林鵬飛

(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司，四川 成都 610021)

《“十三五”全民節(jié)能行動(dòng)計(jì)劃》指出，工業(yè)能源消費(fèi)是我國能源消費(fèi)的重點(diǎn)領(lǐng)域，通過全面落實(shí)《中國制造2025》，推動(dòng)工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)，全面提高工業(yè)能源利用效率和清潔化水平?！笆濉睍r(shí)期規(guī)模以上單位工業(yè)增加值能耗降低18%，力爭2020年工業(yè)能源消費(fèi)達(dá)到峰值。工業(yè)能源的消費(fèi)，對(duì)于某一個(gè)工業(yè)廠房來說，除了工藝機(jī)臺(tái)需求的能耗較高外，便以冷凍站、空壓站等的高能耗尤為突出[1]。

1 免費(fèi)制冷系統(tǒng)

免費(fèi)制冷(Free-cooling)，是指在春秋季(過渡季節(jié))或冬季，利用外界的低溫大氣作為冷源，將換熱升溫后的高溫循環(huán)水進(jìn)行冷卻，從而可以起到降低冷水機(jī)組運(yùn)行負(fù)載或減開/不開冷水機(jī)組，減少耗能。

由于工藝產(chǎn)品對(duì)于生產(chǎn)環(huán)境要求較高，故在工業(yè)廠房中一般均會(huì)設(shè)置恒溫恒濕的潔凈室。同時(shí)需求的冷水溫度種類也較多，包括低溫冷凍水(供/回水溫度設(shè)計(jì)為5/10℃或7/12℃等)、中溫冷凍水(供/回水溫度設(shè)計(jì)為12/18℃等)、工藝?yán)鋮s水Process Cooling Water(供/回水溫度設(shè)計(jì)為18/23℃等)等。

冷卻塔的出水溫度受大氣濕球溫度的影響，在未有實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)之前，室外氣象參數(shù)的設(shè)計(jì)取值主要依據(jù)現(xiàn)行國家相關(guān)規(guī)范，包括《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50019—2015》《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50736—2012》[1]。一般來說，冷卻塔出水溫度比濕球溫度高3～5℃。在過渡季節(jié)或者冬季，隨著室外濕球溫度降低，冷卻塔的出水溫度也隨之降低。這就為免費(fèi)制冷系統(tǒng)的應(yīng)用創(chuàng)造了可能性。

由于我國幅員遼闊，受限于地理位置，北方相比南方區(qū)域全年可用于免費(fèi)制冷的時(shí)間更長，但只要需求水溫可通過免費(fèi)制冷制取且需求量相對(duì)穩(wěn)定，便可考慮將免費(fèi)制冷系統(tǒng)作為一種優(yōu)選的過渡季節(jié)或冬季應(yīng)采用的制冷方案。

目前免費(fèi)制冷系統(tǒng)的設(shè)置主要有兩種形式。

1.1 采用開式冷卻塔配套板式換熱器的組合方式

由于板式換熱器一次側(cè)和二次側(cè)換熱溫差的要求，故冷卻塔的出水溫度一般應(yīng)比需求的冷凍水溫度低3℃及以上，相應(yīng)要求室外濕球溫度也應(yīng)比冷卻塔出水溫度低3～5℃以上。按該種做法，如果系統(tǒng)設(shè)置合理，冬季可以關(guān)停冷水機(jī)組，僅需運(yùn)行冷卻塔及配套的冷卻水泵、冷凍水泵等。由于采用開式冷卻塔，初投資相對(duì)較小，但免費(fèi)制冷的時(shí)間相對(duì)就會(huì)減少。

在長春某傳感芯片生產(chǎn)線項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中，筆者深入研究了該廠房的全年冷負(fù)荷需求情況。發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目中，中溫冷凍水(12～18℃)和工藝?yán)鋮s水(20～25℃)的需求量大并且相當(dāng)穩(wěn)定。這為筆者后續(xù)設(shè)計(jì)出有效的冷凍站節(jié)能措施提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

在了解到這些需求后，決定引入免費(fèi)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)這一系統(tǒng)時(shí)，考慮到了長春的全年氣象參數(shù)。長春位于較北部地區(qū)，冬季天氣寒冷，有很好的自然冷卻條件?；谶@一情況，設(shè)計(jì)了兩臺(tái)板式換熱器，它們?cè)谑彝鉂袂驕囟鹊陀?℃且能夠穩(wěn)定運(yùn)行一段設(shè)定的時(shí)間后，能夠?qū)⑾到y(tǒng)切換至免費(fèi)制冷模式。

在免費(fèi)制冷模式下，選擇關(guān)閉冷水機(jī)組，開啟免費(fèi)制冷所用之冷卻塔，同時(shí)根據(jù)需要開啟或關(guān)閉相應(yīng)的水泵和閥門。這樣，冷卻塔可以提供9～14℃的冷卻水，通過板式換熱器進(jìn)行熱交換后，可以得到12～18℃的冷凍水，這正好滿足全廠中溫水及工藝?yán)鋮s水的需求。

這種設(shè)計(jì)在理論上是可行的，但在實(shí)施過程中，也面臨了一些挑戰(zhàn)。首先，如何準(zhǔn)確地根據(jù)氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)冷凍水的需求并進(jìn)行有效控制是一大挑戰(zhàn)。其次，如何確保板式換熱器和其他設(shè)備在低溫條件下的穩(wěn)定運(yùn)行也急需克服。

通過精細(xì)的設(shè)計(jì)和精心的操作管理，成功地實(shí)現(xiàn)了這一設(shè)計(jì)方案。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，免費(fèi)制冷系統(tǒng)有效地降低了能源消耗，提高了整個(gè)冷凍站的能效。這為工業(yè)廠房的節(jié)能設(shè)計(jì)提供了一種有效的實(shí)踐案例。

1.2 采用閉式冷卻塔

由于閉式冷卻塔對(duì)水質(zhì)的要求較為苛刻，一般管道內(nèi)循環(huán)水應(yīng)采用純水或軟化水，而外部噴淋水采用自來水，有條件建議可搭配一定比例的軟化水，以降低自來水硬度較高而造成后期冷卻塔噴淋頭的堵塞。系統(tǒng)無需設(shè)置板式換熱器，故免費(fèi)制冷的時(shí)間相對(duì)得到延長。但閉式冷卻塔的造價(jià)約是同當(dāng)量開式冷卻塔的2～3倍，是否采用閉式冷卻塔在方案制定前需同客戶進(jìn)行討論確定。

在浙江嘉興的某玩具制造項(xiàng)目中，筆者發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目全年對(duì)工藝?yán)鋮s水(30～32℃)的需求量較高且穩(wěn)定，這種需求的特性為冷卻塔的節(jié)能設(shè)計(jì)提供了突破口。

面對(duì)這樣的需求情況，筆者首先分析了該地的氣候特征和氣象數(shù)據(jù)。嘉興地處江南，氣候溫和，特別是在過渡季節(jié)和冬季，濕球溫度經(jīng)常低于22℃。這種氣候條件為應(yīng)用免費(fèi)制冷提供了自然優(yōu)勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)了一臺(tái)閉式冷卻塔，用于實(shí)現(xiàn)在適宜的時(shí)候切換至免費(fèi)制冷模式。

在設(shè)計(jì)選擇的過程中，對(duì)比考慮了開式冷卻塔和閉式冷卻塔兩種選擇。雖然開式冷卻塔的初投資相對(duì)較小，但考慮到長期運(yùn)行中，閉式冷卻塔的運(yùn)行效率更高，節(jié)能效果更顯著，最終選擇了閉式冷卻塔。

在實(shí)施過程中，面臨的主要挑戰(zhàn)是如何精確地控制系統(tǒng)的切換。具體來說，需要在濕球溫度低于22℃且穩(wěn)定運(yùn)行一段設(shè)定的時(shí)間后，才切換至免費(fèi)制冷，即關(guān)閉冷水機(jī)組，開啟閉式冷卻塔，同時(shí)開啟或關(guān)閉相應(yīng)的水泵和閥門。

為了解決這個(gè)問題，采用了自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過設(shè)置溫度傳感器和時(shí)間控制器，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)切換。此外，還設(shè)置了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，使得在切換過程中出現(xiàn)問題時(shí)，可以及時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

實(shí)施的結(jié)果證明了這個(gè)設(shè)計(jì)方案的有效性。在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)過渡季節(jié)和冬季的大部分時(shí)間，都可以利用免費(fèi)制冷模式，大大節(jié)省了冷源系統(tǒng)的能源消耗。這個(gè)案例展示了利用自然條件，結(jié)合自動(dòng)化控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)冷源系統(tǒng)的高效節(jié)能。

2 中溫系統(tǒng)與低溫系統(tǒng)分開

一般來說對(duì)于某一臺(tái)確定的冷水機(jī)組，其設(shè)定的冷凍水出水溫度越低，可提供的冷量會(huì)越少。根據(jù)冷水機(jī)組廠家提供的選型報(bào)告可知，某臺(tái)冷凍水供水溫度為7℃且制冷量為1 000USRT的冷水機(jī)組，在耗電相同的情況下，當(dāng)供水溫度降低至5℃，能提供的制冷量約為940USRT；當(dāng)供水溫度提高至12℃，能提供的制冷量約為1 100～1 150USRT。即此時(shí)12℃中溫水相對(duì)于5℃的低溫水約節(jié)能17%。這也從側(cè)面證明了當(dāng)供水溫度每降低1℃，能耗約增加2～3%。

許多工業(yè)廠房的中溫冷凍水主要通過設(shè)置板式換熱器與低溫冷凍水換熱制取。該種方式雖然系統(tǒng)簡單，但冷水機(jī)組由于出水溫度較低，導(dǎo)致后期系統(tǒng)的運(yùn)行能耗較高[2]。

隨著冷水機(jī)組的產(chǎn)品技術(shù)的提升，我們可以發(fā)現(xiàn)在一些工廠，尤其是集成電路廠房或者鋰電池工廠的設(shè)計(jì)中，將中/低溫系統(tǒng)分開已經(jīng)成為了一種主要的節(jié)能主流措施：根據(jù)全年冷負(fù)荷計(jì)算情況，合理地配置中溫機(jī)和低溫機(jī)的臺(tái)數(shù)，并設(shè)置1～2臺(tái)低溫冷水機(jī)組作為公用備機(jī)。

在泉州的某集成電路項(xiàng)目中，筆者主要負(fù)責(zé)冷凍站的設(shè)計(jì)工作。項(xiàng)目中的主要任務(wù)是確保供冷需求的滿足，同時(shí)盡可能地降低能耗。這是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)榧呻娐返纳a(chǎn)過程對(duì)環(huán)境的穩(wěn)定性要求極高，而高效供冷通常意味著較高的能耗。

設(shè)計(jì)選擇的過程在于尋找和調(diào)整最佳的設(shè)備配置。首先，選定了包括一臺(tái)制冷量為1 200USRT的低溫冷水機(jī)組、五臺(tái)制冷量為2 300 USRT的低溫冷水機(jī)組在內(nèi)的多臺(tái)設(shè)備。這些設(shè)備主要負(fù)責(zé)低溫環(huán)節(jié)的冷卻需求。

然后，為中溫環(huán)節(jié)選擇了一臺(tái)制冷量為1 300 USRT的中溫?zé)峄厥绽渌畽C(jī)組，三臺(tái)制冷量為2 500USRT的中溫?zé)峄厥绽渌畽C(jī)組，以及三臺(tái)制冷量為2 500 USRT的中溫單冷型冷水機(jī)組。并且額外配置了一臺(tái)1 200USRT的低溫冷水機(jī)組和一臺(tái)2 300USRT的低溫冷水機(jī)組作為備用設(shè)備，以應(yīng)對(duì)可能的設(shè)備故障或特殊高需求的情況。

面臨的最大挑戰(zhàn)是如何精確地匹配不同溫度環(huán)節(jié)的供冷需求與冷凍站的設(shè)備配置，以實(shí)現(xiàn)最大的能效。為此，采取了深入的數(shù)據(jù)分析和多次模擬，確定了上述的設(shè)備配置方案。

實(shí)施的結(jié)果證明了這一設(shè)計(jì)方案的有效性。通過后期的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)這個(gè)項(xiàng)目的能耗相對(duì)于使用傳統(tǒng)配置方案的廠房要低，尤其是在同等冷卻量的條件下。這說明合理的設(shè)備配置和精細(xì)的運(yùn)行管理，可以在保證集成電路生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)冷凍站的高效節(jié)能。

3 采用熱回收冷水機(jī)組替代鍋爐

工業(yè)廠房全年對(duì)于熱負(fù)荷均有一定的需求，但熱源的選擇受諸多因素影響。我國北方地區(qū)的熱源主要有市政蒸汽或者自備鍋爐，南方地區(qū)除了周邊有熱電廠可利用余熱外，均不會(huì)有集中熱源，故除了工藝有高溫?zé)崴蛘咝枨笳羝?，一般均不?huì)自備鍋爐。

冷水機(jī)組在制冷的時(shí)候，蒸發(fā)器和壓縮機(jī)工作所產(chǎn)生的熱量主要通過冷卻塔散逸到大氣中，如果能將這部分熱量回收用于制備熱水，就可以減少冷卻塔的運(yùn)行數(shù)量或者降低冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而減少電耗。此時(shí)熱回收型冷水機(jī)組是一種可以考慮匹配的機(jī)型。

熱回收型冷水機(jī)組主要包括部分熱回收型與全熱回收型。部分熱回收冷水機(jī)組回收熱量主要為顯熱，可回收的熱量約為制冷量的15～20%。全熱回收型冷水機(jī)組回收的熱量包括顯熱和潛熱，可回收的熱量約為制冷量的100～110%。一般設(shè)定的熱回收水出水溫度為35～45℃。溫度過高反而不利于節(jié)能。

在廈門的一家微電子元器件制造項(xiàng)目中，筆者主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和調(diào)整冷熱系統(tǒng)。全年的冷熱負(fù)荷需求是決定這個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。為了精確地滿足全廠的冷熱需求，進(jìn)行了深入的負(fù)荷分析，并根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)了相應(yīng)的設(shè)備配置。

在設(shè)計(jì)選擇過程中，首先對(duì)全廠全年的冷熱負(fù)荷進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過數(shù)據(jù)模擬仿真，發(fā)現(xiàn)中溫全熱回收冷水機(jī)組能最有效地滿足廠房的冷熱需求，因此，筆者設(shè)計(jì)了三臺(tái)制冷量為1200USRT的中溫全熱回收冷水機(jī)組，其熱水供/回水溫度設(shè)定為38/32℃。

該項(xiàng)目面臨的主要挑戰(zhàn)是如何確保這三臺(tái)冷水機(jī)組能在全年不同季節(jié)和不同負(fù)荷需求下，穩(wěn)定高效地運(yùn)行。為此，進(jìn)行了一系列嚴(yán)格的性能測(cè)試和模擬，以確認(rèn)這種配置可以在各種工況下穩(wěn)定運(yùn)行。

實(shí)施的結(jié)果超出了預(yù)期。在后期的實(shí)際使用中，這三臺(tái)冷水機(jī)組完全滿足了全廠的熱負(fù)荷需求。冬季時(shí)，由于全熱回收系統(tǒng)的高效運(yùn)行，冷卻塔的運(yùn)行臺(tái)數(shù)明顯減少，電耗也相應(yīng)降低。這一設(shè)計(jì)方案還帶來了投資的節(jié)約：原規(guī)劃中的備用熱水鍋爐房和風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)都被取消了，因?yàn)檫@三臺(tái)全熱回收冷水機(jī)組已足夠滿足全廠的冷熱需求。

這個(gè)案例充分證明了全熱回收冷水機(jī)組在微電子元器件制造項(xiàng)目中的應(yīng)用價(jià)值。它不僅可以滿足生產(chǎn)的冷熱需求，而且能顯著降低能耗，節(jié)約投資。

4 新興技術(shù)與創(chuàng)新在冷源系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展望

在當(dāng)今能源緊張和環(huán)保需求加強(qiáng)的背景下，新興技術(shù)與創(chuàng)新在冷源系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用變得尤為重要。面臨能源消耗高和環(huán)境壓力大的挑戰(zhàn)，冷源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須向更高效、更綠色和更智能的方向發(fā)展。

首先，對(duì)于新興技術(shù)，如利用可再生能源的冷源系統(tǒng)正在得到廣泛關(guān)注。太陽能、風(fēng)能、地?zé)岬瓤稍偕茉幢挥糜隍?qū)動(dòng)吸收式制冷系統(tǒng)或熱驅(qū)動(dòng)的冷水機(jī)組，以減少傳統(tǒng)能源的消耗，實(shí)現(xiàn)真正意義上的綠色制冷。此外，新型的冷卻技術(shù)，如磁制冷、熱電制冷等也在不斷發(fā)展，雖然目前尚在實(shí)驗(yàn)室階段，但未來有可能成為主流的冷源技術(shù)。

其次，對(duì)于創(chuàng)新應(yīng)用，智能控制系統(tǒng)在冷源系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。通過采集和分析大數(shù)據(jù)，結(jié)合人工智能技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化決策，可以實(shí)現(xiàn)冷源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自我調(diào)整，從而在確保舒適度的同時(shí)提高能源效率。比如，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對(duì)冷源系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障預(yù)警，降低運(yùn)維成本，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

隨著近些年來高效機(jī)房HPCP(High Performance Chiller Plant)概念的提出，并逐步開始推廣至實(shí)際工程案例中，我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著市場競爭的日趨激烈、制造成本的降低、生產(chǎn)技術(shù)的更新?lián)Q代，已經(jīng)出現(xiàn)了一些新的節(jié)能措施，如選用一級(jí)或超一級(jí)能效的冷水機(jī)組、選用一級(jí)能效的水泵、選用全變頻系統(tǒng)、采用自適應(yīng)工況型的冷卻塔等。但無論采用何種節(jié)能措施，在設(shè)計(jì)的前期，應(yīng)充分進(jìn)行各種方案的比選、初投資分析、運(yùn)行費(fèi)用分析、經(jīng)濟(jì)回報(bào)分析等，并結(jié)合客戶的初始預(yù)算、期望回報(bào)周期、產(chǎn)能提升、市場帶來的產(chǎn)品變動(dòng)等各種因素，選用對(duì)應(yīng)項(xiàng)目最適合的節(jié)能措施。