自然冷却系统工程设计实例

・５２・　洁净与空调技术ＣＣ＆ＡＣ　２００６年第２期　自然冷却系统工程设计实例　北京特泽热力工程设计有限责任公司　朱国升　摘要结合具体工程设计实例，介绍了自然冷却系统的应用条件、设计要点及使用情况。　关键词　自然冷却　渐进温度预冷节能　

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆｒｅｅ－Ｃｏｏｌｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　

Ｂｙ　ＺＨｕ　Ｇｕｏｓｈｅｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｅｎｉｎｇｅｆｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒｅｅ—ｃｏｏｌｉｎｇ　ａｙｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｆｒｅｅ—Ｃｏｏｌｉｎｇ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｐｒｅｃｏｏｌｉｎｇ　Ｅｎｅｒｇｙ－Ｓａｖｉｎｇ　

Ｂｅｉｊｉｎｇ　ＴＥＺＥ　Ｄｉｓｔｒｉｃｔ　Ｈｅａｔｉｎｇ　Ｐｒｏｊｉｅｃｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｏｍｐａｎｙ　

在冬季气候较寒冷的地区，在制取冷冻水　时，根据当地的气候特点，冬季不运行冷水机组　而利用较低的环境气温制取冷冻水，即采用自由　冷却的方式，可很大程度地减少运行能耗，从而　节省运行费用。笔者参与了某工程的冷冻水供应　系统的设计工作，冬季采取自由冷却的方式，本　文就该设计做简要的介绍。　

１设计简介　１．１设计思路　该工程建于我国东北吉林省某电子工厂，冷　冻水系统为空调及生产工艺提供低温冷却介质。　这个地区冬季气候寒冷，而且持续时间长，表１　为某资料统计的我国部分城市的气象数据。　本次设计的冷冻站夏季需提供冷量１１１２５ＫＷ，冬季　７４５０ＫＷ。设计选用四台８５０ＵＳＲＴ的离心式冷水机组。三　台单台换热量为３２３０ＫＷ的板式换热器，冷冻水泵及冷却　水泵与冷水机组一对一配置。为充分利用当地冬季的环境　冷量资源，节约运行能耗，采用自由冷却系统。夏季运行　冷水机组进行电制冷，在冬季和过渡季节，不运行冷水机　组，当冷却水供水温度为８℃一１３℃时，直接用冷却水作为　冷媒供给用户，当冷却水供水温度小于８℃时，利用板式换　热器进行水侧自由冷却制取冷冻水。图１为本次设计的冷　冻水系统简图（仅以１台冷水机和１台板式换热器举例）。　１．２冷冻水　冬季和过渡季节，用户对冷冻水供水温度的要求比较　宽松，供水温度可在８℃￣１３℃之间（夏季冷冻水供／回水　温度为５℃／１０℃）。　设计所选用的板式换热器的渐进温度为３℃。渐进温度　

冷冻永回水　岭蒜永供水　

图１冷冻水系统简图　指热交换器冷流体侧进水温度与暖流体侧出水温度的差值。　如前所述，当冷却水供水温度小于８℃时，利用板式　换热器进行水侧自由冷却制取冷冻水。计人板式换热器的　渐进温度，当冷却水供水温度为８℃时，冷冻水的供水温　度可达到１１℃，满足用户的要求。实际运行中，根据测得　的冷冻水供水温度，调节设置于板式换热器冷却水供水管　上的电动调节阀的开度，保证冷冻水的供水温度在８℃一　１３℃之间。　当冷却水供水温度为８℃一１３℃时，直接用冷却水作为　冷媒供给用户。一般来说，将冷却水直接供给用户很难满　

☆朱国升，男，１９７７年１０月生，硕士，工程师　１Ｏ００２７北京市朝阳区幸福二村３７号楼　（０１０）６４１７９９８８—１０６　收稿日期：２００６—２—２０修回日期：２００６—３—２　

维普资讯 http://www.cqvip.com 洁净与空调技术ＣＣ＆ＡＣ　２００６年第２期Ｅ誓盈圈　・５３・　足用户对供水水质的要求，必须事先经过除藻、过滤等处　理。实际运行中没有采取这种供水方式，而是靠关闭冷却　塔风机，旁通部分冷却水（即不上塔）等方法，保证冷却　水供水温度满足冷冻机对冷却水的温度要求，运行冷冻机　来提供冷冻水。本次设计使用的冷冻机要求冷却水供水温　度大于１２．６℃。　１．３冷却水　自由冷却时，冷却水通过板式换热器吸收冷冻水的热　量升温，然后在室外的冷却塔放出热量降温，其温度控制　的好坏是自由冷却系统运行成败的关键，同时也必须处理　好冷却塔和室外冷却水管道的防冻问题。　１．３．１冷却水的温度控制　理论上说，当室外大气的湿球温度为５℃时，冷却水通　过冷却塔后可降温至１０℃（没计选用的冷却塔在额定流量　时降温能力为５℃），通过板式换热器就可生产１３℃的冷冻　水满足用户的使用。　实际运行中，考虑到过渡季节气温的波动性，当室外大　气的湿球温度降低为ｌ℃后才启动自由冷却系统，并控制冷　却水的供水温度在５℃一９℃之间，主要通过以下方法实现：　（１）冷却塔风机设置变速驱动装置，当室外大气温度　及冷却水负荷变化时，调节风机转速，保证冷却水温度的　稳定；　（２）停开或增开一个或多个冷却塔；　（３）停开冷却塔风机，靠冷却水上塔后下落进行自然　对流的自然冷却；　（４）使部分或全部冷却水旁流至蓄水池（即不上塔）。　１．３．２冷却塔及冷却水管道的防冻　因建厂地区冬季气候寒冷，最低气温可达一３０℃以下，　因此为保证自由冷却系统的安全运行，必须解决好冷却塔　及室外冷却水管道的防冻问题，设计中考虑了以下的方法：　（１）冷却塔集水盘内设置蒸汽盘管，集水盘出现结冰　时，通蒸汽化冰；　（２）冷却塔风机具有反转功能，风机反转可使部分下　落的冷却水回流到冷却塔的周边，溶解结冰；　（３）关闭部分冷却塔，使相对较大的水流量通过其余　的冷却塔，减少结冰的机会；　（４）因冷却塔及蓄水池紧邻冷冻站设置，室外部分的　冷却水管距离短，不采取伴热的方式，只采用冷却水管保　温（直埋保温管）和覆盖土壤保温的方法，覆土厚度大于　当地的最大冻土深度；　（５）蓄水池采取覆盖土壤保温的方法。　１．４节能情况　当采用冷水机组制取冷冻水时，需运行的设备有冷冻　机、冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔风机；当采用自由冷却　方式时。则不需运行冷冻机，与前一种方式相比，可节约　电耗６０％以上。　以该厂为例，当制冷系统满负荷运行时，采用运行冷　冻机制取冷冻水，用电量为２７１２ＫＷ；采用运行自由冷却系　统制取冷冻水，用电量为７５０ＫＷ。后者比前者用电量少　１９６２ＫＷ，每天节电４７０８８度。如果每度电价格以０．８０元计　算，一天可节约运行费用约３．７万元。理论上，该地区一年　内自由冷却系统可运行１００天，一年共可节约运行费用３７０　万元。　实际运行时。因项目生产尚未达到设计能力，制冷系　统未满负荷运行，且未避免冬季初期和末期室外气温波动　对自由冷却系统的影响，冬季自由冷却系统的实际运行天　数为８０—９０天，年节约运行费用约为２００万元。　

２建议和体会　２．１增加系统预冷功能　过渡季节时，室外大气温度偏高，不足以生产温度足　够低的冷却水满足自由冷却的需求，但可以通过板式换热　器对返回冷冻机的冷冻水回水进行预冷，使其温度降低，　从而降低冷水机组的负荷。图２为具有预冷功能的自由冷　却系统冷冻水及冷却水侧的系统简图，该系统可以在夏季　运行冷冻机，过渡季节进行部分自由冷却（用板式换热器　进行预冷），冬季进行自由冷却生产冷冻水，与前述的自由　冷却系统相比，该系统在过渡季节时仍可节约部分运行能　耗。这里不再详述。　２，２合理选择设备　

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图２具有预冷功能的自由冷却系统简图　（ａ）冷冻水侧系统简图　（ｂ）冷却水侧系统简图　

（１）选择渐进温度小的板式换热器，这样可以延长自　由冷却系统的使用时间，从而更大限度地节约运行费用；　（２）合理选择冷冻水泵及冷却水泵，使通过板式换热　器时的冷冻水和冷却水具有相近的压头，从而减少板式换　热器结垢的机会；　（３）在板式换热器的冷冻水和冷却水人口侧设置细滤　网的过滤器，减少板式换热器堵塞的可能。经实际运行表　明，因冷却水侧为开式系统，并通过冷却塔与室外空气进　行热交换，水质相对较差，采用细滤网的过滤器在一定程　度上延缓了板换堵塞，但不能完全解决问题。　

３结论　

自由冷却系统相对较为复杂，而且由于国内经济条件　和投资等因素的限制，往往不采用成本高的高度自控系统，　而适当代之以手动阀门切换等方式，这就要求运行人员要　熟知所使用的自由冷却系统的原理及现场的设备、阀门设　置等情况，并在运行过程中积累经验，以保证系统的可靠　运行。　我国东北和西北等很多地区冬季气候寒冷，具有运行　自由冷却系统的条件。设计人员在进行冷冻站设计时应充　分利用这一有利的气候资源，设计出运行可靠的自由冷却　系统，这对企业节约运行能耗，降低产品成本具有重要的　意义。　口　

豢　国防系统设计单位暖通专业协作组２００６年第十四届技术交流会于６月７日～９　１３在成都召开。　主办单位：国防系统设计单位暖通专业协作组：承办单位：空军工程设计研究局和申菱空调设备有　限公司。　本届技术交流会由中国勘察设计协会建筑环境与设备专业委员会评选优秀工程设计奖，同时评　选优秀论文奖。　国防系统设计单位暖通专业协作组在国防工办倡导下，在１９７８年２月成立，后来发展到国防科　工委所辖各部委设计院和各军兵种主要工程设计单位。２８年来，举办了１４次技术交流会，宣传了　党和国家在各个时期建设方针和政策，交流了工程设计经验和科研业务建设成果，发挥了信息网络　功能；提高了设计人员的设计水平和专业技术水平，创造出优秀的暖通空调工程设计。　（组长单位：中国电子工程设计院　郑纯友供稿）　

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