雙碳目標下卷煙廠空調系統節能現狀及展望

王 兵,冉井旺,簡 勇,高遠嵩,王熙雯,李夔寧

(1.重慶中煙工業有限責任公司 黔江卷煙廠,重慶 409000; 2.重慶大學 能源與動力工程學院,重慶 400030)

為提高產品質量及經濟效益,煙草行業不斷進行技術改造。在全年綜合能耗中,空調能耗占30%～50%[1],成為了重大的能源負擔,導致經濟成本增加。需對空調系統進行節能控制,降低運行成本,促進經濟的可持續發展[2]。通過文獻調研,總結了卷煙廠的空調節能措施,指出了其中存在的問題,以促進節能改造。

1 卷煙廠空調系統發展現狀

卷煙廠車間面積較大,負荷影響因素較多,因此空調系統在保持適宜的溫濕度控制條件下還要盡可能減少能源消耗,這對空調系統節能提出了更高的要求。空調系統電耗占全廠總用電量的1/3,尤其是在夏季,耗電比例達總耗電的1/2。而在冬季、春季,環境溫度低,濕度小,系統需進行加熱、加濕,消耗更多的蒸汽,導致生產成本提高。過去主要采用淋水室來處理空氣,這有利于空氣洗滌,增加空氣清新度(如圖1所示)。夏季用冷凍水對空氣進行去濕處理,冬季利用循環水對空氣加濕降溫。但這種方法會使制冷機受到污染,導致效率逐年下降,對生產造成不良影響[3]。

圖1 淋水室空調Fig.1 Shower room air conditioning

有學者提出噴淋表冷[1]來處理空氣(如圖2所示)。此方法改善了水質,增加了系統可靠性,但會污染循環水質。增設循環泵會使能耗增加,噴淋加濕過程會增加表冷器的負擔。

圖2 噴淋器+表冷空調器Fig.2 Spray + surface cooling air conditioner

圖3 表冷器+干蒸汽加濕空調器Fig.3 Surface cooler + dry steam humidifier air conditioner

結合卷煙廠空調系統形式及運行特點,總結了其存在的主要問題:①制冷機開啟時間長,效率低。制冷機需要全年開啟,導致制冷時間過長且效率不高。通常情況下,制冷機的選型按照設計負荷的上限選擇,乘以一定的安全系數,故制冷機長時間無法在高效負荷下運行,當制冷量較小時(過渡季節和冬季),運行效率更低。②系統調節能力差,風機水泵效率低,能耗高。同一車間多臺空調送風溫度不同,造成控制紊亂,耗能大大增加。在空調系統設計中,水泵和風機選型過大,導致運行過程中出現大流量小溫差和大風量小焓差現象[4]。③冷熱抵消。卷煙廠主要利用溫濕度補償來處理空氣。在夏季,由于控制精度要求高,空調系統需要消耗蒸汽用于再熱加濕,這一過程消耗了蒸汽,抵消了冷量,導致能量浪費嚴重。④高質低用。空氣經過表冷器后的溫度較低,而高溫蒸汽一般在230 ℃左右,溫差達到200 ℃,溫差過大使能源高質低用且熱能損失嚴重[5]。

2 空調系統節能措施

2.1 水系統節能

卷煙廠空調系統主要由空調供水系統和空調終端組成。空調水系統是主要的耗能部件,涉及的設備類型復雜且耗能較高。故通過提高空調水系統的能源效率可大大降低總能耗。盡管許多空調水系統設計為節能高效的,但系統設備是根據最大終端負載需求(即系統所需的最大冷卻能力)配置的,當系統在部分負載下運行時,設備無法根據環境參數及負載需求的變化進行動態調整,導致偏離最佳運行水平。故在不同負荷需求下,需制定不同設備的優化控制策略,以提高空調水系統的運行效率。在氣候適宜的地區,可直接使用自然能源進行冷卻,無需打開機械空調機組,或減少機械冷卻及加熱系統的能源使用。冷卻塔免費供冷是一種不使用制冷機的供冷手段,也被稱為免費供冷,當室外空氣焓值低于室內空氣焓值時,不宜采用加大新風冷源的方法[8]。雖然冷卻塔免費供冷在某些情況下可以替代制冷機組供冷,但是其使用條件較為苛刻,需滿足特定的氣象條件(如室外濕球溫度低于某個值),此方法利用自然冷源,對氣候依賴性較高,在使用過程中需考慮冷卻塔的制冷量衰減問題。原有系統的冷卻塔容量及建筑負荷率大小也會影響冷卻塔供冷的適應性[9]。陳華平[10]為降低卷煙廠空調系統運行能耗,采用冷卻塔間接供冷。結果表明,該方法能達到節能效果。付波等[11]以某煙廠節能改造為例,提出冷凍水泵變頻、提高冷水機組能效比、冬季冷卻塔直接供冷等節能措施,模擬結果表明,其綜合節能率滿足當地綠色工房降低總能耗的要求。

在過渡季節,當車間溫濕度控制難度較低時,采用較高的冷水出水溫度可顯著降低能耗,避免空調機組末端出現過度除濕、除濕后再加濕、冷熱抵消等現象[12]。制冷機的能效與冷凍水溫度密切相關。提高冷凍水溫度可使制冷機在相同時間內處理較少的冷卻水,從而提升能效。制冷機處理的冷卻水減少,就可減少冷卻水用量,節省水資源,令制冷效果得到優化,制冷時間縮短,提高生產效率。吳偉等[13]研究發現,提高冷水供水溫度可降低能耗,由于車間濕負荷小、露點溫度高、熱濕比大,在過渡季節和冬季供冷時,隨著車間冷負荷的降低,提高冷水供水溫度可進一步減少能耗,達到節能效果。蔡君巍等[14]提出調整冷卻塔臺數和縮短冷凍水降溫時間,以達到節能的目的。通過實驗研究,根據室外環境的溫濕度變化來調整冷凍水溫度,可有效提高制冷機運行效率。張小芬等[15]通過實驗證明提高冷凍水供水溫度具有可行性,在負荷率相同的情況下,提高供水溫度可提高制冷機COP。張利宏等[16]設計了冷卻水余熱回收系統,代替蒸汽為再熱系統提供熱能。結果表明,該技術可提高能源利用率、降低生產成本。楊優等[17]研究發現,提高冷凍水溫度能提高制冷系統運行效率,減少空調系統額外的能源消耗。

空調水系統節能主要通過提高制冷機COP和冷卻塔免費供冷等方式,但提高冷凍水出水溫度不能解決高質低用問題。通過提高出水溫度來提高冷機COP只停留在理論分析上,目前還沒有完善的設備及控制策略來實現變水溫運行。提高制冷機冷凍水溫度并不是無限制的,需結合實際情況進行操作。如果冷凍水溫度過高,可能會對制冷效果產生不利影響,對設備產生一定的損害。故在操作過程中需結合實際情況進行調節,以保證制冷效果及設備安全。而冷卻塔免費供冷在某些特定條件下是一種有效的節能手段,但其只有在特殊的外界條件下才可以采用,不能保證連續長時間的穩定運行,無法充分地利用自然冷源,需要結合實際情況進行評估及選擇。卷煙廠對溫濕度控制精度要求較高,目前還不具備采用冷卻塔免費供冷方案的條件。

2.2 風系統節能

卷煙行業對生產車間的空氣“四度”越來越重視,即溫度、濕度、速度及清潔度。

為簡化空調系統的自動控制,車間的空調系統大多只設一次回風,當車間的冷負荷隨室外氣溫變化時,空調系統采用定風量運行,這會增大風機能耗且需進行二次加熱,冷熱抵消,增大空調運行能耗。黃宇慧[18]根據卷煙廠空調系統定風量運行存在的問題分析了采用變風量運行的合理性。通過比較指出,變頻調速變風量運行是最節能的運行方式,以實例說明其具有經濟可行性。李遠進等[19]提出結合空調變風量調節及主副表冷器獨立控制方案,可消除夏季工況下的再熱現象。采用變風量空調系統時,應根據季節特點設置送回風溫差,在冬季和夏季工況下可取較大值,過渡季節取較小值[20]。徐明[21]設計了一種雙通道組合式空調機組,通過焓濕計算控制送風溫濕度的方法調節車間溫濕度。結果表明,該方法能有效消除過渡季節新風利用率低及夏季再熱等問題,提高溫濕度控制精度,降低空調系統能耗,比一次回風系統節能30%。王德吉等[22]提出基于單冷源的空調系統溫濕度獨立控制方法,可有效解決夏季溫濕聯合調節模式下的冷熱抵消問題,提高了空調機組運行效率。

隨著卷煙廠設備的不斷更新、技術不斷改進,其對溫濕度精度及空調系統氣流組織提出了更高的要求。卷煙廠大多為大空間廠房,高度一般在5 m以上,為了便于檢修,在距頂部3 m處設置格柵,將送回風口設置在該處,使車間分為上、下兩部分。這樣上部區域會堆積熱量,對下部區域產生影響。空調系統中的不平衡冷卻分布往往導致不同區域間的冷卻速度差異很大,因此必須延長預冷時間,導致大量的能源浪費。在卷接包車間采用上送集中回的氣流組織,并只設一個回風口,如果回風距離不長,該氣流組織形式能滿足設計要求,但當回風距離較長時,車間氣流溫度場與速度場的均勻性就不能保證,產品質量會受到影響。卷煙廠空調要選用合理的送風參數及形式,以滿足工藝需求,保證環境的舒適性及節能效果。李航等[23]分析了各車間氣流形式,測試了其運行效果,提出了優化方案。邵征宇對原方案進行優化,模擬可調旋流風口結合局部區域噴射風口的送風方式,證明了方案的可行性。趙興等[26]對制絲車間豎直方向溫濕度進行測試,發現將機械通風設置在格柵上可有效排出堆積在車間上部區域的熱量,達到節能效果。張小芬比較了車間常用的上送上回與車間置換通風效果。結果表明,置換通風時溫度分層更明顯,能更好地降低空調能耗。鞏超分析了卷煙廠的空調能耗,提出降低通風空調系統能耗的方案及改進措施。

空調風系統節能主要通過風機變頻及改進熱濕處理等方式節能。風機變頻技術可通過控制電機的轉速來調整風扇風速,減少電機耗能量。還可自動調整電機轉速,使其始終保持在最佳狀態,達到節能的目的。由于車間對溫度需求較高,變頻技術可以更好地控制風機的轉速,對房間的正負壓進行良好的調節,使房間內的溫度更加穩定可靠。但風機效率低,為保證系統在不同工況下的運行效果,選擇風機時通常會留出一定的余量。而風機選型過大會使風機變頻后無法在高效率區工作,尤其是在控制系統混亂時,風機效率會更低。且加大風量會使濕量增加,在恒溫恒濕空調系統中應用有限。改進熱濕處理可提高室內環境舒適度及空氣質量,降低能耗及維護成本。但卷煙廠需嚴格控制廠房內部的溫度及濕度,傳統的熱濕處理方式會存在精度不足的問題,熱濕處理設備需定期維護清潔,造成隱形投資大幅增加。

2.3 空調系統優化控制

供暖、通風及空調(HVAC)系統是公共建筑的主要能源消耗組成[33],降低建筑能耗、推進資源節約與循環利用是重要任務。但在實際運行過程中暖通空調系統能效較低,由于設備故障、控制策略不當等因素,空調系統中有近1/4的能源被浪費。而車間對溫濕度控制有著高精度需求,各類故障和錯誤導致損失更為突出?？照{系統是由多個子系統耦合而成的非線性復雜系統,實際運行能效受各子系統匹配特性與終端用戶使用方式的影響,是一個在多因素作用下動態變化的系統。馬瑞等[36]對利用關聯規則對卷煙廠空調系統進行大數據分析進行研究。結果表明,基于關聯規則的優化方法有較好的應用潛力,可為實際空調的節能改造提供理論基礎及指導。秦寶坤等[37]提出基于關聯規則的傳感器故障實時檢測方法。利用該算法實時采集運行數據,與故障量化特征進行對比,得到系統傳感器故障的實時輸出結果。

HVAC系統是現代建筑中不可或缺的一部分,除了配置高效設備外,HVAC的優化控制是系統運行階段挖掘節能潛力的有效方法。預測空調系統能耗的方法主要有兩種,即物理建模與數據驅動建模。物理建模依賴于明確的熱力學關系,需要物理模型來描述復雜的相互作用,與物理建模相比,數據驅動建模不需要建筑物的詳細參數,可快速準確地計算,通過對歷史能耗數據進行分析及學習,預測未來的空調能耗情況,從而實現系統智能調控、能源需求管理、節能減排,具有重要的意義。借助能耗預測模型能夠大致預測出在不同環境及氣象條件下的能耗,有助于優化能源供應及設備運行。目前,能耗預測模型主要基于人工智能及機器學習方法來建立。羅軍等[38]研究發現,引入能耗預測模型可改善空調新風節能、溫濕度過程控制及空調系統控制等,實現空調系統的智能化運維。李浩[39]采用PLC技術設計了中央空調節能監控系統,經實踐檢驗表明,其具有明顯的節能效果。通過一定前期投入可實現中央空調系統的長期節能,創造更高的經濟及生態效益。陳璐瑤等[40]提出基于深度學習門控循環單元神經網絡的空調系統能耗預測模型,對儲絲車間空調系統能耗進行預測。

在全年的某個特定時刻,根據室外環境及車間的熱濕負荷選擇合理、節能的熱濕處理執行機構是保證溫濕度精度控制的前提。全年多工況控制策略是將全年劃分為多個區域,給每個區域制定一個節能且合理的溫濕度控制模型,確保各時刻的溫濕度控制精度,找到空調系統的最佳節能運行方案[41]。賈炯[42]在分析空調全年變工況運行的基礎上,根據現有空調設備構成情況提出節能運行與空氣處理優化流程及策略,與實測結果進行能耗對比發現,采用該策略具有顯著的節能效果。張小芬[29]提出了一種新的顯熱潛熱全年熱濕負荷分析方法。

空調負荷預測是系統優化控制的基礎,在降低能源消耗的同時提升建筑熱舒適性。但其也面臨著一些問題,預測的準確性受到多種因素的影響,這些因素可能使預測結果出現偏差,甚至導致錯誤的決策。雖然能耗預測模型能夠提供一些參考,但實際運行情況可能存在多種干擾因素。例如,建筑的使用模式、維護及保養情況、用戶行為等都可能影響能耗。故在進行空調負荷預測時需綜合考慮各種因素,提高預測準確性。在設計或改造HVAC系統時,應充分考慮預測結果與實際需求,達到最佳的能源效率。需對這些預測模型進行優化改進,更好地服務于設計及運行實踐?？照{的全面變工況分析有助于提高空調系統的性能表現及可靠性,降低其運行成本。根據全年負荷熱濕分布明確全年任務,為系統設計及制定節能運行策略提供指導。但還需要解決一些實際問題,如不同氣候條件與不同運行階段的性能評估需要大量的實測數據及模擬計算,需要建立科學合理的評估體系及標準。

3 展望

未來,卷煙廠空調節能技術的研究將更加深入及系統化,從多個方面綜合考慮,提出以下展望:采用多工況分區技術,將空調區域劃分為全新風區和非全新風區,通過分區更好地控制各區域的溫濕度及空氣質量,避免不同區域之間的干擾及影響,提高能源利用效率。隨著技術的發展,空調系統將越來越智能化,通過精準供能及定時定點精準供能,實現能源的有效管理。合理調整空調設備運行時間及運行模式,實現更加智能化的能源管理。未來的空調系統可采用先進的控制算法及智能化設備,如使用機器學習[43]來進行精準的溫度及濕度控制,令空調系統更加高效、節能。采用新型空調技術,如地源熱泵技術[44]、水源熱泵技術[45]、空氣源熱泵技術[46]等,提高能源利用率,減小對環境的影響,實現節能減排。卷煙廠空調系統的發展將更加注重環保及可持續性,可使用環保及可再生能源,如太陽能、地熱能等,空調設備本身也更加注重節能減排。

4 結束語

總結了卷煙廠空調系統的節能減排發展現狀,提出以下節能措施:提高制冷機COP,降低其能耗;采用變頻風機,提高系統可調性,降低輸配能耗;優化濕熱處理,提高冷凍水溫度,調整加濕技術;利用環境冷源供冷,調節新風比及冷卻塔供冷;提升空調負荷預測精度,顯著降低能源消耗,提升建筑熱舒適性。為進一步降低卷煙廠空調系統能耗,需對卷煙廠需求及能耗現狀進行測量分析,采用先進的設備和工藝,改善生產流程,優化能源消耗結構,提高利用效率。利用數字化技術及智能化手段對生產過程進行全面監控及優化,提高運行效率及產品質量,降低環境污染,實現經濟效益與社會效益的雙贏。