浅谈工业厂房的冷源系统节能设计

林鹏飞

(信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，四川 成都 610021)

《“十三五”全民节能行动计划》指出，工业能源消费是我国能源消费的重点领域，通过全面落实《中国制造2025》，推动工业绿色转型升级，全面提高工业能源利用效率和清洁化水平。“十三五”时期规模以上单位工业增加值能耗降低18%，力争2020年工业能源消费达到峰值。工业能源的消费，对于某一个工业厂房来说，除了工艺机台需求的能耗较高外，便以冷冻站、空压站等的高能耗尤为突出[1]。

1 免费制冷系统

免费制冷(Free-cooling)，是指在春秋季(过渡季节)或冬季，利用外界的低温大气作为冷源，将换热升温后的高温循环水进行冷却，从而可以起到降低冷水机组运行负载或减开/不开冷水机组，减少耗能。

由于工艺产品对于生产环境要求较高，故在工业厂房中一般均会设置恒温恒湿的洁净室。同时需求的冷水温度种类也较多，包括低温冷冻水(供/回水温度设计为5/10℃或7/12℃等)、中温冷冻水(供/回水温度设计为12/18℃等)、工艺冷却水Process Cooling Water(供/回水温度设计为18/23℃等)等。

冷却塔的出水温度受大气湿球温度的影响，在未有实际测量数据之前，室外气象参数的设计取值主要依据现行国家相关规范，包括《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范GB 50019—2015》《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 GB 50736—2012》[1]。一般来说，冷却塔出水温度比湿球温度高3～5℃。在过渡季节或者冬季，随着室外湿球温度降低，冷却塔的出水温度也随之降低。这就为免费制冷系统的应用创造了可能性。

由于我国幅员辽阔，受限于地理位置，北方相比南方区域全年可用于免费制冷的时间更长，但只要需求水温可通过免费制冷制取且需求量相对稳定，便可考虑将免费制冷系统作为一种优选的过渡季节或冬季应采用的制冷方案。

目前免费制冷系统的设置主要有两种形式。

1.1 采用开式冷却塔配套板式换热器的组合方式

由于板式换热器一次侧和二次侧换热温差的要求，故冷却塔的出水温度一般应比需求的冷冻水温度低3℃及以上，相应要求室外湿球温度也应比冷却塔出水温度低3～5℃以上。按该种做法，如果系统设置合理，冬季可以关停冷水机组，仅需运行冷却塔及配套的冷却水泵、冷冻水泵等。由于采用开式冷却塔，初投资相对较小，但免费制冷的时间相对就会减少。

在长春某传感芯片生产线项目的设计过程中，笔者深入研究了该厂房的全年冷负荷需求情况。发现该项目中，中温冷冻水(12～18℃)和工艺冷却水(20～25℃)的需求量大并且相当稳定。这为笔者后续设计出有效的冷冻站节能措施提供了有力的数据支持。

在了解到这些需求后，决定引入免费制冷系统的设计。在设计这一系统时，考虑到了长春的全年气象参数。长春位于较北部地区，冬季天气寒冷，有很好的自然冷却条件。基于这一情况，设计了两台板式换热器，它们在室外湿球温度低于6℃且能够稳定运行一段设定的时间后，能够将系统切换至免费制冷模式。

在免费制冷模式下，选择关闭冷水机组，开启免费制冷所用之冷却塔，同时根据需要开启或关闭相应的水泵和阀门。这样，冷却塔可以提供9～14℃的冷却水，通过板式换热器进行热交换后，可以得到12～18℃的冷冻水，这正好满足全厂中温水及工艺冷却水的需求。

这种设计在理论上是可行的，但在实施过程中，也面临了一些挑战。首先，如何准确地根据气象数据预测冷冻水的需求并进行有效控制是一大挑战。其次，如何确保板式换热器和其他设备在低温条件下的稳定运行也急需克服。

通过精细的设计和精心的操作管理，成功地实现了这一设计方案。实际运行结果显示，免费制冷系统有效地降低了能源消耗，提高了整个冷冻站的能效。这为工业厂房的节能设计提供了一种有效的实践案例。

1.2 采用闭式冷却塔

由于闭式冷却塔对水质的要求较为苛刻，一般管道内循环水应采用纯水或软化水，而外部喷淋水采用自来水，有条件建议可搭配一定比例的软化水，以降低自来水硬度较高而造成后期冷却塔喷淋头的堵塞。系统无需设置板式换热器，故免费制冷的时间相对得到延长。但闭式冷却塔的造价约是同当量开式冷却塔的2～3倍，是否采用闭式冷却塔在方案制定前需同客户进行讨论确定。

在浙江嘉兴的某玩具制造项目中，笔者发现该项目全年对工艺冷却水(30～32℃)的需求量较高且稳定，这种需求的特性为冷却塔的节能设计提供了突破口。

面对这样的需求情况，笔者首先分析了该地的气候特征和气象数据。嘉兴地处江南，气候温和，特别是在过渡季节和冬季，湿球温度经常低于22℃。这种气候条件为应用免费制冷提供了自然优势。因此，设计了一台闭式冷却塔，用于实现在适宜的时候切换至免费制冷模式。

在设计选择的过程中，对比考虑了开式冷却塔和闭式冷却塔两种选择。虽然开式冷却塔的初投资相对较小，但考虑到长期运行中，闭式冷却塔的运行效率更高，节能效果更显著，最终选择了闭式冷却塔。

在实施过程中，面临的主要挑战是如何精确地控制系统的切换。具体来说，需要在湿球温度低于22℃且稳定运行一段设定的时间后，才切换至免费制冷，即关闭冷水机组，开启闭式冷却塔，同时开启或关闭相应的水泵和阀门。

为了解决这个问题，采用了自动化控制系统，通过设置温度传感器和时间控制器，实现了自动切换。此外，还设置了远程监控系统，使得在切换过程中出现问题时，可以及时进行人工干预，确保系统的稳定运行。

实施的结果证明了这个设计方案的有效性。在实际运行中，发现过渡季节和冬季的大部分时间，都可以利用免费制冷模式，大大节省了冷源系统的能源消耗。这个案例展示了利用自然条件，结合自动化控制技术，可以实现冷源系统的高效节能。

2 中温系统与低温系统分开

一般来说对于某一台确定的冷水机组，其设定的冷冻水出水温度越低，可提供的冷量会越少。根据冷水机组厂家提供的选型报告可知，某台冷冻水供水温度为7℃且制冷量为1 000USRT的冷水机组，在耗电相同的情况下，当供水温度降低至5℃，能提供的制冷量约为940USRT；当供水温度提高至12℃，能提供的制冷量约为1 100～1 150USRT。即此时12℃中温水相对于5℃的低温水约节能17%。这也从侧面证明了当供水温度每降低1℃，能耗约增加2～3%。

许多工业厂房的中温冷冻水主要通过设置板式换热器与低温冷冻水换热制取。该种方式虽然系统简单，但冷水机组由于出水温度较低，导致后期系统的运行能耗较高[2]。

随着冷水机组的产品技术的提升，我们可以发现在一些工厂，尤其是集成电路厂房或者锂电池工厂的设计中，将中/低温系统分开已经成为了一种主要的节能主流措施：根据全年冷负荷计算情况，合理地配置中温机和低温机的台数，并设置1～2台低温冷水机组作为公用备机。

在泉州的某集成电路项目中，笔者主要负责冷冻站的设计工作。项目中的主要任务是确保供冷需求的满足，同时尽可能地降低能耗。这是一个挑战，因为集成电路的生产过程对环境的稳定性要求极高，而高效供冷通常意味着较高的能耗。

设计选择的过程在于寻找和调整最佳的设备配置。首先，选定了包括一台制冷量为1 200USRT的低温冷水机组、五台制冷量为2 300 USRT的低温冷水机组在内的多台设备。这些设备主要负责低温环节的冷却需求。

然后，为中温环节选择了一台制冷量为1 300 USRT的中温热回收冷水机组，三台制冷量为2 500USRT的中温热回收冷水机组，以及三台制冷量为2 500 USRT的中温单冷型冷水机组。并且额外配置了一台1 200USRT的低温冷水机组和一台2 300USRT的低温冷水机组作为备用设备，以应对可能的设备故障或特殊高需求的情况。

面临的最大挑战是如何精确地匹配不同温度环节的供冷需求与冷冻站的设备配置，以实现最大的能效。为此，采取了深入的数据分析和多次模拟，确定了上述的设备配置方案。

实施的结果证明了这一设计方案的有效性。通过后期的实际运行数据对比分析，发现这个项目的能耗相对于使用传统配置方案的厂房要低，尤其是在同等冷却量的条件下。这说明合理的设备配置和精细的运行管理，可以在保证集成电路生产过程稳定性的同时，实现冷冻站的高效节能。

3 采用热回收冷水机组替代锅炉

工业厂房全年对于热负荷均有一定的需求，但热源的选择受诸多因素影响。我国北方地区的热源主要有市政蒸汽或者自备锅炉，南方地区除了周边有热电厂可利用余热外，均不会有集中热源，故除了工艺有高温热水或者需求蒸汽外，一般均不会自备锅炉。

冷水机组在制冷的时候，蒸发器和压缩机工作所产生的热量主要通过冷却塔散逸到大气中，如果能将这部分热量回收用于制备热水，就可以减少冷却塔的运行数量或者降低冷却塔风机转速，从而减少电耗。此时热回收型冷水机组是一种可以考虑匹配的机型。

热回收型冷水机组主要包括部分热回收型与全热回收型。部分热回收冷水机组回收热量主要为显热，可回收的热量约为制冷量的15～20%。全热回收型冷水机组回收的热量包括显热和潜热，可回收的热量约为制冷量的100～110%。一般设定的热回收水出水温度为35～45℃。温度过高反而不利于节能。

在厦门的一家微电子元器件制造项目中，笔者主要负责设计和调整冷热系统。全年的冷热负荷需求是决定这个设计的关键因素。为了精确地满足全厂的冷热需求，进行了深入的负荷分析，并根据分析结果设计了相应的设备配置。

在设计选择过程中，首先对全厂全年的冷热负荷进行了详细分析。通过数据模拟仿真，发现中温全热回收冷水机组能最有效地满足厂房的冷热需求，因此，笔者设计了三台制冷量为1200USRT的中温全热回收冷水机组，其热水供/回水温度设定为38/32℃。

该项目面临的主要挑战是如何确保这三台冷水机组能在全年不同季节和不同负荷需求下，稳定高效地运行。为此，进行了一系列严格的性能测试和模拟，以确认这种配置可以在各种工况下稳定运行。

实施的结果超出了预期。在后期的实际使用中，这三台冷水机组完全满足了全厂的热负荷需求。冬季时，由于全热回收系统的高效运行，冷却塔的运行台数明显减少，电耗也相应降低。这一设计方案还带来了投资的节约：原规划中的备用热水锅炉房和风冷热泵系统都被取消了，因为这三台全热回收冷水机组已足够满足全厂的冷热需求。

这个案例充分证明了全热回收冷水机组在微电子元器件制造项目中的应用价值。它不仅可以满足生产的冷热需求，而且能显著降低能耗，节约投资。

4 新兴技术与创新在冷源系统节能设计中的应用展望

在当今能源紧张和环保需求加强的背景下，新兴技术与创新在冷源系统节能设计中的应用变得尤为重要。面临能源消耗高和环境压力大的挑战，冷源系统的设计必须向更高效、更绿色和更智能的方向发展。

首先，对于新兴技术，如利用可再生能源的冷源系统正在得到广泛关注。太阳能、风能、地热等可再生能源被用于驱动吸收式制冷系统或热驱动的冷水机组，以减少传统能源的消耗，实现真正意义上的绿色制冷。此外，新型的冷却技术，如磁制冷、热电制冷等也在不断发展，虽然目前尚在实验室阶段，但未来有可能成为主流的冷源技术。

其次，对于创新应用，智能控制系统在冷源系统节能设计中发挥着重要作用。通过采集和分析大数据，结合人工智能技术进行优化决策，可以实现冷源系统的实时监控和自我调整，从而在确保舒适度的同时提高能源效率。比如，通过物联网技术，可以对冷源系统进行远程监控和故障预警，降低运维成本，提高系统的可靠性和稳定性。

5 结语

随着近些年来高效机房HPCP(High Performance Chiller Plant)概念的提出，并逐步开始推广至实际工程案例中，我们可以发现，随着市场竞争的日趋激烈、制造成本的降低、生产技术的更新换代，已经出现了一些新的节能措施，如选用一级或超一级能效的冷水机组、选用一级能效的水泵、选用全变频系统、采用自适应工况型的冷却塔等。但无论采用何种节能措施，在设计的前期，应充分进行各种方案的比选、初投资分析、运行费用分析、经济回报分析等，并结合客户的初始预算、期望回报周期、产能提升、市场带来的产品变动等各种因素，选用对应项目最适合的节能措施。