某工業(yè)廠房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造與效果評價

豐 敏

上海電氣風(fēng)電集團股份有限公司

0 引言

工業(yè)建筑節(jié)能是指在工業(yè)建筑規(guī)劃、設(shè)計和使用過程中，在滿足規(guī)定的建筑功能要求和室內(nèi)外環(huán)境質(zhì)量的前提下，通過采取技術(shù)措施和管理手段，實現(xiàn)零能耗或降低運行能耗、提高能源利用效率的過程［1］。

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，建筑節(jié)能的重要性越來越受到全社會的重視，對工業(yè)建筑節(jié)能降碳的需求日益迫切［2-3］，而維持生產(chǎn)環(huán)境的暖通空調(diào)能耗及其他動力系統(tǒng)能耗是工業(yè)建筑能耗的重要組成部分，亟須采取有效措施，降低能耗，實現(xiàn)節(jié)能減排［4］。

目前，包括GB 51245—2017《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》［1］在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工業(yè)建筑節(jié)能措施雖較為完善，但缺少結(jié)合生產(chǎn)工藝特征的改造方案。

基于上述背景，本文根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)某工業(yè)廠房實際系統(tǒng)及能耗特征，結(jié)合生產(chǎn)工藝流程，有針對性地進行了節(jié)能改造，為其他類似工業(yè)廠房的節(jié)能改造提供參考。

1 改造前空調(diào)系統(tǒng)用能情況及能耗分析

1.1 改造前空調(diào)系統(tǒng)用能情況

1.1.1 冷熱源系統(tǒng)

該工業(yè)廠房位于浙江省嘉興市海鹽縣，屬于夏熱冬冷地區(qū)。工廠分為I期和II期，分別于2009年和2012 年投運。夏季車間分別采用兩臺1 044 kW、1 218 kW 開利螺桿冷水機制冷，冬季采用燃油鍋爐供熱，年耗柴油量約50 t。I、II 期供冷、供熱使用同一管網(wǎng)，相互連通，熱水供回水溫度為45 ℃/40 ℃，冷水7 ℃/12 ℃。

1.1.2 冷、熱負(fù)荷分析

根據(jù)調(diào)研得知，供能范圍內(nèi)各建筑除個別車間需24 h 供能外，大部分車間供能時間均為6：30-23：30，周日不供能。通過采用能耗模擬軟件，得出典型日逐時冷、熱負(fù)荷（見圖1、圖2）。

圖1 典型日逐時冷負(fù)荷

圖2 典型日逐時熱負(fù)荷

通過分析，工廠峰值冷負(fù)荷約3 400 kW，峰值熱負(fù)荷700 kW，工廠采暖期為11月1日至次年2月8 日，共計100 d。制冷期為5 月1 日至10 月20 日，共計173 d，計算得出全年累計耗冷量及耗熱量見表1。

表1 工廠峰值負(fù)荷及年供能量

改造前三年工廠供冷、供熱能耗，平均耗電量為149.9 萬kWh/年，平均柴油耗量49.5 t/年，折算標(biāo)煤能耗256.4 tce/年，空調(diào)能源總費用為135.6萬元/年（見表2）。

表2 改造前三年能耗情況

2 節(jié)能潛力分析及改造措施

2.1 充分利用廠區(qū)余熱資源

2.1.1 釬焊爐余熱回收

廠區(qū)有24 h 運行的大功率釬焊爐，爐膛采用冷水（水流量約為420 m3/h）降溫，通過爐膛的冷卻水溫度升高約5 ℃，出水溫度根據(jù)季節(jié)不同約為20～35 ℃。升溫后的冷卻水通過冷卻塔散熱導(dǎo)致大量余熱被浪費。

為此，采用板式換熱器對高溫冷卻水中的熱量進行回收利用，工藝路線圖見圖3：從釬焊爐爐膛出來的高溫冷卻水（平均25 ℃）進入污水池蓄存后，通過板式換熱器對進入水源熱泵的常溫水進行預(yù)熱，預(yù)熱后的水再進入水源熱泵制熱，被冷卻的爐膛水再回到高溫爐膛降溫冷卻，如此循環(huán)，實現(xiàn)對高溫爐膛的余熱回收。經(jīng)測算，可回收熱量878 kW，滿足廠區(qū)采暖熱負(fù)荷，但要滿足采暖溫度的話，還需提高余熱品質(zhì)。

圖3 釬焊爐余熱回收工藝路線圖

2.1.2 空壓機余熱回收

空壓機余熱回收系統(tǒng)的改造只需在空壓機油管上串聯(lián)熱回收器即可?？諌簷C熱回收效率夏季可達(dá)75%，冬季50%以上，熱回收水溫50～80 ℃（具體視氣溫及空壓機加載率決定）。不回收熱量時，空壓機散熱方式跟改造前相同，增加熱回收由于油溫下降，產(chǎn)氣量增加，系統(tǒng)壽命得以延長。

項目有兩臺75 kW 的空壓機，分別在空壓機油管上各串聯(lián)一熱回收交換器，采用直熱型方案，如圖4 所示。市政自來水（2～30 ℃）進入空壓機熱回收器后與空壓機管道內(nèi)80～90 ℃的高溫油氣混合物進行熱交換，將水加熱到45 ℃左右，與熱泵系統(tǒng)共同為車間供暖。若用熱點與空壓機房相隔較遠(yuǎn)，可增設(shè)增壓泵保證水循環(huán)壓力。

圖4 空壓機余熱回收工藝路線圖

按全年熱回收效率50%保守估算，兩臺75 kW空壓機回收的總熱量至少為75 kW。

2.2 優(yōu)化冷熱源機組容量，更換老舊機組

工廠制冷依靠4臺開利螺桿冷水機（1 044 kW×2 臺+1 218 kW×2 臺），大部分時間負(fù)荷均在50%以下，極少達(dá)到75%，因此冗余量較多。此外，I 期兩臺1 044 kW 機組于2009 年投運，運行時間較長，機組COP 低，冬季采暖主要依靠燃油鍋爐，污染嚴(yán)重。

根據(jù)表1 可知，冷負(fù)荷峰值為3 400 kW，熱負(fù)荷峰值為700 kW，可采用集制冷、制熱于一體的熱泵機組。磁懸浮變頻離心式熱泵機組具有穩(wěn)定可靠、高效節(jié)能、寧靜低噪等優(yōu)點。項目選擇1臺單機容量為1 035 kW 的磁懸浮變頻離心式水源熱泵機組，夏季與現(xiàn)有兩臺1 218 kW開利螺桿冷水機共同承擔(dān)廠區(qū)用冷，冬季與余熱回收承擔(dān)廠區(qū)用熱，替代燃油鍋爐。

2.3 利用峰谷價差，降低空調(diào)運行費用

工廠除個別車間需24 h 供能外，其余車間供能時間均為6：30-23：30，冷、熱負(fù)荷具有明顯的周期性、波動性，且當(dāng)?shù)胤骞入妰r差距較大。

因此，可充分利用峰谷價差，采用蓄能水罐，一罐兩用，夏季蓄冷，冬季蓄熱。夏季利用水蓄冷，在低谷電價時段運行制冷機組，將冷量儲存在冷水中，白天負(fù)荷高峰時釋放；冬季利用廠區(qū)穩(wěn)定的余熱制備熱水，夜間蓄存，白天釋熱，降低采暖費用。

2.4 改造后空調(diào)系統(tǒng)工藝路線

改造后空調(diào)制熱及制冷模式工藝路線圖見圖5和圖6。

圖5 空調(diào)制熱模式工藝路線圖

圖6 空調(diào)制冷模式工藝路線圖

1）制熱模式

從釬焊爐出來的低溫低位熱能資源通過一臺磁懸浮變頻離心式水源熱泵機組，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能的轉(zhuǎn)移，滿足采暖供水溫度45 ℃的要求。從空壓機出來的余熱品質(zhì)較高，經(jīng)過板式換熱器換熱后的熱水直接供采暖使用。利用蓄能水罐在谷電時對熱水進行蓄存，峰電時放出，達(dá)到削峰填谷、降低空調(diào)運行費用的效果。

2）制冷模式

采用1 臺磁懸浮變頻離心式水源熱泵機組+原有的2臺螺桿冷水機共同滿足工廠的制冷需求。利用蓄能水罐在谷電時對冷水進行蓄存，峰電時釋放，達(dá)到削峰填谷、降低空調(diào)運行費用的效果。

3 效果評價

3.1 節(jié)能效益預(yù)估

根據(jù)測算，工業(yè)廠房空調(diào)系統(tǒng)實施節(jié)能改造后可節(jié)約114.3 tce/年，綜合節(jié)能率44.6%，節(jié)約能耗費用70.5 萬元/年，能耗費用降低52.0%（見表3）。

表3 節(jié)能效益預(yù)估

3.2 實際節(jié)能效益

節(jié)能改造完成后，統(tǒng)計2022 年能耗數(shù)據(jù)，全年合計節(jié)約能耗120.1 tce，與改造前256.4 tce 相比，實際節(jié)能46.8%，節(jié)約費用74.0 萬元，能耗費用降低54.6%。

3.3 效益分析

通過對比改造前預(yù)估節(jié)能效益及改造后實際節(jié)能效益，廠房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造達(dá)到了預(yù)期效果，實際節(jié)能量由預(yù)估的44.6%提升到了46.8%，能耗費用降低率由預(yù)估的52.0%提升到54.6%，此外，充分利用現(xiàn)有余熱資源，結(jié)合水源熱泵技術(shù)替代燃油鍋爐，低碳環(huán)保，實現(xiàn)了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。

4 總結(jié)與思考

1)充分調(diào)研，掌握用能特點

項目在改造前進行了大量的調(diào)研，摸清實際需求，分析能耗特性，為后期有針對性的改造打下了堅實的基礎(chǔ)。

2)因地制宜，挖掘節(jié)能潛力

項目充分利用工廠釬焊爐和空壓機的余熱資源，替代燃油鍋爐滿足冬季采暖需求，低碳環(huán)保，大大降低了采暖費用。

3)優(yōu)選設(shè)備，提高運行效率

項目優(yōu)選名牌磁懸浮水源熱泵機組、變頻主機、高效水泵等設(shè)備，一機兩用，替換較為老舊的螺桿冷水機和燃油鍋爐，并結(jié)合實際用能優(yōu)化容量配置，防止冗余，大大提高了機組運行效率。

4)削峰填谷、降低運行費用

項目充分考慮了工廠用能時段的特點，利用當(dāng)?shù)胤骞葍r差，采用蓄冷蓄熱技術(shù)，削峰填谷，進一步降低了空調(diào)運行費用。