水蓄冷空調系統在紡織廠的應用

張飛躍

(天津工業大學,天津300160)

水蓄冷空調系統在紡織廠的應用

張飛躍

(天津工業大學,天津300160)

文章分析蓄冷水池的工作原理和過程,以上海某細紗車間為例,介紹了全自動焓值控制系統工作過程,以某織布工廠為例,分析了水蓄冷空調系統的經濟性,從而得出結論：水蓄冷空調系統的節能效果顯著。

水蓄冷;空調;紡織廠;焓值;冷機;水泵;節能

目前我國電網的峰谷差逐年增大,平衡電網的用電負荷是十分必要的。水蓄冷空調系統利用夜間低谷電力制冷,將冷量以冷凍水的形式蓄存起來,在用電高峰或空調負荷高峰時段向工廠釋冷,可以平衡電網負荷,提高制冷機組運行效率,節約運行費用。紡織廠夏季車間冷負荷較大,若以電制冷機作為冷源,在夏季的生產中,電費支出較大。針對這種情況,在紡織空調中采用水蓄冷技術,可充分利用夜間的廉價電來生產冷凍水。水蓄冷空調系統在洛瓦全自動焓值控制系統下高效節能運行,可以給用戶帶來較好的經濟效益。

1 紡織廠水蓄冷介紹

1.1 蓄冷工況

蓄冷工況時,制冷機、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水一次泵和水池是一個獨立的制冷循環系統,見圖1。紡織車間的負荷變化和噴淋室冷凍水需量的變化都不會直接影響制冷機的運行。在過渡季節,當新風焓值和車間送風焓值差距不大的時候,采用自動控制的傳統空調制冷機將會頻繁啟停,低負荷運行,運行效率低,而水蓄冷空調系統則不會產生此狀況。蓄冷工況的控制通常采用手動和自動相結合方式,即將洛瓦的自動控制系統和制冷機的控制系統相結合。當低溫水池的溫度高于l2℃時冷機開啟。當低溫水池的溫度達到5℃時,冷機關閉。手動控制也是必須的,在電價的高峰時段,強制關閉冷機,在電價低谷時段,滿負荷開啟冷機。

圖1 水蓄冷系統流程圖

1.2 釋冷工況

冷凍水二次泵的“按需供水”是洛瓦的核心技術之一,通過強大的控制系統實現不同的供回水溫差。變頻控制的冷凍水二次泵根據噴淋空調系統需要的冷量,自動計算出所需要的水量,并將所需要的冷凍水送到噴淋室。從而杜絕浪費水量,不會有多余的冷凍水回水產生。當冷凍水量不夠時,系統采取變露點并結合序列控制(送風閥、水泵變頻、風機變頻),保證相對濕度的穩定,供水量是不斷變化的。

1.3 聯合供冷工況

對于全天運行的紡織廠,由于冷負荷需求量較大,通常除了電價高峰值的時間,冷機都是開啟的。最近幾年來,全國各地夏季高溫天數逐漸增多,所以全天使用冷凍水的幾率增大。

1.4 蓄冷水池

蓄冷水池可以利用紡織廠的消防水池、蓄水池,建筑地下室等改造后使用,通常采用自然分層水平隔離式蓄冷水池。經過合理的設計和高效的保溫,蓄冷效率可以達到85％～95％。根據水的體積質量特性(高于4℃的水的體積質量和溫度成反比),溫度較高的回水漂浮于溫度較低的冷凍水之上,兩者緩慢混合,確保溫度分層穩定。蓄冷時,冷水從一個蓄冷槽的底部進入第二個槽中,依此類推,最終所有的蓄冷槽中均為冷水。釋冷是相反的過程。蓄冷水池的保溫隔熱要嚴格按照設計要求執行,良好的保溫防潮能大大提高蓄冷的效率。通常水池的底部采用50mm厚的聚氨酯泡沫塑料現場發泡,另加防潮隔氣層和鋼筋混凝土。水池四周保溫采用50mm厚的聚苯乙烯泡沫保溫板加防潮隔氣層,外用磚砌護墻,水泥沙漿護面。水池蓋板也用50mm聚苯乙烯泡沫保溫板,外加三油三氈防潮隔氣層后,再以鋼筋混凝土薄板護面,外加水泥沙漿。

2 冷凍系統的焓值控制

洛瓦設計的水蓄冷空調系統通過精確的焓值控制,可使制冷機運行的時間降到最低。如某細紗車間空氣狀態點的參數見表1,三個空氣狀態點在焓濕圖上的區間分布見圖2。

表1 某細紗車間空氣狀態點

圖2 焓濕圖三區間示意圖

當新風的焓值小于送風點的焓值時,即a區間,冷凍水二次泵自動停止運行,新風閥門自動開啟到合適的開度以保證室內空氣溫濕度。當新風的焓值大于送風點的焓值并且小于回風點的焓值時,即b區間,新風閥全部打開,同時提供部分冷凍水。夏季大約有一半時間處于該狀態,由于新風焓值不停的波動導致冷凍水的需求量也不停的波動,采用水蓄冷裝置,不僅使系統穩定運行而且二次泵變頻控制能夠最大限度地節能和精確控制溫濕度。如果采用一次泵系統,制冷機很難適應頻繁調節。當新風的焓值大于回風點的焓值時,即c區間,新風閥全部關閉(最小新風運行),冷凍水開啟,水量根據實際負荷自動調節。按照表1的參數,如果供冷周期為6月10日到10月10日,根據上海市2007年的氣象資料統計其每個小時的新風焓值(見圖3),在整個供冷期中新風焓值在3個區間的所占比例差不多,即各占約1/3(供冷期間有32.25％的時間完全不需要冷凍水,有36.79％的時間使用全新風和部分冷凍水)。通過進一步統計得到在夏季最炎熱的7月、8月兩個月中,有6.6％的時間不需要使用冷凍水(44.3％時間需要使用全新風和部分冷凍水)。

圖3 2007年上海市空氣焓值分布圖

通過焓值控制再輔以水蓄冷裝置,充分利用a區間的時間來蓄冷,最大限度地利用a、b區間的新風,降低冷凍水消耗量,節能較為可觀。

3 水蓄冷的經濟性分析

以某24h運轉的織布廠為例分析其經濟效益。由于紡織廠空調不間斷運行,所以為了保證一定的蓄冷時間以及車間設計溫度,冷機選型需要增大,如果是間斷運行的工廠,可以根據間斷的時間來減小冷機大小。計算投資費用時不考慮水池建造費用以及噴淋水泵、風機、備用泵、電氣等相關設備的費用,僅包括了制冷站中冷機、水泵和冷卻塔的費用。

3.1 裝機功率

織布廠所需空調制冷量為1541 kW。常規選型所需機組設備為：制冷機制冷量1583 kW,功率299 kW;冷卻塔300m,功率11 kW;冷凍水一次泵流量 4.31×10-4m3/h,揚程 16m,功率 11 kW;冷凍水二次泵流量 5.07×10-4m3/h,揚程17m,功率15 kW;冷卻水泵流量7.62×10-4m3/h,揚程22m,功率22 kW。所需水池體積28m3,設備總輸入功率358 kW。水蓄冷選型所需機組設備為：制冷機制冷量2286 kW,功率431 kW;冷卻塔500m,功率15 kW;冷凍水一次泵流量5.07×10-4m3/h,揚程 15m,功率 15 kW;冷凍水二次泵流量5.07×10-4m3/h,揚程17m,功率15 kW;冷卻水泵流量1.02×10-4m3/h,揚程22m,功率37 kW。水蓄冷選型冷凍部分設備的總輸入功率為513 kW。供回水溫差都以10℃計算。

3.2 蓄冷水池體積計算

通過織布廠所在地的三費率電價圖(見圖4)可得：運行時段1(冷機開),節余4h蓄冷量;運行時段2(冷機停),節余2h蓄冷量;運行時段3(冷機開),節余4.5h蓄冷量;運行時段4(冷機停),節余1.5h蓄冷量;運行時段5(冷機開),節余3h蓄冷量;運行時段6(冷機停),蓄冷量全部耗盡。我們可以看出,水池最大的蓄冷時間是4.5h。經計算,蓄水溫差為10℃時,最大蓄水池體積為1.78×10-3m3。實際上根據車間的逐時冷負荷,我們將該水池的體積確定為0.64×10-3m3,也達到了很好的蓄冷效果,只是在冷負荷最高的時刻,車間溫度稍微升高了幾度而已。

圖4 某織布廠所在地的三費率電價圖

3.3 冷凍部分投資回收期計算

常規選型的冷凍部分設備投資估算為110萬元,水蓄冷選型冷凍部分設備投資為160萬元,以下介紹相差50萬元的回收周期。

3.3.1 靜態投資回收期計算

假設每年冷機運行時間為4個月,冷負荷均勻分布,新風使用率不超過3％,不考慮設備折舊和資金投入的收益率等情況。根據圖3所示的三費率電價可得,常規選型每天電費為4622.5元,蓄冷選型每天電費為3311.9元,每天節省電費約1311元。若每年運行4個月,理想情況下3.18年即可收回投資;運行3個月情況下,4.24年可收回投資。實際上每個時刻的冷負荷是不均勻的,根據實際負荷率,計算可知投資回收期為4.8年。

3.3.2 動態投資回收期計算

假設常規選型的設備運行8年報廢,8年后殘值為零,基準投資收益率定為8％。水蓄冷選型的設備(每天只運行2/3的時間,故運行時間較長,每年的固定折舊相對較少)運行12年報廢,12年后殘值為零。假定電費以外的固定運行費用相等,計算得到：常規選型每年計提折舊19.14萬元,考慮折現率,8年總計153萬元。水蓄冷選型每年計提折舊21.23萬元,考慮折現率,12年總計254.8萬元。若每年按運行90天計算,每年電費節省11.8萬元,考慮資金時間價值,至第8年時,電費節省現金總流量為125.5萬元,至第12年時,電費節省現金總流量為224萬元。若按照每年運行120天計算,每年電費節省15.73萬元,考慮資金時間價值,至第8年時,電費節省現金總流量為167.3萬元。至第12年時,電費節省現金總流量為298.48萬元。顯然,至第12年的電費節省額已經大大超過常規選型的折舊總額,而且水蓄冷系統還能繼續運行。

4 結束語

水蓄冷空調系統利用峰谷電價差,平衡電網負荷,節約運行費用。紡織廠的空調冷凍水能夠以大溫差運行,降低設備裝機功率和蓄水池的尺寸。水蓄冷空系統需要全程進行焓值控制,能夠最大程度上降低制冷站的耗能,最大程度地利用新風。由于新風的焓值千變萬化,設置蓄冷水池能夠防止制冷機頻繁啟停以及低負荷運行。在24h運行的紡織廠,需要加大制冷機和其他設備,雖然初投資增加,但是投資回收期短,尤其適用于夜間不使用空調的工廠。

[1]方貴銀,陳則韶.蓄冷空調系統經濟分析與比較[J].能源研究與信息,2000,16(4)：23—27.

[2]黃翔.紡織空調除塵技術的新進展[J].棉紡織技術,2008,36(3) ：1 —5.

Apply Chilled Water on Thermal Storage Air Conditioning System in Textile Mill

Zhang Feiyue
(Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China)

Working principle and process of chilled water thermal storage tank were analysed.One of Shanghai spinning mill was taken as example to show working process of full automatic enthalpy control system.One of weaving mill was taken as example to analyse economical efficiency of chilled water thermal storage air conditioning system.The result shows that the energy saving effect of chilled water thermal storage air conditioning system is remarkable.

chilled water thermal storage;air conditioning;textile mill;enthalpy;refrigerator;water pump;energy-saving

TS108.6+13

：B

：1009-3028(2011)02-0044-04

2011-02-18

張飛躍(1988—),男,天津人,學士。