空氣調節節能技術研究與應用

呂喆安 薛焱 索東盛

（上海煙草集團有限責任公司天津卷煙廠 天津 300163）

1 引言

工廠空調系統節能技術研究與應用對于企業發展具有重要的節能降耗與經濟意義，同時也是符合國家目前的環境保護和可持續發展政策。卷煙企業工藝生產過程中產熱、產濕、產塵，車間面積較大，負荷影響因素較多，經常24小時連續生產，且恒溫恒濕控制精度較高，空調系統相對復雜。如何更好滿足車間溫濕度及空氣品質的要求，同時又盡可能地減少能源的消耗，本文進行了深入淺出的分析，提出現有節能研究的不足之處及今后的研究方向，且結合工廠實際，提出了幾項具有可實施性的節能措施。

2 系統簡介

2.1 空調系統簡介

煙廠動力中心為工廠各生產過程提供能源保障，負責工廠主要能源的過程控制?？照{運行過程耗用大量電、水、蒸汽等一、二次能源，是工廠能耗中的重要組成部分。對于卷煙企業，空調系統的能源消耗來自如下幾個方面：

圖1 組合式空調原理示意圖

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

2.2 空調系統多工況控制策略

空調節能的三大原則：（1）最大限度利用室外新風冷源；（2）最大限度減少制冷機運行周期；（3）最大限度減少蒸汽和電力消耗。

文章提出的空調系統全年多工況控制策略節能方法，自2012年度已在我廠空調系統運行中運用。全年多工況控制策略是指在全年某一特定時刻的室外氣象條件和車間熱濕負荷條件下，能否選擇最合理、最節能的熱濕處理流程及手段，是卷煙企業空調自控系統能否保證溫濕度精度及節能的前提條件。全年多工況控制策略將全年劃分為若干個工況區域，在每個工況區域內制定出一個最合理、最節能的溫濕度控制模型，保證全年各時刻的溫濕度控制精度，尋求空調系統的最佳運行方案。

空調溫濕度主要控制參數有：

（1）車間空氣溫度（tn±△t，℃）

（2）車間空氣相對濕度（Φn±△Φ，%RH）

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

2.3 空調系統的節能潛力

由于煙廠車間的大部分設備產熱量大，空調系統大部分時間都要送冷風來維持工房內的溫度平衡（tS

根據上述分析，在保證工房溫、濕度的前提下，空調系統從調節送風量和根據季節天氣全年多工況調節這兩個方面有著不錯的節能潛力。

3 空調節能方案研究

3.1 技術方案一——空調系統變風量運行

空調系統中，風機風量（L）與電機功率（N）存在以下關系：

當L1=0.8L0時，N1=0.512N0，即當風量減小到80%時，風機的功率減少了一半。

風機風量與電機功率關系曲線如下圖所示：

圖2 風機風量與電機功率關系曲線

因此，在工廠的空調系統設計安裝階段，空調風機選擇變頻風機，在車間生產趨于平穩的情況下，根據車間的溫濕度波動不斷優化空調系統的控制參數，將風機變頻器設置在40Hz~50Hz范圍內，當外界非極端天氣時，空調電機基本都保持在40Hz運行，車間溫濕度月均Cpk值達到1.33以上，節約電能50%左右。

3.2 技術方案二——全年多工況控制方式

采用全年多工況控制方式，在過渡季節加大新風的利用，輔助加熱和加濕閥的操作，縮短制冷機開啟周期，節約用電量。

圖3 焓濕度多工況分區圖

表1 焓濕度多工況分區表

3.2.1 一區：冬季加熱加濕區

由于新風溫度低于送風溫度，以蒸汽加濕閥為濕度調節手段，蒸汽加濕閥熱蒸汽所攜帶的熱量正好可以提高送風溫度，減少加熱閥的開度；溫度調節通過調節加熱閥來完成；當室內出現異常熱量干擾時，如加熱閥已經完全關閉，則通過提高新風量進行降溫。

3.2.2 二區：過渡季，冷卻加濕區

由于室外新風的焓值也在室內等焓線以下，蒸汽加濕過程中產生的溫度升高情況可以采用適當開啟新風閥來降低溫度，從而減少了表冷閥的使用，縮短了制冷系統的開啟周期，節約了電能。

3.2.3 其他工況區域

對于其他工況區，（包括三區：過渡季，冷卻加濕區；四區：夏季，冷卻加濕區；五區：極端工況，冷卻除濕區；六區：極端工況，冷卻除濕區）我們通過設備的實際運行狀況，總結出了卷包車間6臺組合空調自動調節狀態下各機段閥門開啟的范圍，以及自控狀態出現異常時，手動開啟閥門的建議調整范圍，有效的避免閥門的過度開啟或開啟不足可能造成的送風過熱、過冷、送風帶水或區域溫濕度失控等狀況。

3.3 技術方案三——提高冷凍水溫度

表2 制冷系統設備開啟情況

經過分析，發現整個制冷期當中，夏季工況，制冷系統基本已經為滿負荷運轉，為保證工藝指標我們不做研究，我們把此次項目的研究重點放在了過渡季節制冷系統的運行上。

根據制冷系統工作原理，在滿足室內空調效果的前提下，隨著空調冷水供水溫度的升高，冷水機組制冷劑的蒸發溫度升高，冷水機組的單位制冷量能耗降低。

設定不同的制冷機組供水溫度，在平穩運行2h后，分別記錄蒸發器蒸發溫度狀態，如表3所示。由于冷水機組的最低設計蒸發溫度不得低于2℃，所以供水溫度最低為5℃。同時，考慮到高濕度天氣下組合空調的除濕效果，表冷器有效除濕溫度不得高于10℃，所以冷水機組最高供水溫度為9℃。

按照公式

式中：

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

表3 蒸發器、供水溫度及單位制冷量能耗對照表

上表可以看到，按照理想狀態，供水溫度為9℃時要比供水溫度為7℃時節能9.5%。因此，最終選定供水溫度為9℃。

4 改造后的節能效益分析

4.1 改造情況

4.1.1 重新調整空調風機的變頻器設置，天氣溫和時低頻運行，節約電能。

4.1.2 對空調加濕閥、加熱閥、表冷閥按照不同工況進行PID參數的優化，保障空調送風溫、濕度的穩定性，保證工藝指標Cpk≥1.33，并起到節約蒸汽和制冷機冷凍水冷量消耗的目的。

4.1.3 回風閥和排風閥的開度根據風閥面積和新風閥的開度制訂調節模式；新風閥全年調節最大開度為80%，最小開度為20%；回風閥全年調節最大開度為100%，最小開度為40%。

4.1.4 空調設備的加濕器按季節工況設置最大開度，以防非干燥季節因超調將空氣瞬間加溫至過飽和狀態，導致送風中“飄水”現象。

4.1.5 在三至六區需開制冷機，第一、二區停制冷機。

4.1.6 在過渡季節提高制冷機冷媒水的出水溫度。

4.2 節能效果分析

4.1.1 制冷系統

根據“天津卷煙廠能源管理系統”的制冷系統耗電記錄，我們將2012年10月份和2013年10月份做一個橫向對比：

圖4 2012 年10 月份和2013 年10 月份電量橫向對比

按照全年4個月的過渡季節計算，全年節約用電量約68000kW·h，按照0.88元/度計算，折合人民幣6萬元。

4.1.2 空調系統

（1）變頻器變頻節能

卷包車間使用的空調由送風機和回風機兩個風機，送風機功率（55kW），回風機功率（22kW）。由公式（1），當L1=0.8L0時，N1=0.512N0，即當風量減小到80%時，風機的功率減少了一半。六臺組合空調，按照工業用電0.82元/kW·h，每年有半年是非極端天氣計算，每年節約用電費用約合80萬元。按照多工況方式只開啟5臺空調設備每年節省約66萬元。

（2）采用多工況控制方式，減少空調開啟臺數節能

卷包車間使用的空調由送風機和回風機兩個風機，送風機功率（55kW），回風機功率（22kW）。

按照六臺組合空調計算：

N1=0.512N0

（55+22）（kW）×6（臺）×24（h）×0.512=5677kW·h

按照工業用電0.82元/kW·h計算：

每天節省0.82×5677kW·h=4655元

按照每年有半年是非極端天氣計算

每年節省4655×365×0.5≈85萬元

5 結語

在室外環境溫濕度相似、車間生產負荷變化不大的情況下，采用多工況控制方式調節空調系統的運行狀態，在節能經濟性與溫濕度指標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境溫、濕度影響較大，工房溫、濕度波動較大，尤其在極端天氣時需要手動操作，受操作人員技術原因影響較大。

5.3 采用多工況控制方式，過渡季節更多的利用了新風的參與，除了帶來的直接經濟效益以外，新風量的增大也加大了車間內的換氣次數，對于煙廠這種特殊工藝的車間，增加換氣次數對操作人員的身體健康是一個保障。

5.4 采用多工況控制方式，空調系統的平均節電率為24.4%。

5.5 從節能投資收益分析，采用多工況調節方式，每年比未實施項目前平均節省電費157萬元。

[1]李先庭,王鵬飛,胡海峰,等.合同能源管理在我國供熱空調系統中的應用前景分析[J].制冷空調與電力機械,2005,26(2):1-5.

[2]付祥釗.夏熱冬冷地區建筑節能技術[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[3]杜志敏.變風量空調系統故障特性分析與診斷[D].上海：上海交通大學，2009.

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