考慮到過渡季節(jié)氣溫的波動性，當(dāng)室外大氣的濕球溫度降低為 1℃后才啟動自由冷卻系統(tǒng)，并控制冷卻水的供水溫度在 5℃~9℃之間。這種工作狀況主要通過以下方法實現(xiàn)：（1）現(xiàn)用冷卻塔風(fēng)機有慢速、中速、快速的變速運行方式，當(dāng)室外大氣溫度及冷卻水負荷變化時，可調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，保證冷卻水溫度的穩(wěn)定；（2）停開或增開一個或多個冷卻塔，停開冷卻塔風(fēng)機，靠冷卻水上塔后下落進行自然對流的自然冷卻；（3）冷卻水管路和自然冷卻循環(huán)泵的防凍措施，我們采用的是在其表面上加電伴熱線后再加保溫棉和薄不銹鋼板包裹。

此系統(tǒng)的節(jié)能情況。以前只采用制冷機制取冷凍水時，需運行的設(shè)備有制冷機，冷凍水泵，冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機；當(dāng)采用自然冷卻方式時則大大的降低了制冷機負荷停開部分甚至在短時間內(nèi)將全部制冷機停掉，與前一種方法相比可節(jié)約電耗50% 以上。以 2009 年統(tǒng)計空調(diào)在冬季的 1，2，3和 11，12 月份為例，2008 年完全靠制冷機制取冷凍水滿負荷運行時用電量為2712 kW。而采用自然冷卻運行系統(tǒng)制取冷凍水用電量為 750 kW。后者比前者用電量少1962 kW。每天節(jié)電47088 kWh。如果每 kWh 電價格以0.80 元計算。一天可節(jié)約運行費用約 3.7 萬元。每年自然冷卻運行空調(diào)系統(tǒng)按大約 100 天計算，一年共可節(jié)約運行費用 370 萬元。這樣我們當(dāng)年不但收回了自然冷卻運行系統(tǒng)的安裝成本 130 萬元，還節(jié)省了 274 萬元的運行費用。

在近兩年的使用中我們體會到在合理制定自然冷卻運行系統(tǒng)方案的同時合理選擇設(shè)備也很重要。（1）選擇漸進溫度小的板式換熱器，這可以延長每年自然冷卻系統(tǒng)的使用時間，從而更大限度的節(jié)約空調(diào)運行費用。（2）合理選擇循環(huán)冷卻水泵和冷凍水泵，使通過板式換熱器的冷凍水和冷卻水具有相近的壓頭，從而減少板式換熱器結(jié)垢的機會。（3）在板式換熱器的冷凍水和冷卻水入口側(cè)設(shè)置細濾網(wǎng)的過濾器，減少板式換熱器堵塞的可能。經(jīng)實際運行表明，因冷卻水側(cè)為開式系統(tǒng)并通過冷卻塔與室外空氣進行熱交換，水質(zhì)相對較差。采用細過濾網(wǎng)的過濾器在一定程度上延緩了板式換熱器的堵塞，但不能完全解決問題。

綜上所述，空調(diào)系統(tǒng)采用自然冷卻系統(tǒng)運行確實可以大大的降低空調(diào)制冷系統(tǒng)的電能耗量，節(jié)約運行費用。盡管在使用過程中出現(xiàn)了種種問題，但也都可以研究解決，相信自然冷卻系統(tǒng)將成為今后空調(diào)制冷節(jié)能降耗的主要措施之一。尤其在我國東北和西北等很多地區(qū)冬季氣候寒冷，具有運行自然冷卻系統(tǒng)的條件，我們制冷空調(diào)工作者在具體工作中可充分利用這一有利的氣候資源，設(shè)計出運行可靠的自然冷卻系統(tǒng)，這對企業(yè)節(jié)約能耗，降低產(chǎn)品成本具有很重要的意義。