朱月星，李 杰，潘 鳴，劉雨婷，李 樂

ZHU Yue-xing, LI Jie, PAN Ming, LIU Yu-ting, LI Le

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

目前，能源短缺是我國乃至世界面臨的最大問題之一。在我國，工業(yè)能耗占全國能源消費(fèi)總量的70%，可持續(xù)發(fā)展面臨很大的壓力。其中，在工業(yè)能耗中，工廠輔助設(shè)備的能耗占全部能耗的40%多，由于工長主要設(shè)備受產(chǎn)品工藝和非標(biāo)設(shè)備限制，節(jié)能空間有限。相反輔助設(shè)備都是常用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，節(jié)能空間很大。本文章講述利用風(fēng)冷技術(shù)，結(jié)合JZN03能源管理系統(tǒng)在摩托羅拉電子工廠空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造成功案例。

1 項(xiàng)目概況

摩托羅拉工廠為電子廠房建筑，由于在電子廠房建筑內(nèi)有大量的余熱，一年四季都需要穩(wěn)定的冷負(fù)荷，且制冷機(jī)的運(yùn)行時(shí)間較長，耗電量較高，所以該工廠空調(diào)系統(tǒng)中制冷機(jī)的能耗占有很高的比例。其空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備如表1所示。

表1 空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備性能參數(shù)

摩托羅拉天津工廠Ⅰ、Ⅱ期制冷機(jī)在不同季節(jié)的開啟情況：夏季Ⅰ期車間需運(yùn)行2臺(tái)制冷機(jī)，Ⅱ期車間需運(yùn)行2～3臺(tái)制冷機(jī)；過渡季Ⅰ、Ⅱ期車間一般需分別運(yùn)行1～2臺(tái)制冷機(jī)；冬季Ⅰ、Ⅱ期各運(yùn)行1臺(tái)制冷機(jī)。工作人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，手動(dòng)切換進(jìn)行啟停制冷設(shè)備，來滿足工廠室內(nèi)負(fù)荷需求。

2 節(jié)能原理

原有空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行原理為：1）通過冷凍水將室內(nèi)熱量置換到制冷機(jī)。2）通過冷卻水將制冷機(jī)內(nèi)熱量置換到冷卻塔。冷卻塔再通過風(fēng)扇將熱量散發(fā)到大氣中，如圖1所示。

圖1 冷卻塔工作原理

根據(jù)電子工廠冬季需要供冷的特點(diǎn)，可以通過風(fēng)冷技術(shù)直接將冷卻水和冷凍水熱量置換，由原來的Ⅰ、Ⅱ期制冷機(jī)提供冷源改為由Ⅱ期冷卻塔提供冷源。從而節(jié)省制冷機(jī)的能耗，以達(dá)到節(jié)能效果，同時(shí)解決冬季、過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)供冷，減少制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)間，可得到很好的節(jié)能效果。

圖2 冷卻塔間接供冷原理圖

3 具體方案

摩托羅拉工廠所在地區(qū)的氣候條件可以較長時(shí)間滿足冷卻塔供冷所需的室外濕球溫度。根據(jù)天津市的氣象參數(shù)，表2及圖3給出了天津地區(qū)典型年不同濕球溫度范圍段出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)。

圖3 天津市的全年濕球溫度

表2 天津地區(qū)室外濕球溫度分布表

在月份為1月～4月和10月～12月中，經(jīng)過詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，早7點(diǎn)到晚7點(diǎn)，天津市室外濕球溫度小于5℃的小時(shí)數(shù)為2491h，晚8點(diǎn)到次日早6點(diǎn)的小時(shí)數(shù)為1910h，如表2所示。

表2 10月至轉(zhuǎn)年1月室外濕球溫度分布

根據(jù)室外氣象條件和室內(nèi)負(fù)荷變化，改造后的冷卻塔與制冷機(jī)聯(lián)合供冷的系統(tǒng)可采用以下4種供冷模式。

1）臺(tái)冷卻塔單獨(dú)供冷模式：在該模式下，Ⅰ期和Ⅱ期的需冷量全部由冷卻塔供冷系統(tǒng)提供

2）臺(tái)冷卻塔單獨(dú)供冷模式：在該模式下，Ⅰ期和Ⅱ期的需冷量全部由冷卻塔供冷系統(tǒng)提供

3）制冷機(jī)供冷與冷卻塔供冷聯(lián)合運(yùn)行模式：在該模式下，Ⅰ期和Ⅱ期的需冷量主要由Ⅱ期的一臺(tái)制冷機(jī)和冷卻塔供冷系統(tǒng)聯(lián)合提供。其中2臺(tái)冷卻塔直接提供冷源，另外2臺(tái)給制冷機(jī)使用。

4）夏季制冷機(jī)單獨(dú)供冷模式：在該模式下，Ⅰ期和Ⅱ期的需冷量由Ⅰ期和Ⅱ期的制冷機(jī)分別提供。

4 原有設(shè)備改造及新設(shè)備的增加

4.1 供回水管路改造

1）增加換熱板換器

按照甲方提供數(shù)據(jù)，冬季的需冷量最大時(shí)約為1300RT?？紤]到投資回收期，以及二期動(dòng)力廠房的現(xiàn)有空間問題，選擇冷側(cè)、熱側(cè)為1℃溫差的板式換熱器2臺(tái)，每臺(tái)換熱器的換熱量為650RT（2286kW）。

為了節(jié)省投資，冷凍水泵與冷卻水泵利用原有設(shè)備，根據(jù)表1中水泵的性能參數(shù)計(jì)算，冷卻塔供冷系統(tǒng)單臺(tái)換熱器的冷凍水側(cè)設(shè)計(jì)水流量為1200GPM（76kg/s），冷卻水側(cè)設(shè)計(jì)水流量為2550GPM（161kg/s），具體參數(shù)如表3所示。

表3 板式換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)以上參數(shù)，選擇型號(hào)T20-PEG阿法拉伐板式換熱器，每臺(tái)換熱量2286kW，進(jìn)出口管徑均為DN200，對(duì)數(shù)溫差為2.4℃，傳熱系數(shù)為4774W/（m2×K），換熱面積為198.5m2，換熱器外型尺寸：長×寬×高為2145mm×780mm×2165mm。

2）增加10路電動(dòng)蝶閥

為了保證上述4種運(yùn)行模式，需要在供回水回路上增加10個(gè)電動(dòng)蝶閥，保證在運(yùn)行模式改變的時(shí)候能自動(dòng)切換供回水路由。

3）冷凍水水泵變頻控制方式的改造

原有冷凍水泵為普通水泵，在改造方案中，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和冷凍水供回水溫度差，需將冷凍水泵改為變頻控制。

4.2 冷卻塔的改造

1）增設(shè)蝶閥

原有Ⅱ期的四臺(tái)冷卻塔是并聯(lián)運(yùn)行的，不適用Ⅱ期的制冷機(jī)與冷卻塔的聯(lián)合運(yùn)行，所以需對(duì)四臺(tái)冷卻塔管路進(jìn)行改造，將冷卻塔CT-201、CT-202并聯(lián)，再將另外兩臺(tái)冷卻塔CT-203、CT-204并聯(lián)。在冷卻水供回水總干管，以及冷卻塔的連通管上分別增設(shè)蝶閥。

2）增加2臺(tái)變頻柜

原冷卻塔的風(fēng)機(jī)為高低速兩檔，電機(jī)功率分別為36.8kW和9.2kW。為滿足4種模式運(yùn)行方式，Ⅱ期兩臺(tái)冷卻塔CT-201、CT-202要改為變頻控制。改造其供電控制線路，在其供電線路上增加一個(gè)變頻器（不改變?cè)ぷ髂Ｊ剑?，使此風(fēng)機(jī)受變頻器控制?？梢愿鶕?jù)冷卻塔供冷側(cè)冷凍水供水管或冷卻塔冷卻水供水的溫度變化控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的頻率。

3）增加1套室外溫濕度監(jiān)測(cè)儀器，可以通訊方式和上位監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)系。

4）增加1臺(tái)PLC控制柜及1套JZN03能源管理監(jiān)控。

為了方便監(jiān)控整套系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行情況及手動(dòng)或自動(dòng)轉(zhuǎn)換4種運(yùn)行模式，同時(shí)，更好的記錄設(shè)備能耗情況。

5 控制方案

5.1 根據(jù)室外溫度控制系統(tǒng)自動(dòng)切換4種運(yùn)行方式

1）室外濕球溫度穩(wěn)定且T﹥6℃時(shí)，采用制冷機(jī)單獨(dú)制冷模式，具體開啟數(shù)量由工作人員手動(dòng)選擇。

2）室外濕球溫度穩(wěn)定且1℃﹤T≤6℃時(shí)，制冷機(jī)供冷與冷卻塔供冷聯(lián)合運(yùn)行模式。

3）室外濕球溫度穩(wěn)定且-2℃﹤T≤1℃時(shí)，4臺(tái)冷卻塔單獨(dú)供冷模式。

4）室外濕球溫度穩(wěn)定且T≤-2℃時(shí)，2臺(tái)冷卻塔單獨(dú)供冷模式。

5.2 冷卻塔風(fēng)機(jī)控制

1）室外濕球溫度穩(wěn)定且T﹥6℃時(shí)，制冷機(jī)單獨(dú)制冷。采用原控制方式為通過冷卻水溫度控制風(fēng)機(jī)高速、低速或停止。

2）T≤6℃時(shí)，冷卻塔供冷。CT-201、CT-202冷卻塔風(fēng)機(jī)采用冷卻水供回水溫差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變頻控制。CT-203、CT-204冷卻塔風(fēng)機(jī)采用冷卻水溫度控制風(fēng)機(jī)高速、低速或停止。

3）PLC控制柜主要是控制包括電機(jī)（風(fēng)扇、水泵）啟?？刂?、狀態(tài)反饋、故障反饋、本地/遠(yuǎn)程反饋、溫度顯示及控制、頻率控制及反饋、電磁閥控制及反饋等。

4）變頻柜主要是控制CT-201、CT-202冷卻塔風(fēng)機(jī)的變頻控制及高低速控制。

5）上位監(jiān)控軟件主要是監(jiān)控各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，監(jiān)控各個(gè)設(shè)備的用能情況，分析節(jié)能效果。

6 結(jié)束語

通過對(duì)摩托羅拉工廠的節(jié)能改造，采用風(fēng)冷技術(shù)解決了不通過冷水機(jī)制冷而滿足冬季供冷問題。最大限度實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，通過一個(gè)冬季的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，11月到下年3月停開冷水機(jī)1～2臺(tái)，共節(jié)省電費(fèi)150萬元。而整套改造話費(fèi)120萬元，一年即收回成本。但同時(shí)這種節(jié)能方案也存在一定的局限性，只能適用于電子、冶金等這種高發(fā)熱的工廠。

[1]陳沛林.間接蒸發(fā)冷卻在我國適用性的分析[J].暖通空調(diào)1994(5).

[2]黃翔.面向環(huán)保節(jié)能經(jīng)濟(jì)及室內(nèi)空氣品質(zhì)聯(lián)合挑戰(zhàn)的冷卻技術(shù)[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2003,22(4).