0  引言

国家每年建设大量的科研装置、实验平台，由于工艺要求的复杂性、建设投入有限、设计理念的局限等原因，许多项目中存在着能耗高、单一用能、没有建立能源的循环再利用、破坏生态环境等问题^[1]。目前许多实验平台需要用到冷却水循环，常用的方法是采用冷却塔将热量直接排放到大气中，容易形成周围环境的热岛效应。在这种实验平台集中的科研园区往往需要生活热水满足科研人员日常生活，冷却塔排放的热量是一种低品位的热能，如果将其回收转换成生活热水，不但减少了用于生活热水加热的能源消耗，还可减少锅炉烟气中所含的SO₂，CO，NO_x等有害气体，降低对环境的污染，是一项很好的节能和环境保护措施 ^[2]。

科研装置常用冷却系统有敞开式和封闭式^[3]。敞开式冷却系统中水流与大气接触，灰尘、微生物等进入循环水，易改变循环水的水质，需使用药剂进行沉积物控制、腐蚀控制和微生物控制处理，可能会对装置产生一些负面影响^[4]。封闭式冷却系统介质不受环境影响，不会污染环境，并且具有占地面积小，降低能耗，冷却效率高等特点，可以适应科研设备性能要求，直接冷却水、油类、醇类、淬火液、盐水及化学液等介质，目前大多采用封闭式冷却系统。

1  封闭式冷却系统存在的问题

（1）系统装机容量与实际用量之间不匹配

系统装机容量与科研装置实际用量相匹配，是封闭式冷却系统合理高效运行的关键，是科研装置运行成本控制的核心。科研装置的实际使用量主要影响因素是系统科研装置的利用率、同步率，而它们却又受制于科研任务、实验内容、实验流程以及科研方法对辅助设备性能需求的调整等。出于对冷却系统可靠性和确保科研装置安全运行的考虑，目前均采取实验装置样本提供的所有装机容量叠加，按容量最大化设计，导致系统装机容量与科研装置实际用量不匹配、“大马拉小车”的现象普遍存在。

（2）现有系统形式与科研装置间歇性使用不适应

系统全封闭，不能自然散热，通过冷却塔散热是科研装置产生的热量向外散热的唯一途径，不仅造成设备磨损、加大电能消耗、系统运行成本高，而且在系统间歇性使用时，还会造成系统内设备冷却介质进出温度差变化频繁，可控性差，导致科研装置降温过快，影响设备的运行工况，存在潜在的不确定性风险。

（3）封闭式冷却系统会形成城市局部热岛效应

封闭式冷却系统的散热机理是通过空气与水进行强制交换，将科研装置做功所产生的热量均匀地散到大气中，这不仅容易产生局部热岛效益，影响周边生活环境，还会造成大量能源损耗。

2  冷却水系统节能改造

针对上述问题，对冷却水系统进行节能改造。

（1）减少设备运行数量

现有的实验中心在最初的规划时由于很难精确掌握后期实验设备及其具体需求，在冷却系统负荷配置时往往按最大量设计，系统的操作管理、运行模式也是按最常规的模式，造成运行费用比较高。为了改变这种现象，对冷却水循环系统在运行过程中的“冷却水的循环温度”、“冷却水的循环压力”进行实时监控，依据“冷却循环水的温度变化”、“冷却循环水的压力变化”来自动控制冷却装置、冷却循环泵、冷却水供水泵的运行台数，在对冷却水温、压力进行监测的同时还对室外温度进行测量。

（2）提取设备冷却循环介质的热量

冷却塔产生的冷凝热量等于冷却系统从实验设备试验过程中吸收总热量加上冷却系统的发热量，这部分的热量比较大，一台冷却水处理量为300 m³/h的冷却塔排热为1744.5 kW。目前绝大部分的冷却系统设计不但没有利用这部分热量，还要消耗水泵、冷却塔、风冷风机等电能，将这部分热量排到大气环境（或地下环境）中去^[5]。如果排放的热量较多且排放源集中，又能在离排放点较近范围找到使用热量且热量品位相当的场所，把这一部分热量利用起来，变废为宝，免费获取生活热水，一般认为该热量具备回收利用的价值^[6]。

通常的热量提取方法采用板式换热器直接换热，换热效率取决于换热介质的温度，温度越高效率越高，冷却循环水的回水温度普遍不高于35℃。冷凝装置采用双管束换热器，制冷剂侧共用一个回路，水侧上下分层，双管束换热器结构图如图1，冷凝装置热回收原理如图2。

图1 双管束换热器结构图

Fig.1 Double bundle heat exchanger structure

图2 冷凝热回收装置原理图

Fig.2 Principle of heat recovery in condensing unit

（3）选择合适的热回收方式

热回收模式分为部分热回收和全热回收。部分热回收方式回收的是制冷剂的显热或显热加部分潜热，其过程如图3中状态点2-3^[7]，热回收得到的热水温度相对较高，同时也可以使制冷剂进一步冷却，能够提高机组的COP，但这种热回收方式回收的热量较少，且潜热回收量不能过大，否则容易造成系统低压，不利于机组稳定运行。部分热回收可减少冷凝器的负担，机组 COP有所提高，适用于用户的制冷需求远远大于制热量需求的场合，主要应用于大型冷水机组，特别是离心式冷水机组中^[8,9]。

图3 部分热回收压焓图

把实验设备所产生的冷凝热全部回收起来用于生活热水的加热，这种方式称为全热回收，其过程如图4中状态点2-4，全热回收必须设置一些蓄热装备，供剩余热水的蓄热储存，且运行需要另外的能源来维持。生活热水在冷凝器中吸热升温后，流入蓄热生活热水箱。生活热水箱循环水不断经过冷凝热回收装置直至被加热到生活热水所需温度^[10,11]。目前市面上的回收型冷水机组以部分热回收型为主^[12]。

图4 全热回收压焓图

3  冷凝热回收循环分析

（1）冷凝热回收装置模型建立

模型建立的参照对象选取一台闭式冷却塔，冷却介质为水；冷却流量：150m³/h；进出水温度：37-32℃；湿球温度：26.8℃；冷却塔的冷却能力为864kW；风机风量8000m³/h。按冷却塔冷却能力的50%选取作为模型的制冷量冷凝装置所获得的热量，制冷量为432kW；采用双管束内置热回收冷凝器，冷凝温度为40℃；蒸发温度为20℃；制冷剂采用R134a，压缩机采用螺杆式；过冷度为5℃；过热度为3℃。

根据模型设计参数，将其输入制冷剂热力学计算软件solkane，图3可以显示设计模型的输出参数、性能系数、质量流率等。

图5 模型参数

Fig.5 model parameter

（2）模拟分析

蒸发温度变化，其它参数不变时蒸发温度与性能系数和压缩机功率的关系曲线见图4。

a 蒸发温度与性能系数的关系曲线        b 蒸发温度与压缩机功率的关系曲线

a The relation curve between evaporation     b The relation curve between evaporation

temperature and performance coefficient      temperature and compressor input power

图6 蒸发温度与性能系数和压缩机功率的关系曲线

Fig.6 The relation curve between evaporation temperature and performance coefficient or compressor input power

由图4可以看出，其他参数不变时，装置的性能系数随蒸发温度的升高而增大，压缩机的输入功率随蒸发温度的升高而降低。

冷凝温度变化，其它参数不变时冷凝温度与性能系数和压缩机功率的关系曲线见图5。

a 冷凝温度与性能系数的关系曲线        b 冷凝温度与压缩机功率的关系曲线

a The relation curve between condensation     b The relation curve between condensation

temperature and performance coefficient      temperature and compressor input power

图7 冷凝温度与性能系数和压缩机功率的关系曲线

Fig.7 The relation curve between condensation temperature and performance coefficient or compressor input power

由图5可以看出，其他参数不变时，装置的性能系数随冷凝温度的升高而减小，压缩机的输入功率随冷凝温度的升高而增加。

由此可见，各个工况点的选择是一个复杂而综合的问题，要考虑多方面的问题，否则在循环过程中会出现过冷、吸汽过热报警，同时也要兼顾模型的性能系数COP、生活热水的出水量、生活热水的出水温度、储蓄热水箱容积选择、后期综合运行成本等^[13]。

（3）冷凝温度的优化

从模型数据及关系曲线可知，随着模型冷凝温度的升高，模型的性能系数下降，随着冷凝温度的升高，压缩机出口制冷剂的温度也逐渐升高，能够生产出的最高热水温度也逐渐升高，《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2019）中推荐的生活热水温度55℃～60℃，因此在进行冷凝热回收时，冷凝温度应保持在33℃～38℃之间^[14]。由于随着冷凝温度的升高，模型的性能系数值COP在降低，所以在保证能满足生活热水出水温度的同时，尽量降低冷凝温度。不同冷凝温度对应压缩机出口温度及最高热水温度见表1。

表1  不同冷凝温度对应压缩机的出口温度及最高热水温度

Table 1  The compressor outlet temperature and the maximum hot water temperature at different condensing temperature

优化后的模型性能参数见表2。

表2  优化后模型性能参数

Table 2  Optimized model performance parameters

4  节能改造工程实例

4.1  项目概况

北京某大学昌平科技园区二期冷却循环水系统扩容及防冻改造项目，项目改造的总体要求：系统的深化设计和配置须满足试验厂房和力学化学耦合实验室冷却系统（含一期现有装机容量）的总冷却能力不低于3.5MW/h、总处理水量不小于10m³/min、且冷却系统进、出口的实测温差不小于5℃的需求；同时保证系统冬季极寒环境（不高于-15℃）、非连续运行情况下能够正常运行。项目原设计方案如下。

（1）园区内试验厂房（一、二）和力学化学耦合实验室需用循环冷却水保证试验设备正常运行。

（2）根据实验室提供的循环水量：

试验厂房（一、二）合计：300m³/h。

力学化学耦合实验室：300m³/h

根据校方要求预留：300m³/h

（3）循环水系统分为两个系统：

循环1系统：

循环2系统：

（4）循环1系统、循环2系统分别设置一台备用泵。流量、扬程主泵。

（5）循环1系统、循环2系统分别预留一台主泵，为以后增加实验设备预留。流量、扬程主泵。

（6）循环2系统预留一台冷却塔，型号相同。

（7）预留主泵、预留冷却塔本次仅预留位置，暂不安装。

4.2  改造方案

冷却水的制备系统（含一期项目）由2台冷却水量为300m³/h的闭式冷却塔，2台冷却水循环泵，二台制冷量为300kW的螺杆式冷凝热回收机组，3台热水循环泵及系统管网与阀门、阀件组成。系统的工作方式：在春、夏、秋三个季节系统开启冷凝热回收机组，回收的热量满足生活热水需求后再开启冷却塔冷却循环排放热量，在冬季当环境温度低于5℃，把冷却塔里的水排空，系统切换到冷凝热回收机组进行冷却循环，冷却水里的热量通过冷凝热回收机组的冷凝器经过水泵循环输送到蓄热水箱（消防水池），系统的设备配置见表3。

表3  系统的设备配置

Table 3  Equipment configuration of the system

冷却水池2的温度高于25℃低于32℃时启动一台冷凝热回收机组。冷却水池2的温度高于32℃时启动两台冷凝热回收机组。冷却水池1的温度低于25℃时关闭冷凝热回收机组。环境温度低于5℃时关闭冷却塔，只启动冷凝热回收机组。用水末端的电动阀门的阀位信号反馈给PLC，由PLC指令执行器进行冷冻水变频供水循环泵的运行或停止。PLC逻辑控制总体冷却塔、冷凝热回收机组、循环水池温度、冷却水供水循环，根据PLC指令执行冷却塔、冷却水池温度、冷却水供水循环泵的开启或关闭，并对系统运行的状态进行实时监控。采用PLC逻辑控制对冷却水池、室外的环境温度进行检测，温度大于25℃时自动开机，小于23℃自动关机。循环水池的温度大于25℃时系统能够自动调节循环水泵运行的数量和频率，冷却装置与水泵实现连锁控制，能够对冷却水循环系统进行恒压循环并自动调节循环水量。

4.3  节能改造成效

热回收机组通过回收冷却水系统中的散热量，用于加热、预热生活热水或生产工艺热水，不但可以实现废热利用，减少冷凝热对环境产生的热污染，又可减少冷却塔的运行费用和噪声^[15]。冷凝器热回收机组按满工况计算。3台冷却塔满载功率90kW，3台循环水泵功率为111kW，累计消耗功率为201kW。用2台冷凝热回收机组替代2台冷却塔并调整循环水泵后的累计消耗功率为285.2kW，见表4。

表4  改造后设备功率表

Table 4  The power meter of the equipment after modification

改用冷凝热回收机组后要多增加84.2kW的电能消耗。在制取冷冻水的同时每小时产生生活热水约56m³，用来满足园区的需求，相当于节省了园区锅炉房天然气420m³的消耗，折算成人民币为1113元。

表5 天然气费用计算表

Table 5  The information of natural gas fee

改用冷凝热回收机组后多增加84.2kW的电能消耗，折算成人民币为42.1元，扣减因采用冷凝器热回收机组而增加的运行费用后，还剩余1070.9元。根据表5信息，冷却循环水系统运行平均每天按8小时，每月按15天，全年按8个月计算，每年约节省天然气的费用为102.8万。设备初投资增加的费用约1~2年能够得到回收。

5  结论

本文通过对北京某大学昌平科技园区二期冷却循环水系统进行改造并采取一些控制手段，如冷凝热回收机组及冷却塔的控制、用水末端及冷冻水变频供水循环控制、系统的PLC集中控制等，冷凝热回收系统将冷却塔排出的热量回收转化为生活热水，充分利用了冷却水中的低品位热能，节省了锅炉房生活热水系统的运行费用，缓解了城市热岛效应，有显著的经济效益和社会效益。由改造的费用估算和投资回收分析显示，改造后每年约节省天然气的费用为102.8万，设备初投资增加的费用约1~2年得到回收。

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