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(zé)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(diǎn)。空調(diào)自動(dòng)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(duì)具體設(shè)備如傳感器、風(fēng)閥、電動(dòng)執(zhí)行器、加濕器等的控制，后者監(jiān)視及控制空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行，監(jiān)視溫濕度傳感器的實(shí)時(shí)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(fēng)量全空氣空調(diào)系統(tǒng)，空氣負(fù)擔(dān)房間或車間的冷熱負(fù)荷，空調(diào)機(jī)組完成空氣的冷卻、去濕或加熱。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)是根據(jù)工藝要求或規(guī)范確定的，冷負(fù)荷、濕負(fù)荷及室內(nèi)過(guò)程的熱濕比也基本確定，采用“露點(diǎn)”送風(fēng)，即表冷器把空氣冷卻到相對(duì)濕度為90%～95%的狀態(tài)點(diǎn)。在夏季，主要依靠調(diào)節(jié)表冷器冷凍水進(jìn)水流量來(lái)改變空氣處理后的狀態(tài)點(diǎn)（即送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)）。精品線空調(diào)機(jī)組共27臺(tái)，不同區(qū)域功能的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)不同，但冷源只有一處，即由制冷機(jī)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(yùn)行時(shí)，空氣被表冷器處理后再進(jìn)入蒸汽加熱段，既消耗制冷量又多消耗蒸汽再熱量。

本項(xiàng)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(duì)各執(zhí)行部件實(shí)施開關(guān)控制或連續(xù)控制，實(shí)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(yùn)行，在此基礎(chǔ)上針對(duì)去濕再熱工況開展溫濕分控節(jié)能技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)單獨(dú)去濕處理后，再與室內(nèi)回風(fēng)（溫濕度穩(wěn)定且與工藝指標(biāo)接近）混合，利用原有表冷補(bǔ)充處理，避免冷熱抵消浪費(fèi)。

1 研究方案與實(shí)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(jìn)行分區(qū)，工況分區(qū)太多則控制復(fù)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(gè)工況區(qū)域（圖1）。其中，N點(diǎn)為室內(nèi)要求的全年恒溫恒濕狀態(tài)點(diǎn)（ts±2 ℃，φs±5%RH），O 點(diǎn)為滿足室內(nèi) ts、Φs狀態(tài)點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，tW為室外溫度，tO為送風(fēng)點(diǎn)溫度，tN為室內(nèi)溫度，dWx為當(dāng)最小新風(fēng)時(shí)其混合點(diǎn)絕對(duì)含濕量交于dO線。

圖1 優(yōu)化后的焓濕圖工況分區(qū)

運(yùn)行中，點(diǎn)N（ts、Φs）可在中央監(jiān)控微機(jī)上錄入或修訂，不同季節(jié)可對(duì)應(yīng)不同的設(shè)定值。當(dāng)室內(nèi)設(shè)定值變化時(shí)，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)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(dòng)態(tài)的。

1.2 實(shí)施溫濕分控空調(diào)系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，但不能消除冷熱抵消的問(wèn)題。為此，在空調(diào)機(jī)組中增加除濕盤管或在新風(fēng)管道上增設(shè)新風(fēng)除濕功能段。

新風(fēng)處理段（或新風(fēng)處理柜）系統(tǒng)為最小新風(fēng)量設(shè)計(jì)，不需要設(shè)風(fēng)機(jī)，機(jī)組仍按原來(lái)方案設(shè)置。新風(fēng)段內(nèi)的冷水盤管可承擔(dān)全部新風(fēng)負(fù)荷及全部室內(nèi)濕負(fù)荷，機(jī)組內(nèi)的冷水盤管只承擔(dān)降溫功能，其進(jìn)風(fēng)工況為經(jīng)過(guò)除濕處理后的新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)的混風(fēng)狀態(tài)，出風(fēng)工況為該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)送風(fēng)工況。過(guò)渡季及冬季，通過(guò)旁通風(fēng)閥切換，新風(fēng)可直接進(jìn)入機(jī)組。改造完成后，機(jī)組內(nèi)現(xiàn)有表冷器只作降溫作用，不再承擔(dān)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(duì)現(xiàn)有空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，不需要增加控制點(diǎn)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(diǎn)送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相比主要有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是調(diào)節(jié)性好，可實(shí)現(xiàn)溫濕度較嚴(yán)格的控制；二是送風(fēng)溫差小，送風(fēng)量大，控制區(qū)域溫度均勻、穩(wěn)定。缺點(diǎn)是冷熱抵消、能耗大，夏季空氣經(jīng)過(guò)降溫除濕處理后接近露點(diǎn)溫度。如果采取露點(diǎn)送風(fēng)，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(guò)程：新風(fēng)W（室外點(diǎn)）與回風(fēng)N（室內(nèi)點(diǎn)）混合C后被集中處理到新風(fēng)露點(diǎn)L（機(jī)器露點(diǎn)），然后通過(guò)蒸汽再熱到O（送風(fēng)點(diǎn)），以便滿足室內(nèi)溫濕指標(biāo)（N狀態(tài)點(diǎn)）。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(jì)參數(shù)：室內(nèi)設(shè)計(jì)工況，DB26℃，RH 60%，H58.36 kJ/kg；夏季新風(fēng)進(jìn)風(fēng)工況，DB35.0℃，WB28.2℃，H90.58 kJ/kg；新風(fēng)除濕后工況，DB15.2 ℃，RH 95%，H41.17 kJ/kg；新回風(fēng)混合后工況，DB23.76℃，RH 65.9%，H54.78 kJ/kg。其中，F(xiàn)AN2為回風(fēng)機(jī)，CF為過(guò)濾器，CC1為新風(fēng)段冷水盤管，CC2為機(jī)內(nèi)冷水盤管，HC為加熱盤管，HU為加濕器，F(xiàn)AN1為送風(fēng)機(jī)。

從圖3可以看出，室外點(diǎn)W被直接處理至新風(fēng)露點(diǎn)L，與車間N狀態(tài)點(diǎn)混合后達(dá)到C點(diǎn)，C點(diǎn)基本滿足送風(fēng)要求O點(diǎn)：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(shí)現(xiàn)溫濕度的獨(dú)立控制，邏輯更簡(jiǎn)單，精度更高；③不影響過(guò)渡季變新風(fēng)或全新風(fēng)運(yùn)行，不需要改動(dòng)空調(diào)機(jī)組和空調(diào)機(jī)房以外的設(shè)備及設(shè)施，可化整為零分步進(jìn)行，不影響生產(chǎn)。

2 項(xiàng)目成果與效益分析

（1）掌握了新風(fēng)段除濕技術(shù)、新風(fēng)熱濕處理后與回風(fēng)混合后按送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)要求，優(yōu)化了制冷空調(diào)系統(tǒng)控制參數(shù)：一是針對(duì)地區(qū)氣象特性和車間的熱濕負(fù)荷特點(diǎn)，簡(jiǎn)化上述10個(gè)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(shí)根據(jù)室內(nèi)設(shè)定值的變化自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)分區(qū)動(dòng)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(fēng)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(fēng)方式，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量減少到原額定風(fēng)量的80%時(shí)，功率消耗減少到51.2%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在夏季3個(gè)月的時(shí)間內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)接近滿負(fù)荷運(yùn)行，其他季節(jié)系統(tǒng)風(fēng)量可以逐漸降低到80%，按項(xiàng)目完成后實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，單箱耗電下降19.23%。②實(shí)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(xiàng)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)正確的分區(qū)轉(zhuǎn)換、操作順序，節(jié)能運(yùn)行。針對(duì)熱濕聯(lián)合處理空調(diào)系統(tǒng)所面臨的主要問(wèn)題，在現(xiàn)有投資和條件下，嘗試性提出單一冷源熱濕獨(dú)立控制空調(diào)策略，成功實(shí)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(dān)降溫作用，即除濕的任務(wù)由處理潛熱的系統(tǒng)承擔(dān)，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(jī)械制冷方式，制冷機(jī)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(diǎn)溫度，余熱消除末端裝置可以采用輻射板、干式風(fēng)機(jī)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(lái)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(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)（第二版）［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.