單一冷源的溫濕分控空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究

陳延凡，謝厚春，沈顯兵，汪 琴

（安徽中煙工業(yè)有限責任公司合肥卷煙廠，安徽合肥 230601）

0 前言

在卷煙廠，制冷空調(diào)系統(tǒng)占到所有能耗的約30%～50%，因此是卷煙工業(yè)節(jié)能降耗的重點。空調(diào)自動化控制系統(tǒng)主要由下位PLC控制系統(tǒng)和上位監(jiān)控管理系統(tǒng)組成，前者完成對具體設(shè)備如傳感器、風閥、電動執(zhí)行器、加濕器等的控制，后者監(jiān)視及控制空調(diào)機組的運行，監(jiān)視溫濕度傳感器的實時數(shù)據(jù)等。

合肥卷煙廠精品線生產(chǎn)工藝性空調(diào)系統(tǒng)為變風量全空氣空調(diào)系統(tǒng)，空氣負擔房間或車間的冷熱負荷，空調(diào)機組完成空氣的冷卻、去濕或加熱。系統(tǒng)設(shè)計時，室內(nèi)狀態(tài)點是根據(jù)工藝要求或規(guī)范確定的，冷負荷、濕負荷及室內(nèi)過程的熱濕比也基本確定，采用“露點”送風，即表冷器把空氣冷卻到相對濕度為90%～95%的狀態(tài)點。在夏季，主要依靠調(diào)節(jié)表冷器冷凍水進水流量來改變空氣處理后的狀態(tài)點（即送風狀態(tài)點）。精品線空調(diào)機組共27臺，不同區(qū)域功能的溫濕度標準不同，但冷源只有一處，即由制冷機房集中制備的冷凍水，只供應(yīng)初溫為7℃的冷凍水。在夏季，去濕再熱工況運行時，空氣被表冷器處理后再進入蒸汽加熱段，既消耗制冷量又多消耗蒸汽再熱量。

本項目從空調(diào)的中央控制系統(tǒng)入手，利用空調(diào)多工況分區(qū)控制技術(shù)，按全年氣候參數(shù)在焓濕圖上作出氣象包絡(luò)線，劃分不同工況分區(qū)執(zhí)行相應(yīng)PLC程序，對各執(zhí)行部件實施開關(guān)控制或連續(xù)控制，實現(xiàn)正確的分區(qū)轉(zhuǎn)換、操作順序，在滿足控制精度要求的條件下節(jié)能運行，在此基礎(chǔ)上針對去濕再熱工況開展溫濕分控節(jié)能技術(shù)研究，實現(xiàn)新風單獨去濕處理后，再與室內(nèi)回風（溫濕度穩(wěn)定且與工藝指標接近）混合，利用原有表冷補充處理，避免冷熱抵消浪費。

1 研究方案與實施

1.1 基于焓濕圖研究中央空調(diào)多工況控制方法

空調(diào)系統(tǒng)的制冷和加熱形式很多，但原理上基本相同。而加濕除了形式不同之外，原理上分為等焓加濕和等溫加濕2種，后者在工藝性空調(diào)中廣泛應(yīng)用。原理不同，其分區(qū)也不同。以加濕為等溫加濕進行分區(qū)，工況分區(qū)太多則控制復雜且沒必要，太少又不節(jié)能。

因此，結(jié)合室外氣象參數(shù)在焓濕圖上將全年分成10個工況區(qū)域（圖1）。其中，N點為室內(nèi)要求的全年恒溫恒濕狀態(tài)點（ts±2 ℃，φs±5%RH），O 點為滿足室內(nèi) ts、Φs狀態(tài)點時所對應(yīng)的送風狀態(tài)點，tW為室外溫度，tO為送風點溫度，tN為室內(nèi)溫度，dWx為當最小新風時其混合點絕對含濕量交于dO線。

圖1 優(yōu)化后的焓濕圖工況分區(qū)

運行中，點N（ts、Φs）可在中央監(jiān)控微機上錄入或修訂，不同季節(jié)可對應(yīng)不同的設(shè)定值。當室內(nèi)設(shè)定值變化時，送風狀態(tài)點O及相應(yīng)的分區(qū)邊界線隨之變化，因此上述工況分區(qū)是動態(tài)的。

1.2 實施溫濕分控空調(diào)系統(tǒng)改造方案設(shè)計

上述方法可以優(yōu)化現(xiàn)有的工況分區(qū)及控制策略，利用環(huán)境冷熱源實現(xiàn)節(jié)能運行，但不能消除冷熱抵消的問題。為此，在空調(diào)機組中增加除濕盤管或在新風管道上增設(shè)新風除濕功能段。

新風處理段（或新風處理柜）系統(tǒng)為最小新風量設(shè)計，不需要設(shè)風機，機組仍按原來方案設(shè)置。新風段內(nèi)的冷水盤管可承擔全部新風負荷及全部室內(nèi)濕負荷，機組內(nèi)的冷水盤管只承擔降溫功能，其進風工況為經(jīng)過除濕處理后的新風與室內(nèi)回風的混風狀態(tài)，出風工況為該系統(tǒng)的設(shè)計送風工況。過渡季及冬季，通過旁通風閥切換，新風可直接進入機組。改造完成后，機組內(nèi)現(xiàn)有表冷器只作降溫作用，不再承擔除濕功能，空調(diào)系統(tǒng)夏季不需要再熱投入。本次改造，只是對現(xiàn)有空調(diào)自動控制系統(tǒng)進行相應(yīng)的調(diào)整，不需要增加控制點數(shù)，不需要更換控制器。

1.3 溫濕分控系統(tǒng)熱濕處理原理與節(jié)能控制

卷煙工業(yè)恒溫恒濕工藝空調(diào)多為再熱式空調(diào)系統(tǒng)，與露點送風空調(diào)系統(tǒng)相比主要有2個優(yōu)點：一是調(diào)節(jié)性好，可實現(xiàn)溫濕度較嚴格的控制；二是送風溫差小，送風量大，控制區(qū)域溫度均勻、穩(wěn)定。缺點是冷熱抵消、能耗大，夏季空氣經(jīng)過降溫除濕處理后接近露點溫度。如果采取露點送風，雖然可以滿足車間溫度調(diào)節(jié)要求，但不能滿足濕度要求。

再熱式空調(diào)熱濕處理過程：新風W（室外點）與回風N（室內(nèi)點）混合C后被集中處理到新風露點L（機器露點），然后通過蒸汽再熱到O（送風點），以便滿足室內(nèi)溫濕指標（N狀態(tài)點）。溫濕分控空調(diào)方案處理流程見圖2，系統(tǒng)空氣處理流程見圖3。

圖2 溫濕分控空調(diào)方案處理流程

主要設(shè)計參數(shù)：室內(nèi)設(shè)計工況，DB26℃，RH 60%，H58.36 kJ/kg；夏季新風進風工況，DB35.0℃，WB28.2℃，H90.58 kJ/kg；新風除濕后工況，DB15.2 ℃，RH 95%，H41.17 kJ/kg；新回風混合后工況，DB23.76℃，RH 65.9%，H54.78 kJ/kg。其中，F(xiàn)AN2為回風機，CF為過濾器，CC1為新風段冷水盤管，CC2為機內(nèi)冷水盤管，HC為加熱盤管，HU為加濕器，F(xiàn)AN1為送風機。

從圖3可以看出，室外點W被直接處理至新風露點L，與車間N狀態(tài)點混合后達到C點，C點基本滿足送風要求O點：①可以解決夏季冷熱相抵的現(xiàn)象，節(jié)省再熱量和制冷量：②實現(xiàn)溫濕度的獨立控制，邏輯更簡單，精度更高；③不影響過渡季變新風或全新風運行，不需要改動空調(diào)機組和空調(diào)機房以外的設(shè)備及設(shè)施，可化整為零分步進行，不影響生產(chǎn)。

2 項目成果與效益分析

（1）掌握了新風段除濕技術(shù)、新風熱濕處理后與回風混合后按送風狀態(tài)點參數(shù)控制技術(shù)、原有表冷段/加熱段輔助降溫/增溫的控制技術(shù)以及空調(diào)系統(tǒng)溫濕分控技術(shù)成功應(yīng)用滿足的條件要求，即送回風的管道密封性、控制區(qū)域熱濕比的穩(wěn)定性等。

（2）根據(jù)溫濕度工藝標準要求，優(yōu)化了制冷空調(diào)系統(tǒng)控制參數(shù)：一是針對地區(qū)氣象特性和車間的熱濕負荷特點，簡化上述10個工況區(qū)域的分區(qū)，將分區(qū)邊界條件植入控制策略中，優(yōu)化調(diào)整控制參數(shù)，由自控系統(tǒng)隨時根據(jù)室內(nèi)設(shè)定值的變化自動調(diào)整，實現(xiàn)分區(qū)動態(tài)控制；二是優(yōu)化了原有表冷與新增除濕表冷水流量控制方案，溫濕分控系統(tǒng)新回風混合狀態(tài)參數(shù)控制調(diào)整。

（3）制冷空調(diào)系統(tǒng)整體節(jié)能30%：①采用變頻送風方式，當風機風量減少到原額定風量的80%時，功率消耗減少到51.2%。根據(jù)經(jīng)驗，在夏季3個月的時間內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)接近滿負荷運行，其他季節(jié)系統(tǒng)風量可以逐漸降低到80%，按項目完成后實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)，單箱耗電下降19.23%。②實施溫濕分控的KJ9空調(diào)系統(tǒng)，在5至8月份制冷去濕再熱工況下蒸汽再熱量與同等處理能力空調(diào)系統(tǒng)相比下降60%以上，制冷量消耗大幅下降。

3 項目總結(jié)及下一步研究方向

圖3 溫濕分控空調(diào)系統(tǒng)空氣處理流程

該項目利用空調(diào)多工況分區(qū)控制技術(shù)，按全年氣候參數(shù)在焓濕圖上作出氣象包絡(luò)線，劃分出不同工況分區(qū)執(zhí)行相應(yīng)PLC程序，實現(xiàn)正確的分區(qū)轉(zhuǎn)換、操作順序，節(jié)能運行。針對熱濕聯(lián)合處理空調(diào)系統(tǒng)所面臨的主要問題，在現(xiàn)有投資和條件下，嘗試性提出單一冷源熱濕獨立控制空調(diào)策略，成功實現(xiàn)了溫濕分控節(jié)能技術(shù)應(yīng)用，效果明顯。

由于原有表冷只承擔降溫作用，即除濕的任務(wù)由處理潛熱的系統(tǒng)承擔，因而顯熱系統(tǒng)的冷水供水溫度由常規(guī)的7℃提高到18℃，為天然冷源的使用提供了條件，即使采用機械制冷方式，制冷機的性能系數(shù)也有大幅提高。由于供水溫度高于室內(nèi)空氣的露點溫度，余熱消除末端裝置可以采用輻射板、干式風機盤管等多種形式。目前雙冷源溫濕分控系統(tǒng)應(yīng)用更多，節(jié)能潛力較大，未來將繼續(xù)分析改造的可行性及節(jié)能潛力，提高冷源使用效率，減少制冷空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

［1］劉曉華，江億，張濤.溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)（第二版）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.