寒冷地区冬季免费供冷在低温工艺冷却水中的应用

王晓卫

（航空工业自控所，西安710065）

1 工程概况

本工程是位于西安市的某环境试验中心，地上1 层，总建筑面积约4 000m2。环境试验中心布置有高低温试验箱、快速温变试验箱、温控转台、三综合试验箱等环境试验设备。环境试验中心承担企业所有产品的耐候试验，基本上处于7×24h的工作状态。

环境试验设备工作时，对降温速率要求较高，因此，需为每台环境试验设备全年提供不高于20℃的低温工艺冷却水。通常，工业循环冷却水系统采用冷却塔直接降温的制冷形式，但由于本工程环境试验设备对循环水最高温度有限制，只有先对西安市气候特点进行认真分析，才能据此筛选出经济可行的低温工艺冷却水系统制冷方案。

2 室外气象参数分析

西安属于寒冷地区，冬冷夏热的特征非常明显，冬夏季长，春秋过渡季短。

夏季，西安市空气调节室外计算湿球温度25.8℃[1]，如采用冷却塔直接冷却方法，低温工艺冷却水极限低温为25.8℃，不能满足环境试验设备要求。因此，夏季为了给环境试验设备提供不超过20℃的低温工艺冷却水，必须采用冷水机组制冷。

冬季，西安市空气调节室外计算温度为-5.7℃，利用冷却塔免费供冷完全可以满足低温工艺冷却水对温度的要求。由于本工程中冷却塔为开式型号，若采用直接供冷系统，冷却水容易把空气中的污物带入环境试验设备的换热管道中，造成管路堵塞[2]，引起换热效率下降，甚至环境试验设备故障。因此，本工程采用冷却塔间接供冷，即流经冷却塔的冷却水与低温工艺冷却水通过板式换热器进行换热。

在过渡季节采用何种制冷方式，取决于过渡季节的室外湿球温度。根据《中国建筑热环境分析专用气象数据》提供的统计数据，近30 年来，西安市3 月份逐时平均最高湿球温度12.5℃，10 月下旬逐时平均最高湿球温度14℃。即在3 月份和10 月下旬，室外气候条件满足免费供冷方式，能为环境试验设备提供不超过20℃的低温工艺冷却水。

根据以上分析，将低温工艺冷却水系统运行工况划分为，2 种工况：夏季工况和冬季工况。每年4 月初至10 月中旬为夏季工况，采用冷水机组制冷；每年10 月下旬至来年3 月底为冬季工况，采用冷却塔免费供冷方式。

3 免费供冷模式与冷水机组制冷模式的整合

通过对工程所在地室外气象条件分析可知，为了满足夏季工况下低温工艺冷却水的达标运行，必须采用冷水机组制冷，即常规的“冷却塔+冷水机组+水泵”的制冷模式。冷水机组冷冻端向环境试验设备提供稳定的、满足要求的低温工艺冷却水，并且由于冷水机组的冷冻端为闭式系统，能有效控制进入环境试验设备的低温冷却水水质。

冬季工况下，为了利用室外自然冷源，该系统增加了板式换热器，系统原理如图1 所示。板式换热器与冷水机组并联安装，共用冷却塔和循环水泵。同时，增加相应的切换阀门，夏季工况时关闭板式换热器，开启冷水机组；冬季工况时关闭冷水机组，开启板式换热器。

图1 增加板式换热器后系统原理图

这样的设计方案，将夏季冷水机组制冷模式和冬季冷却塔免费供冷模式有机地结合在一起，极大地提高了低温工艺冷却水系统的整体效率。

根据环境试验设备冷负荷计算结果，环境试验中心低温工艺冷却水系统冷源选择2 台水冷螺杆式冷水机组，总制冷量为2420kW，低温工艺冷却水供回水温度为7℃/12℃。冷却塔配置为开式逆流玻璃钢冷却塔2 组，夏季冷却水流量660m3/h，进出口水温37℃/32℃，冬季冷却水流量为550m3/h，进出口水温度为18℃/13℃。2 台板式换热器与冷水机组并联设置，用于冬季工况下免费间接供冷。板式换热器的换热容量为3000kW，其中一次侧供回水设计温度为13℃/18℃，二次侧供回水设计温度为15℃/20℃。

根据工程经验和冷却塔厂家提供的技术参数，本工程选用的冷却塔冷幅在冬季按3.5℃考率，板式换热器一次侧供回水温度为13℃/18℃。在此条件下，满足冷却塔免费供冷所需要的室外空气湿球温度应不高于14℃。结合西安市室外气象参数，在每年10 月下旬至来年3 月底，共有161d 满足室外日平均湿球温度低于14℃，占全年总供冷天数的44%。因此，该工程冬季工况是非常适用免费供冷模式的。

4 经济性分析

在建设阶段，低温工艺冷却水系统增加冬季免费供冷模式相比较单独的采用水冷螺杆式冷水机组制冷模式，建设费用是增加的，主要表现在2 方面：（1）增加板式换热器的设备采购及安装费，约30.8 万元；（2）增加连接板式换热器的管道及用于冬季工况、夏季工况切换的阀门，相关费用约3.7 万元。可见，在建设阶段合计增加建设费用34.5 万元。

本工程建成投用后，由于板式换热器几乎不产生额外的运行费用，唯一增加的运行成本就是每年冬季工况、夏季工况切换时开关阀门及板式换热器定期保养维护的费用。因此，可认为后期运行增加费用为0 元，不予考虑。

低温工艺冷却水系统按照每月停机维护保养2d，水冷螺杆式冷水机组能效比COP 值取6.0，环境试验设备冷负荷按照60%计取，可以计算出此条件下，水冷螺杆式冷水机组的平均输入功率242kW。在冬季工况免费供冷期间，水冷螺杆式冷水机组被板式换热器替代，其减少运行的时间为：24×（161-11）=3600h。工程所在地西安市的工业用电价格为1 元/（kW·h），每个免费供冷期，可节约的电费为：242×3 600×1=871 200 元，即87.12 万元。

根据以上数据，可计算出增加的建设费用的投资回收期为：34.5÷87.12≈0.4 年。

可见，该低温工艺冷却水系统因增加免费供冷功能而增加的建设投资不到一年就可全部回收，经济效益非常明显，节能潜力巨大。

5 结语

寒冷地区的低温工艺冷却水系统，利用板式换热器与冷水机组并联安装，可实现夏季采用冷水机组供冷，冬季采用冷却塔免费间接供冷，极大地减少了冷水机组的年度运行时间，在提高经济效益的同时，还大大延长了冷水机组的寿命。同时，该方案由于冬季冷水机组不运行，避免了冷水机组冬季因冷却水温过低而无法启动的情况，提高了低温工艺冷却水系统运行的可靠性。