Free cooling系统在制冷系统经济运行中的研究与应用

孙 蒙

上海烟草集团有限责任公司天津卷烟厂

0 引言

制冷站是卷烟制造工厂动力中心的一个重要组成部分，本文以某卷烟厂为对象开展Free cooling系统在制冷系统经济运行中的研究。该厂制冷站冷源系统由2台900RT定频离心式冷水机组和2台900RT 变频离心式冷水机组提供。夏季供冷按负荷需求启动不同台数冷水机组制冷，过渡季也有供冷需求，目前通过启动冷水机组来提供。由于过渡季负荷比较小，考虑利用室外环境自然冷却水为冷源供冷：即在室外气温允许的条件下，引用冷却塔冷却水为冷源，通过增加板式换热器同冷冻水系统热交换后，使冷冻水降温以达到可以使用的空调条件。从经济角度可以节省能源，同时避免机组在低温工况及低负荷下的强制启动运转，起到保护机组的目的，有效降低制冷能耗，实现质量和经济效益。

1 Free cooling系统应用背景

冷却塔的基本工作原理：干燥（低焓值）的空气经过风机驱动，通过淋水填料进入冷却塔内；湿热（高焓值）的水通过播水系统喷洒在淋水填料上。当水流和空气接触时，一方面由于空气与水的直接传热，另一方面由于水蒸气分子表面和空气之间存在压力差，在压差的作用下产生蒸发现象，以蒸发潜热的形式将水中的热量带走，通过这一蒸发传热过程达到降温的目的。冷却塔的工作原理见图1。

图1 冷却塔工作原理图

相比于夏季室外高温高湿的状态，随着过渡季的到来，室外气温及相对湿度降低，湿球温度降低，经过冷却塔处理的冷却水出水温度也随之降低。此时对于仍有供冷需求的生产区域，室内湿负荷及冷负荷与夏季相比下降较多，空调末端所需除湿量减少，适当提高冷冻水温或者降低冷却塔风机转速，即可满足空调系统舒适性或生产性的要求。显然，在此情况下运行大功率的冷水机组，经济性不高。

Free cooling系统主要用于替代过渡季节大功率制冷机组（电机功率543 kW）的启动，在过渡季节室外环境温度允许的条件下（一般气温应低于18℃），以冷却水为冷源，通过板式换热器与闭式冷冻水系统热交换，降低冷冻水温度并输送至空调系统，实现工房的温湿度控制。

2 Free cooling系统设计

本方案采用冷却塔自然供冷技术，将出水温度较低的冷却水以直接或间接的形式向空调系统供冷，取代冷水机组的形式。在过渡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，以满足室内生产需求的空调负荷。此类系统设计可以减少制冷机组运行时间，降低其运行能耗，空调系统整体的运行能耗明显降低。系统改造前后设计原理示意图见图2和图3。

图2 制冷系统现状示意图（改造前）

图3 Free cooling系统改造示意图（改造后）

3 设计方案的实施

Free cooling系统的设计主要针对局部管路系统，不影响原制冷机组及系统功能。系统增设板式换热器与冷冻水、冷却水系统连通管，并在管路增设电动及手动阀门，保证系统切换顺畅以及电动阀的正常检修。

根据历史运行数据，过渡季所需冷量一般为单台机组的50%，即：

所选取的板式换热器需要满足要求并考虑一定的余量，项目选取2 000 kW 换热量的板式换热器。

由于新增板式换热器一、二次侧压降与制冷机冷凝器、蒸发器压降接近，相应的管道阻力特性基本不变，两套系统可以共用冷冻泵、冷却泵，系统切换相对简单，可靠性高。其中V2 为电动调节阀，V1、V3 为电动阀，冷水机组冷冻、冷却侧为电动开关阀。

系统安装完成后，具体运行策略见表1。

表1 Free cooling模式与原有模式运行对比

系统运行可根据实际室外气温状况来决定运行Free cooling 系统供冷。每年过渡季节，当室外湿球温度传感器测得室外湿球温度达到设计值（根据冷却塔现有参数，计算得出当湿球温度达到8℃以下时，Free cooling 系统能投入使用），则系统判定可切换到“Free cooling 系统制冷”。在切换前，系统先确认新装的功能转换阀启闭到位，保证管路的流程为，冷却水侧：冷却塔→冷却水泵→板式换热器→冷却塔；冷冻水侧：集水器→冷冻水泵→板式换热器→分水器。当所有阀门都动作到位后，开启冷却水泵和冷冻水泵，并根据冷冻水供水温度调节板式换热器冷却水侧旁通电动调节阀。当室外湿球温度长时间≥8 ℃（可调）或二次侧供水温度长时间无法保证，工房温度指标难以满足时，系统转入冷水机组供冷。Free cooling 系统运行流程见图4。

图4 Free cooling系统运行流程图

4 运行效果分析

4.1 节能经济效益

该卷烟厂动力中心Free cooling 系统投入运行后，制冷系统节能经济运行效果显著。2019 年3 月-5 月，Free cooling 系统投入运行，对比2018年同期用电数据见表2。

表2 Free cooling系统投运前后制冷系统用电量对比

由表2 可见，Free cooling 系统投入运行，2019 年3 月份至4 月份期间，制冷系统用电量同比降低明显。考虑到2019 年与上年生产日不同，2019 年3 月1 日至5 月29 日运行Free cooling 期间，仅统计生产日的情况下，制冷系统用电量同比降低108 939 kWh，降低比例20.3%。

过渡季按照每年春季、秋季计算，Free cooling系统改造后，按此计算系统年运行总时间，改造后每年可节约用电量为：108 939Χ2=217 878 kWh。按当地电价0.71元/kWh计算，改造后每年可节约电费约217 878 kWhΧ0.71元/ kWh≈15.5万元。

由此可见，Free cooling 的投入运行，工厂制冷系统的节能所产生的效应显著，具有较高的推广价值。

4.2 降低制冷机组开动时间，提高设备使用寿命

Free cooling 系统的投入使用，能有效降低大功率制冷机组开动时间，避免了过渡季节“大马拉小车”的低能效运行工况，同时消除了制冷机组在过渡季节低载运行时的频繁启停运转，起到保护机组的目的，提高了制冷设备的使用寿命。

5 结束语

本文介绍了Free cooling 系统在制冷系统运行中的经济运行研究与应用，通过在某卷烟厂对Free cooling 系统改造的应用实例，在春秋过渡季节，利用板式换热器与冷却塔相结合的自然供冷方式降温，不仅达到工房温湿度指标控制的目标，同时减少了制冷系统的开启时间，在节省运行费用，提高设备使用寿命的同时，达到节能降耗经济运行的目标。通过Free cooling 系统在卷烟工厂制冷系统中的应用效果分析，Free cooling 系统在行业制冷系统中具有较高的推广价值。