空氣調(diào)節(jié)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

呂喆安 薛焱 索東盛

（上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司天津卷煙廠 天津 300163）

1 引言

工廠空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用對(duì)于企業(yè)發(fā)展具有重要的節(jié)能降耗與經(jīng)濟(jì)意義，同時(shí)也是符合國(guó)家目前的環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展政策。卷煙企業(yè)工藝生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)熱、產(chǎn)濕、產(chǎn)塵，車(chē)間面積較大，負(fù)荷影響因素較多，經(jīng)常24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，且恒溫恒濕控制精度較高，空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。如何更好滿足車(chē)間溫濕度及空氣品質(zhì)的要求，同時(shí)又盡可能地減少能源的消耗，本文進(jìn)行了深入淺出的分析，提出現(xiàn)有節(jié)能研究的不足之處及今后的研究方向，且結(jié)合工廠實(shí)際，提出了幾項(xiàng)具有可實(shí)施性的節(jié)能措施。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

煙廠動(dòng)力中心為工廠各生產(chǎn)過(guò)程提供能源保障，負(fù)責(zé)工廠主要能源的過(guò)程控制。空調(diào)運(yùn)行過(guò)程耗用大量電、水、蒸汽等一、二次能源，是工廠能耗中的重要組成部分。對(duì)于卷煙企業(yè)，空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗來(lái)自如下幾個(gè)方面：

圖1 組合式空調(diào)原理示意圖

從上述煙廠冷凍空調(diào)系統(tǒng)的流程圖上可以看出，空調(diào)系統(tǒng)的能耗歸根結(jié)底分為三種能耗：電能、軟水和鍋爐燃燒天然氣的消耗。因此，煙廠空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能研究與應(yīng)用就是要解決如何降低電能、軟化水和天然氣消耗的問(wèn)題。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)多工況控制策略

空調(diào)節(jié)能的三大原則：（1）最大限度利用室外新風(fēng)冷源；（2）最大限度減少制冷機(jī)運(yùn)行周期；（3）最大限度減少蒸汽和電力消耗。

文章提出的空調(diào)系統(tǒng)全年多工況控制策略節(jié)能方法，自2012年度已在我廠空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中運(yùn)用。全年多工況控制策略是指在全年某一特定時(shí)刻的室外氣象條件和車(chē)間熱濕負(fù)荷條件下，能否選擇最合理、最節(jié)能的熱濕處理流程及手段，是卷煙企業(yè)空調(diào)自控系統(tǒng)能否保證溫濕度精度及節(jié)能的前提條件。全年多工況控制策略將全年劃分為若干個(gè)工況區(qū)域，在每個(gè)工況區(qū)域內(nèi)制定出一個(gè)最合理、最節(jié)能的溫濕度控制模型，保證全年各時(shí)刻的溫濕度控制精度，尋求空調(diào)系統(tǒng)的最佳運(yùn)行方案。

空調(diào)溫濕度主要控制參數(shù)有：

（1）車(chē)間空氣溫度（tn±△t，℃）

（2）車(chē)間空氣相對(duì)濕度（Φn±△Φ，%RH）

空調(diào)溫濕度指標(biāo)控制情況用制（過(guò)）程能力指數(shù)Cpk表示，Cpk值的大小反映了溫濕度合格率的高低。

2.3 空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力

由于煙廠車(chē)間的大部分設(shè)備產(chǎn)熱量大，空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間都要送冷風(fēng)來(lái)維持工房?jī)?nèi)的溫度平衡（tS

根據(jù)上述分析，在保證工房溫、濕度的前提下，空調(diào)系統(tǒng)從調(diào)節(jié)送風(fēng)量和根據(jù)季節(jié)天氣全年多工況調(diào)節(jié)這兩個(gè)方面有著不錯(cuò)的節(jié)能潛力。

3 空調(diào)節(jié)能方案研究

3.1 技術(shù)方案一——空調(diào)系統(tǒng)變風(fēng)量運(yùn)行

空調(diào)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)風(fēng)量（L）與電機(jī)功率（N）存在以下關(guān)系：

當(dāng)L1=0.8L0時(shí)，N1=0.512N0，即當(dāng)風(fēng)量減小到80%時(shí)，風(fēng)機(jī)的功率減少了一半。

風(fēng)機(jī)風(fēng)量與電機(jī)功率關(guān)系曲線如下圖所示：

圖2 風(fēng)機(jī)風(fēng)量與電機(jī)功率關(guān)系曲線

因此，在工廠的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝階段，空調(diào)風(fēng)機(jī)選擇變頻風(fēng)機(jī)，在車(chē)間生產(chǎn)趨于平穩(wěn)的情況下，根據(jù)車(chē)間的溫濕度波動(dòng)不斷優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的控制參數(shù)，將風(fēng)機(jī)變頻器設(shè)置在40Hz~50Hz范圍內(nèi)，當(dāng)外界非極端天氣時(shí)，空調(diào)電機(jī)基本都保持在40Hz運(yùn)行，車(chē)間溫濕度月均Cpk值達(dá)到1.33以上，節(jié)約電能50%左右。

3.2 技術(shù)方案二——全年多工況控制方式

采用全年多工況控制方式，在過(guò)渡季節(jié)加大新風(fēng)的利用，輔助加熱和加濕閥的操作，縮短制冷機(jī)開(kāi)啟周期，節(jié)約用電量。

圖3 焓濕度多工況分區(qū)圖

表1 焓濕度多工況分區(qū)表

3.2.1 一區(qū)：冬季加熱加濕區(qū)

由于新風(fēng)溫度低于送風(fēng)溫度，以蒸汽加濕閥為濕度調(diào)節(jié)手段，蒸汽加濕閥熱蒸汽所攜帶的熱量正好可以提高送風(fēng)溫度，減少加熱閥的開(kāi)度；溫度調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)加熱閥來(lái)完成；當(dāng)室內(nèi)出現(xiàn)異常熱量干擾時(shí)，如加熱閥已經(jīng)完全關(guān)閉，則通過(guò)提高新風(fēng)量進(jìn)行降溫。

3.2.2 二區(qū)：過(guò)渡季，冷卻加濕區(qū)

由于室外新風(fēng)的焓值也在室內(nèi)等焓線以下，蒸汽加濕過(guò)程中產(chǎn)生的溫度升高情況可以采用適當(dāng)開(kāi)啟新風(fēng)閥來(lái)降低溫度，從而減少了表冷閥的使用，縮短了制冷系統(tǒng)的開(kāi)啟周期，節(jié)約了電能。

3.2.3 其他工況區(qū)域

對(duì)于其他工況區(qū)，（包括三區(qū)：過(guò)渡季，冷卻加濕區(qū)；四區(qū)：夏季，冷卻加濕區(qū)；五區(qū)：極端工況，冷卻除濕區(qū)；六區(qū)：極端工況，冷卻除濕區(qū)）我們通過(guò)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況，總結(jié)出了卷包車(chē)間6臺(tái)組合空調(diào)自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)下各機(jī)段閥門(mén)開(kāi)啟的范圍，以及自控狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，手動(dòng)開(kāi)啟閥門(mén)的建議調(diào)整范圍，有效的避免閥門(mén)的過(guò)度開(kāi)啟或開(kāi)啟不足可能造成的送風(fēng)過(guò)熱、過(guò)冷、送風(fēng)帶水或區(qū)域溫濕度失控等狀況。

3.3 技術(shù)方案三——提高冷凍水溫度

表2 制冷系統(tǒng)設(shè)備開(kāi)啟情況

經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)整個(gè)制冷期當(dāng)中，夏季工況，制冷系統(tǒng)基本已經(jīng)為滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，為保證工藝指標(biāo)我們不做研究，我們把此次項(xiàng)目的研究重點(diǎn)放在了過(guò)渡季節(jié)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行上。

根據(jù)制冷系統(tǒng)工作原理，在滿足室內(nèi)空調(diào)效果的前提下，隨著空調(diào)冷水供水溫度的升高，冷水機(jī)組制冷劑的蒸發(fā)溫度升高，冷水機(jī)組的單位制冷量能耗降低。

設(shè)定不同的制冷機(jī)組供水溫度，在平穩(wěn)運(yùn)行2h后，分別記錄蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度狀態(tài)，如表3所示。由于冷水機(jī)組的最低設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度不得低于2℃，所以供水溫度最低為5℃。同時(shí)，考慮到高濕度天氣下組合空調(diào)的除濕效果，表冷器有效除濕溫度不得高于10℃，所以冷水機(jī)組最高供水溫度為9℃。

按照公式

式中：

計(jì)算條件：制冷劑為R134a，冷凝溫度為40℃，蒸發(fā)溫度分別為2.41，3.71，5.00，6.33，7.63℃，可以得到不同蒸發(fā)溫度下制冷量單位能耗。

表3 蒸發(fā)器、供水溫度及單位制冷量能耗對(duì)照表

上表可以看到，按照理想狀態(tài)，供水溫度為9℃時(shí)要比供水溫度為7℃時(shí)節(jié)能9.5%。因此，最終選定供水溫度為9℃。

4 改造后的節(jié)能效益分析

4.1 改造情況

4.1.1 重新調(diào)整空調(diào)風(fēng)機(jī)的變頻器設(shè)置，天氣溫和時(shí)低頻運(yùn)行，節(jié)約電能。

4.1.2 對(duì)空調(diào)加濕閥、加熱閥、表冷閥按照不同工況進(jìn)行PID參數(shù)的優(yōu)化，保障空調(diào)送風(fēng)溫、濕度的穩(wěn)定性，保證工藝指標(biāo)Cpk≥1.33，并起到節(jié)約蒸汽和制冷機(jī)冷凍水冷量消耗的目的。

4.1.3 回風(fēng)閥和排風(fēng)閥的開(kāi)度根據(jù)風(fēng)閥面積和新風(fēng)閥的開(kāi)度制訂調(diào)節(jié)模式；新風(fēng)閥全年調(diào)節(jié)最大開(kāi)度為80%，最小開(kāi)度為20%；回風(fēng)閥全年調(diào)節(jié)最大開(kāi)度為100%，最小開(kāi)度為40%。

4.1.4 空調(diào)設(shè)備的加濕器按季節(jié)工況設(shè)置最大開(kāi)度，以防非干燥季節(jié)因超調(diào)將空氣瞬間加溫至過(guò)飽和狀態(tài)，導(dǎo)致送風(fēng)中“飄水”現(xiàn)象。

4.1.5 在三至六區(qū)需開(kāi)制冷機(jī)，第一、二區(qū)停制冷機(jī)。

4.1.6 在過(guò)渡季節(jié)提高制冷機(jī)冷媒水的出水溫度。

4.2 節(jié)能效果分析

4.1.1 制冷系統(tǒng)

根據(jù)“天津卷煙廠能源管理系統(tǒng)”的制冷系統(tǒng)耗電記錄，我們將2012年10月份和2013年10月份做一個(gè)橫向?qū)Ρ龋?/p>

圖4 2012 年10 月份和2013 年10 月份電量橫向?qū)Ρ?/p>

按照全年4個(gè)月的過(guò)渡季節(jié)計(jì)算，全年節(jié)約用電量約68000kW·h，按照0.88元/度計(jì)算，折合人民幣6萬(wàn)元。

4.1.2 空調(diào)系統(tǒng)

（1）變頻器變頻節(jié)能

卷包車(chē)間使用的空調(diào)由送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)兩個(gè)風(fēng)機(jī)，送風(fēng)機(jī)功率（55kW），回風(fēng)機(jī)功率（22kW）。由公式（1），當(dāng)L1=0.8L0時(shí)，N1=0.512N0，即當(dāng)風(fēng)量減小到80%時(shí)，風(fēng)機(jī)的功率減少了一半。六臺(tái)組合空調(diào)，按照工業(yè)用電0.82元/kW·h，每年有半年是非極端天氣計(jì)算，每年節(jié)約用電費(fèi)用約合80萬(wàn)元。按照多工況方式只開(kāi)啟5臺(tái)空調(diào)設(shè)備每年節(jié)省約66萬(wàn)元。

（2）采用多工況控制方式，減少空調(diào)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)節(jié)能

卷包車(chē)間使用的空調(diào)由送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)兩個(gè)風(fēng)機(jī)，送風(fēng)機(jī)功率（55kW），回風(fēng)機(jī)功率（22kW）。

按照六臺(tái)組合空調(diào)計(jì)算：

N1=0.512N0

（55+22）（kW）×6（臺(tái)）×24（h）×0.512=5677kW·h

按照工業(yè)用電0.82元/kW·h計(jì)算：

每天節(jié)省0.82×5677kW·h=4655元

按照每年有半年是非極端天氣計(jì)算

每年節(jié)省4655×365×0.5≈85萬(wàn)元

5 結(jié)語(yǔ)

在室外環(huán)境溫濕度相似、車(chē)間生產(chǎn)負(fù)荷變化不大的情況下，采用多工況控制方式調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在節(jié)能經(jīng)濟(jì)性與溫濕度指標(biāo)控制方面收到了非常顯著的效果。

5.1 采用多工況控制方式，卷包車(chē)間工房溫、濕度Cpk同比上升14.0%，較前年同期上升31.4%（2013年Cpk為1.79，2012年Cpk為1.57，2011年Cpk為1.34）。

5.2 單工況控制方式受外界環(huán)境溫、濕度影響較大，工房溫、濕度波動(dòng)較大，尤其在極端天氣時(shí)需要手動(dòng)操作，受操作人員技術(shù)原因影響較大。

5.3 采用多工況控制方式，過(guò)渡季節(jié)更多的利用了新風(fēng)的參與，除了帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)效益以外，新風(fēng)量的增大也加大了車(chē)間內(nèi)的換氣次數(shù)，對(duì)于煙廠這種特殊工藝的車(chē)間，增加換氣次數(shù)對(duì)操作人員的身體健康是一個(gè)保障。

5.4 采用多工況控制方式，空調(diào)系統(tǒng)的平均節(jié)電率為24.4%。

5.5 從節(jié)能投資收益分析，采用多工況調(diào)節(jié)方式，每年比未實(shí)施項(xiàng)目前平均節(jié)省電費(fèi)157萬(wàn)元。

[1]李先庭,王鵬飛,胡海峰,等.合同能源管理在我國(guó)供熱空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用前景分析[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2005,26(2):1-5.

[2]付祥釗.夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[3]杜志敏.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)故障特性分析與診斷[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[4]王剛.不同供水溫度下冷水機(jī)組與水泵的總能耗[J].暖通空調(diào)，2013,43（3）：96-98.