王曉衛(wèi)

（航空工業(yè)自控所，西安710065）

1 工程概況

本工程是位于西安市的某環(huán)境試驗(yàn)中心，地上1 層，總建筑面積約4 000m2。環(huán)境試驗(yàn)中心布置有高低溫試驗(yàn)箱、快速溫變?cè)囼?yàn)箱、溫控轉(zhuǎn)臺(tái)、三綜合試驗(yàn)箱等環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備。環(huán)境試驗(yàn)中心承擔(dān)企業(yè)所有產(chǎn)品的耐候試驗(yàn)，基本上處于7×24h的工作狀態(tài)。

環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備工作時(shí)，對(duì)降溫速率要求較高，因此，需為每臺(tái)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備全年提供不高于20℃的低溫工藝?yán)鋮s水。通常，工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用冷卻塔直接降溫的制冷形式，但由于本工程環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備對(duì)循環(huán)水最高溫度有限制，只有先對(duì)西安市氣候特點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真分析，才能據(jù)此篩選出經(jīng)濟(jì)可行的低溫工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)制冷方案。

2 室外氣象參數(shù)分析

西安屬于寒冷地區(qū)，冬冷夏熱的特征非常明顯，冬夏季長(zhǎng)，春秋過渡季短。

夏季，西安市空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算濕球溫度25.8℃[1]，如采用冷卻塔直接冷卻方法，低溫工藝?yán)鋮s水極限低溫為25.8℃，不能滿足環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備要求。因此，夏季為了給環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備提供不超過20℃的低溫工藝?yán)鋮s水，必須采用冷水機(jī)組制冷。

冬季，西安市空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度為-5.7℃，利用冷卻塔免費(fèi)供冷完全可以滿足低溫工藝?yán)鋮s水對(duì)溫度的要求。由于本工程中冷卻塔為開式型號(hào)，若采用直接供冷系統(tǒng)，冷卻水容易把空氣中的污物帶入環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的換熱管道中，造成管路堵塞[2]，引起換熱效率下降，甚至環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備故障。因此，本工程采用冷卻塔間接供冷，即流經(jīng)冷卻塔的冷卻水與低溫工藝?yán)鋮s水通過板式換熱器進(jìn)行換熱。

在過渡季節(jié)采用何種制冷方式，取決于過渡季節(jié)的室外濕球溫度。根據(jù)《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)》提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，近30 年來，西安市3 月份逐時(shí)平均最高濕球溫度12.5℃，10 月下旬逐時(shí)平均最高濕球溫度14℃。即在3 月份和10 月下旬，室外氣候條件滿足免費(fèi)供冷方式，能為環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備提供不超過20℃的低溫工藝?yán)鋮s水。

根據(jù)以上分析，將低溫工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)運(yùn)行工況劃分為，2 種工況：夏季工況和冬季工況。每年4 月初至10 月中旬為夏季工況，采用冷水機(jī)組制冷；每年10 月下旬至來年3 月底為冬季工況，采用冷卻塔免費(fèi)供冷方式。

3 免費(fèi)供冷模式與冷水機(jī)組制冷模式的整合

通過對(duì)工程所在地室外氣象條件分析可知，為了滿足夏季工況下低溫工藝?yán)鋮s水的達(dá)標(biāo)運(yùn)行，必須采用冷水機(jī)組制冷，即常規(guī)的“冷卻塔+冷水機(jī)組+水泵”的制冷模式。冷水機(jī)組冷凍端向環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備提供穩(wěn)定的、滿足要求的低溫工藝?yán)鋮s水，并且由于冷水機(jī)組的冷凍端為閉式系統(tǒng)，能有效控制進(jìn)入環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的低溫冷卻水水質(zhì)。

冬季工況下，為了利用室外自然冷源，該系統(tǒng)增加了板式換熱器，系統(tǒng)原理如圖1 所示。板式換熱器與冷水機(jī)組并聯(lián)安裝，共用冷卻塔和循環(huán)水泵。同時(shí)，增加相應(yīng)的切換閥門，夏季工況時(shí)關(guān)閉板式換熱器，開啟冷水機(jī)組；冬季工況時(shí)關(guān)閉冷水機(jī)組，開啟板式換熱器。

圖1 增加板式換熱器后系統(tǒng)原理圖

這樣的設(shè)計(jì)方案，將夏季冷水機(jī)組制冷模式和冬季冷卻塔免費(fèi)供冷模式有機(jī)地結(jié)合在一起，極大地提高了低溫工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)的整體效率。

根據(jù)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，環(huán)境試驗(yàn)中心低溫工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)冷源選擇2 臺(tái)水冷螺桿式冷水機(jī)組，總制冷量為2420kW，低溫工藝?yán)鋮s水供回水溫度為7℃/12℃。冷卻塔配置為開式逆流玻璃鋼冷卻塔2 組，夏季冷卻水流量660m3/h，進(jìn)出口水溫37℃/32℃，冬季冷卻水流量為550m3/h，進(jìn)出口水溫度為18℃/13℃。2 臺(tái)板式換熱器與冷水機(jī)組并聯(lián)設(shè)置，用于冬季工況下免費(fèi)間接供冷。板式換熱器的換熱容量為3000kW，其中一次側(cè)供回水設(shè)計(jì)溫度為13℃/18℃，二次側(cè)供回水設(shè)計(jì)溫度為15℃/20℃。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和冷卻塔廠家提供的技術(shù)參數(shù)，本工程選用的冷卻塔冷幅在冬季按3.5℃考率，板式換熱器一次側(cè)供回水溫度為13℃/18℃。在此條件下，滿足冷卻塔免費(fèi)供冷所需要的室外空氣濕球溫度應(yīng)不高于14℃。結(jié)合西安市室外氣象參數(shù)，在每年10 月下旬至來年3 月底，共有161d 滿足室外日平均濕球溫度低于14℃，占全年總供冷天數(shù)的44%。因此，該工程冬季工況是非常適用免費(fèi)供冷模式的。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

在建設(shè)階段，低溫工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)增加冬季免費(fèi)供冷模式相比較單獨(dú)的采用水冷螺桿式冷水機(jī)組制冷模式，建設(shè)費(fèi)用是增加的，主要表現(xiàn)在2 方面：（1）增加板式換熱器的設(shè)備采購及安裝費(fèi)，約30.8 萬元；（2）增加連接板式換熱器的管道及用于冬季工況、夏季工況切換的閥門，相關(guān)費(fèi)用約3.7 萬元。可見，在建設(shè)階段合計(jì)增加建設(shè)費(fèi)用34.5 萬元。

本工程建成投用后，由于板式換熱器幾乎不產(chǎn)生額外的運(yùn)行費(fèi)用，唯一增加的運(yùn)行成本就是每年冬季工況、夏季工況切換時(shí)開關(guān)閥門及板式換熱器定期保養(yǎng)維護(hù)的費(fèi)用。因此，可認(rèn)為后期運(yùn)行增加費(fèi)用為0 元，不予考慮。

低溫工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)按照每月停機(jī)維護(hù)保養(yǎng)2d，水冷螺桿式冷水機(jī)組能效比COP 值取6.0，環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備冷負(fù)荷按照60%計(jì)取，可以計(jì)算出此條件下，水冷螺桿式冷水機(jī)組的平均輸入功率242kW。在冬季工況免費(fèi)供冷期間，水冷螺桿式冷水機(jī)組被板式換熱器替代，其減少運(yùn)行的時(shí)間為：24×（161-11）=3600h。工程所在地西安市的工業(yè)用電價(jià)格為1 元/（kW·h），每個(gè)免費(fèi)供冷期，可節(jié)約的電費(fèi)為：242×3 600×1=871 200 元，即87.12 萬元。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可計(jì)算出增加的建設(shè)費(fèi)用的投資回收期為：34.5÷87.12≈0.4 年。

可見，該低溫工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)因增加免費(fèi)供冷功能而增加的建設(shè)投資不到一年就可全部回收，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯，節(jié)能潛力巨大。

5 結(jié)語

寒冷地區(qū)的低溫工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)，利用板式換熱器與冷水機(jī)組并聯(lián)安裝，可實(shí)現(xiàn)夏季采用冷水機(jī)組供冷，冬季采用冷卻塔免費(fèi)間接供冷，極大地減少了冷水機(jī)組的年度運(yùn)行時(shí)間，在提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還大大延長(zhǎng)了冷水機(jī)組的壽命。同時(shí)，該方案由于冬季冷水機(jī)組不運(yùn)行，避免了冷水機(jī)組冬季因冷卻水溫過低而無法啟動(dòng)的情況，提高了低溫工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。