冷却塔免费供冷节能改造在实际生产中的应用

畅翱

[摘    要]  兰州公司某车间是全年投产运行的车间，即使在冬季，仍有制冷需求。但兰州地区每年11月-次年3月室外平均湿球温度已低于5 ℃，此温度已远低于车间工艺设备设施的冷却需求温度，在此工况下，继续依赖于冷水机组制冷则显得毫无意义，相反还存在极大的电能浪费。文章依据兰州地区冬季平均温度为前提条件，通过讨论对冷冻水及冷却水系统的改造，采用冷却塔与板式换热器组合的方式代替冷水机处理冷冻水以消除室内生产需求的热负荷，实现减少冷水机组运行时数，进而降低其运行能耗。

[关键词]干球温度;湿球温度;冷却塔

[中图分类号]TU831 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）11–00–03

Application of Free Cooling and Energy Saving Reform

of Cooling Tower in Actual Production

Chang ao

[Abstract]A workshop of Lanzhou Company is a workshop that has been put into operation throughout the year. Even in winter， there is still a demand for refrigeration. However， the average outdoor wet bulb temperature in Lanzhou from November to March of the following year has been lower than 5 ℃， which is far lower than the cooling demand temperature of the workshop process equipment and facilities. Under this working condition， it continues to rely on chillers for cooling. It seems meaningless， on the contrary， there is a huge waste of electrical energy. Based on the winter average temperature in Lanzhou， the article discusses the transformation of chilled water and cooling water systems， and uses a combination of cooling towers and plate heat exchangers to replace chillers to treat chilled water to eliminate the heat load required by indoor production. Reduce the operating hours of the chiller， thereby reducing its operating energy consumption.

[Keywords]dry bulb temperature; wet bulb temperature; cooling tower

1 熱学相关概念

1.1 干球温度

干球温度是从暴露于地表中但不被太阳直射的干球温度表所读取的数值。干球温度表示空气的显热水平，即用普通水银温度计测量的温度。

1.2 湿球温度

假设在某一状态下的空气，同湿球温度表的湿润温包接触，发生绝热热湿交换，使其达到饱和状态时的温度，可称为湿球温度。

湿球温度需要采用在其感温包端部扎有纱线，并将纱线另一端浸没在蒸馏水中的温度计予以测量。湿球温度计上的读数是确定空气含湿量的一个参数变量，它反映了空气的总热量。由于蒸馏水的蒸发，湿球温度计上的读数均低于干球温度，绝对不会高于干球温度计上的读数。

2 冷水机组

冷水机组先冷却循环冷冻水。当循环冷冻水流过冷机的蒸发器时，水的温度就会被立刻降低，然后在整个楼宇内循环，不断吸收热量。循环冷冻水从楼宇吸收的热量使返回至冷水机组的水温上升，冷水机组将这部分热量排除后继续将这部分水参与循环。

3 冷却塔

冷却塔一般用自来水作为循环介质，从冷却系统中吸收热量然后排放至大气中，实现降低水温的设备。冷却塔的容量大小均与实际发生的蒸发量相对应，而蒸发量又与室外湿球温度相关联。通常情况下，冷却塔可以将返回冷凝器的冷却水冷却至室外空气湿球温度-17.8 ～-13.9 ℃。如进入冷却塔的空气湿球温度为25.6 ℃，那么冷却塔中的水可以冷却至29.4 ℃。

冷水机组蒸发器中制冷剂蒸发时吸收的热量由压缩机以热蒸气的方式泵送至冷凝器，然后由来自冷却塔的冷却水将这部分制冷剂热蒸气进行冷凝。冷凝器中的冷却水由水泵送往冷却塔，在冷却塔内，由空气吹过这部分冷却水，将水中热量排出使大部分冷却水可以重新用于冷却冷凝器。

4 冷却塔节能方案

（1）本方案采用冷却塔免费供冷技术，即将出水温度很低的冷却水以直接或间接的形式向车间供冷，取代冷水机组的形式。在冬季采用冷却塔与板式换热器组合的方式代替冷水机组处理冷冻水以消除车间生产需求的热负荷，可以减少冷水机组运行时间，从而降低运行能耗。

（2）通常用冷水机组进行供冷的方式为闭式循环系统，而冷却塔直接供冷方式为开式循环系统。可以通过增加一台板式换热器与冷冻水系统热交换后，使冷冻水降温以达到满足空调制冷条件。

（3）根据兰州地区冬季早晚温差变化大的特点，白天室外湿球温度较高，早晚湿球温度较低，冷却塔提供的冷却水温度也随之变化，通过PLC对冷却塔免费供冷系统运行情况进行自动控制，根据室外温湿度传感器采集的数据和生产车间所需冷量负荷，从而对风机、电动阀、旁通阀、水泵启停运行进行控制，以保证科室空调系统、生产工艺设备等的降温需求。

（4）控制系统主要涵盖设备。冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、电动阀门、板式换热器

5 冷却塔节能控制

5.1 水系统管路水流向控制

（1）冷冻水系统和冷却水系统进入冷水机组前主管道分别分出一根支路至板式换热器，分别在各自分支管道与进入冷机前主管道各安装一路电动开关阀。

（2）冷却水系统上冷却塔管路安装一路旁通管连接冷却水回水箱，并安装一台电动调节阀，控制冷却水上冷却塔水量。

5.2 控制监控探头安装

（1）室外屋顶安装一只温湿度监测探头，监测室外温湿度。

（2）冷冻水进、回水管路安装温度传感器，监控冷冻水循环系统总进、回温度。

（3）冷冻水进、回水管路安装压力传感器，监控冷冻水循环系统运行压力。

（4）冷却水进、回水管路分别安装一只温度传感器，监控冷却水循环系统总进、回水温度。

5.3 冷却塔供冷切换温度

冷却塔切换温度的取值并不是固定的，该温度的设定会受到不同条件的影响。例如，不同地区的气候条件，冷却塔供冷系统的类型（直接或间接供冷）、冷却塔性能参数，车间对冷负荷需求的变化等。因此，冷却塔免费供冷系统在实际应用时所选取的切换温度是不同的。

从供冷系统的方向来说，闭式冷却塔换热效率低于开式冷却塔，所以冷却塔切换温度也要比开式系统低;而开式系统间接供冷比闭式系统直接供冷多了板式换热器，换热效率有所下降，需要更低的湿球温度。因此，开式系统直接供冷切换温度设定值最高，供冷时间也更长，节能潜力最大。

切换温度由3个温度参数确定：冷冻水的供水温度、板式换热器的冷、热侧温差和冷却塔的冷幅，可以用式（1）表达：

TEX=TCS-ΔKEX-ΔTapproach

式中，TEX为冷却塔供冷的切换温度;TCS为冷冻水的供水温度;ΔKEX为板式换热器的冷、热侧温差，对于闭式冷却塔或开式冷却塔直接供冷时，该值为0，对于开式冷却塔间接供冷时取1～3℃;Tapproach为冷却塔冷幅（一般选4 ℃）。

一般冷水机组提供冷冻水温度7～13 ℃，根据上述公式，结合兰州公司某车间开式冷却塔间接供冷模式进行计算，可以近似将湿球温度5～10 ℃设为切换温度。因此，当室外湿球温度低于10 ℃时，采用冷却塔和板式换热器间接给车间供冷便成为可能。2020年兰州地区平均湿度33.6 %～48.3 %，为便于计算取平均值为41 %。根据《湿球温降表》进行查询，当湿球温度10 ℃时，干球温度近似为17 ℃。所以当兰州市最高气温连续一周低于17 ℃时，即可采用冷却塔供冷系统。

5.4 控制逻辑

（1）“夏季运行模式”和“冬季运行模式”：室外温度高于17 ℃（理论值），CPU给一个“建议切换至夏季模式”信息，冷却塔供冷系统停止，此时由冷水机组负责给循环冷冻水制冷。室外温度低于17 ℃（理论值）CPU给一个“建议切换至冬季节能模式”信息弹出，提醒运行人员切换至冬季节能模式，此时冷却塔供冷系统启动。

（2）控制系统负责监测冷水机组的运行，若冷水机组工作，进入冷水机组的冷冻水主管路的电动阀不允许关闭，冷凍水进入板式换热器支路电动阀与进入冷水机组主管路阀门是互锁关系。

（3）控制系统监测冷冻水供回水压力，当回水压力低于0.3 MPa（经验值）时，系统做报警输出。

（4）控制系统负责监测冷冻水供回水温度，并记录冷却塔供冷系统运行状态。

（5）控制系统负责监测冷却水上冷却塔供回水温度，根据上冷却塔温度，调节水箱上塔旁路管道电动阀门的开度，从而控制上塔水量。当室外温度极低时（极端天气），电动调节阀全开，确保冷却水不上冷却塔。此时冷却水系统经水箱内循环，待冷却水温度较高时再上冷却塔冷却。

5.5 冷却塔免费供冷系统

冷却塔免费供冷系统如图1所示。

6 冷却塔节能改造效果分析

兰州公司某车间利用冷却塔和板式换热器（选择换热温差为1 ℃）组合方式代替冷水机组（7 ～13 ℃供水温度）供冷，节能费用如下。

该车间冷水机组功率为173.8 kW，冬季平均运行负荷按一半计算（因为冷水机组不是24 h满负荷运行），即所需耗电量约为86.9 kW。采用冷却塔免费供冷系统时，除冷水机组外，其他设备（冷却水泵、冷冻水泵、风机等）均正常运行，故节约电量近似为冷水机组的耗电量。切换为冷却塔免费供冷系统运行1 h，可节约电量约86.9 kW·h，按电价0.54元/kW·h计，每小时节约46.9元。根据计算，若冬季开启冷却塔免费供冷系统100 d，每天24 h运行，则比使用冷水机组制冷系统节约电费11.2万元左右。

7 冷却塔免费供冷系统在应用中遇到的问题

7.1 冬天极冷天气运行模式

根据兰州公司某车间实际运行情况，当室外温度低于-10 ℃后，继续开启冷却水上塔旁通电控阀，控制上塔冷却水流量，冷却塔进风网处的结冰现象较为严重，影响冷却塔制冷效率，尤其在凌晨温度达到最低点时，冷却塔运行存在安全隐患。为防止冷却塔进风网结冰，目前采用完全关闭冷却水上塔旁通阀的措施，增大上塔冷却水流量，降低结冰情况。采取该控制措施后，冷却塔结冰现象有所缓解。

还可以对上塔冷却水管道进行电加热处理，增加上塔冷却水温度，也会降低冷却塔结冰现象，该措施会增加一定的成本投入，但后期的运行会更安全可靠。

7.2 冷却水系统及板式换热器维护

通常上塔冷却水水源多采用自来水，冷冻水水源采用软化水。由于兰州地区风沙较大，运行一段时间后冷却水中会积攒大量泥沙和小颗粒物，管道中的杂质将会影响板式换热器的换热效率，同时也会增大板式换热器脏堵的风险。我们可以根据车间运行情况每半年或每年对冷却塔免费供冷系统板式换热器、Y形过滤器以及冷却水箱进行清洗，提高系统使用效率和延长使用寿命。

7.3 冷却塔免费供冷切换温度

根据2021年3月11日17：09兰州城关地区出现近期以来最高温度25.2 ℃，实时天气预报显示22 ℃。

17：09血清室免费供冷系统冷却水上塔温度为13.1 ℃，根据现场运行情况观察，室外温度25 ℃时，免费供冷系统冷却塔风扇连续运行，冷却水上塔温度基本稳定在13 ℃左右，已达最低极限，此时冷冻水出水温度能够维持在13 ℃左右，尚能保证科室生产环境温度要求。

8 结束语

根据冷水机组历史运行情况分析，免费供冷系统在室外温度为25 ℃时，基本达到运行极限（冷冻水出水温度13 ℃左右）。冷却塔免费供冷系统改造项目是根据车间运行情况进行的节能改造。该项目降低了车间单一冷水机组连续运行的风险，从长远角度来看实现了电能的节约，改造后的系统采用PLC控制，系统运行稳定性高。

参考文献

[1] 曹严亮，曹帅，李守军等.兰州地区冬季冷却塔免费供冷方案的解析[J].科学技术创新，2019，（9）.48-49.