煙草工業(yè)制冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能探索

于凌巍，韋偉

（1.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)制造中心，山東 濟(jì)南 250014；2.安徽工業(yè)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243100）

為保證卷煙產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備的穩(wěn)定，卷煙企業(yè)配置了中央空調(diào)系統(tǒng)，調(diào)控車間空氣溫、濕度，滿足要求的工藝指標(biāo)。但是，消耗也隨之升高，中央空調(diào)系統(tǒng)的耗電量占卷煙生產(chǎn)電耗的20%以上，是卷煙能耗的重要組成部分,也是卷煙廠的節(jié)能重點(diǎn)。

卷煙生產(chǎn)工藝過(guò)程中產(chǎn)熱、產(chǎn)濕、產(chǎn)塵、車間面積較大，負(fù)荷影響因素較多，經(jīng)常24h連續(xù)生產(chǎn)，且恒溫恒濕控制精度較高，因此，制冷空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。對(duì)如何能更好地滿足車間溫濕度及空氣品質(zhì)的要求，同時(shí)又盡可能地減少能源的消耗目前已經(jīng)有一定的研究，也已提出了一些節(jié)能措施，但是，仍然缺乏一定的系統(tǒng)性。對(duì)卷煙廠的需求及現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)形式存在問(wèn)題的認(rèn)識(shí)還不夠深入。因此，本文從空調(diào)節(jié)能的角度出發(fā)，提出了適合制冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的改進(jìn)方法。

1 問(wèn)題的提出

經(jīng)系統(tǒng)形式的分析和調(diào)研，卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)形式有以下問(wèn)題：

1.1 新風(fēng)使用的問(wèn)題

為實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行調(diào)節(jié)，通常采用多工況分區(qū)進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是以往的工況分區(qū)和推薦工況的最佳處理過(guò)程，主要考慮的是充分利用室外冷源，在過(guò)渡季盡量采用全新風(fēng)。

1.2 空氣加濕冷卻處理過(guò)程的優(yōu)化問(wèn)題

在具體實(shí)施過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)缺少絕對(duì)濕度的比較。由于在空調(diào)系統(tǒng)上位機(jī)上一般僅有溫度和相對(duì)濕度的顯示，所以在新風(fēng)利用時(shí)，僅能對(duì)室內(nèi)外溫度做出直觀的比較，而對(duì)室內(nèi)外濕度的把握不準(zhǔn)確，造成新風(fēng)的利用過(guò)度（需要進(jìn)行濕度補(bǔ)償）或利用不及時(shí)。

經(jīng)調(diào)查卷煙工廠空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)有的加濕方式主要有：等溫加濕、等焓加濕兩種。但是，部分卷煙廠空調(diào)機(jī)組內(nèi)同時(shí)安裝有兩種類型的加濕器(蒸汽加濕器和等焓加濕器)，在運(yùn)行中，常常存在兩種加濕器同時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)，不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。例如蒸汽加濕和氣水加濕器同時(shí)使用時(shí)，噴出的蒸汽遇到低溫的水柱會(huì)發(fā)生凝結(jié)，造成了加濕量的損失。

1.3 冷熱相抵或過(guò)度的問(wèn)題處理

恒溫恒濕時(shí)會(huì)產(chǎn)生悖論，一般采用溫度和濕度補(bǔ)償?shù)霓k法，會(huì)造成表冷器的冷卻除濕和加熱器、加濕器的再熱再濕相互抵消，存在2～3種閥門(mén)同時(shí)開(kāi)啟的現(xiàn)象，如圖1所示，造成能源浪費(fèi)。

圖1 空氣處理過(guò)程中的冷熱相抵及過(guò)度處理

例如，在夏季表冷閥開(kāi)度過(guò)大，會(huì)造成除濕量過(guò)大，為了補(bǔ)償這一部分濕度，就需要開(kāi)啟加濕閥，造成了能源浪費(fèi)。而此時(shí)如果減少表冷閥開(kāi)度（在保證溫度指標(biāo)合適前提下），可以避免加濕閥的開(kāi)啟。

2 解決思路和方法策略

目前卷煙廠已在水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)兩個(gè)方面對(duì)空調(diào)節(jié)能進(jìn)行了研究。針對(duì)上文的所提出的問(wèn)題給出的解決思路和方法策略，主要從新風(fēng)的合理利用、空氣加濕冷卻處理過(guò)程的優(yōu)化、冷熱相抵和過(guò)度處理以及制冷系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)的配合運(yùn)行四個(gè)角度進(jìn)行論述。

2.1 新風(fēng)的合理利用

新風(fēng)屬于免費(fèi)能源，在空調(diào)系統(tǒng)區(qū)域中溫濕度的控制精度得到確保的同時(shí)，利用室外的新風(fēng)來(lái)降低空調(diào)區(qū)域的溫度，使制冷主機(jī)的運(yùn)行時(shí)間減少，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。減少制冷空調(diào)系統(tǒng)能源消耗。新風(fēng)的使用，取決于室外空氣(w點(diǎn))和室內(nèi)空氣(n點(diǎn))的溫度(t)、和濕量(d)之差，如圖2所示。當(dāng)室外空氣(w點(diǎn))處在1區(qū)域內(nèi)時(shí)，增加新風(fēng)閥開(kāi)度，起到升溫、除濕的作用；當(dāng)室外空氣(w點(diǎn))處在2區(qū)域內(nèi)時(shí)，增加新風(fēng)閥開(kāi)度，起到升溫、加濕的作用；當(dāng)室外空氣(w點(diǎn))處在3區(qū)域內(nèi)時(shí)，增加新風(fēng)閥開(kāi)度，起到降溫、除濕的作用；當(dāng)室外空氣(w點(diǎn))處在4區(qū)域內(nèi)時(shí)，增加新風(fēng)閥開(kāi)度，起到降溫、加濕的作用。

圖2 新風(fēng)按濕度和含濕量的分區(qū)控制

舉例如下：

第一，在過(guò)渡季節(jié)的陰雨天，當(dāng)室外空氣含濕量與室生產(chǎn)區(qū)域的含濕量較接近（差值在2g/kg之內(nèi)）時(shí)，可以充分利用新風(fēng)的降溫作用，由于室內(nèi)外含濕量差距不大，基本不用進(jìn)行濕度處理，同時(shí)可以避免制冷機(jī)的開(kāi)機(jī)。

第二，在過(guò)渡季節(jié)較干燥的氣候時(shí)，室外含濕量約在5g/kg以下，此時(shí)若大量使用新風(fēng)，會(huì)造成加濕量的需求增大，能耗也會(huì)大大增加。在生產(chǎn)區(qū)域所需冷量較大時(shí)，需要綜合比較空調(diào)系統(tǒng)能耗和開(kāi)制冷機(jī)后制冷空調(diào)系統(tǒng)的總能耗，來(lái)判斷是否開(kāi)啟制冷機(jī)、減少新風(fēng)的降溫負(fù)荷。

2.2 空氣加濕冷卻處理過(guò)程的優(yōu)化

對(duì)于缺少絕對(duì)濕度的比較，將室內(nèi)外：“含濕量”這個(gè)指標(biāo)增加到新風(fēng)控制中。含濕量是指濕空氣中與一千克干空氣同時(shí)并存的水蒸氣的質(zhì)量（g），它可以用來(lái)表征空氣的絕對(duì)濕度。通過(guò)室內(nèi)外空氣溫度和含濕量的比較，可以更加有效的利用新風(fēng)，同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的。

此外，在不同的季節(jié)，選擇合理的加濕的手段，可以在保證區(qū)域工藝要求的同時(shí)，大大提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

蒸汽加濕屬于等溫加濕，即加濕過(guò)程中溫度不變，其具有加濕迅速、均勻、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際運(yùn)行中，蒸汽加濕的使用會(huì)帶來(lái)空氣溫度的升高，雖然可以采取一定的措施降低溫升（降低蒸汽壓力、增加噴管保溫、改進(jìn)加濕器冷凝水處理效果，來(lái)提升蒸汽干度），但不能完全消除溫升。因此，蒸汽加濕具有“加濕”和“升溫”的雙重效果，適用于冬季情況，此時(shí)應(yīng)以蒸汽加濕為主，可以有效的減少加熱器的使用，節(jié)約能耗。

等焓加濕過(guò)程中空氣的焓值不發(fā)生變化，但溫度會(huì)有所下降，因此等焓加濕過(guò)程具有“加濕”和“降溫”的雙重效果。高壓微霧加濕、氣水混合加濕、濕膜加濕等均屬于等焓加濕方式，這種加濕方式非常適用于過(guò)渡季節(jié)，此時(shí)應(yīng)以等焓加濕為主。

2.3 冷熱相抵或過(guò)度處理

空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行分工區(qū)域中的等含濕量線、等溫線、等焓線將室外的氣象劃分為若干個(gè)范圍，每個(gè)范圍都是依據(jù)空調(diào)區(qū)中的熱濕負(fù)荷、當(dāng)?shù)氐臍庀笄闆r來(lái)對(duì)各閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行控制。

為使空調(diào)控制更合理和節(jié)能，通過(guò)細(xì)化空調(diào)控制區(qū)域，由冬、夏2個(gè)工況拓展成以下7個(gè)：室外高溫高濕、室外高溫干燥、室外低溫高濕（較少出現(xiàn)）、室外低溫低濕、室外溫度在室內(nèi)控制需要溫度范圍但濕度高、室外溫度在室內(nèi)控制，需要溫度范圍，但濕度低、室外溫度在室內(nèi)控制需要溫度范圍且濕度適中。

2.4 制冷系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)的配合運(yùn)行

制冷系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)作為相互依存的系統(tǒng)，在考慮能耗指標(biāo)時(shí)，應(yīng)以2個(gè)系統(tǒng)的總能耗為對(duì)象。制冷系統(tǒng)+空調(diào)系統(tǒng)的能耗關(guān)系如圖3。

制冷系統(tǒng)的能耗主要是制冷機(jī)和水泵(包括冷卻水泵和冷凍水泵)的耗電。一般情況下，冷凍及冷卻水泵與制冷機(jī)是一對(duì)一的關(guān)系(即開(kāi)1臺(tái)制冷機(jī)時(shí)，開(kāi)1臺(tái)冷卻水泵和1臺(tái)冷凍水泵)，因此，對(duì)制冷系統(tǒng)而言，控制制冷機(jī)的開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)是最好的節(jié)能途徑。

空調(diào)系統(tǒng)的主要能耗是送回風(fēng)機(jī)的耗電、加熱器的蒸汽消耗、加濕器的蒸汽，空壓氣以及軟化水消耗、表冷器的冷凍水消耗。其中，表冷器的冷凍水是由制冷系統(tǒng)提供的。因此，控制表冷器的開(kāi)度是減少制冷+空調(diào)系統(tǒng)綜合能耗的關(guān)鍵。

制冷機(jī)運(yùn)行的時(shí)間段主要分為三個(gè)階段：過(guò)渡季節(jié)、夏季晴天、夏季雨天。根據(jù)三種不同的室外工況，制定不同的節(jié)能策略。

2.4.1 過(guò)渡季節(jié),室外空氣干燥

過(guò)渡季節(jié)室外空氣干燥，若僅利用新風(fēng)降溫，會(huì)造成大量的加濕需求，若機(jī)組安裝有氣水加濕器(或其他等焓加濕器)，應(yīng)充分利用。當(dāng)氣水加濕器加濕量達(dá)不到要求時(shí)，需要開(kāi)啟蒸汽加濕器進(jìn)行補(bǔ)充。因此，若減少制冷機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)(或停機(jī))，會(huì)造成空調(diào)機(jī)組蒸汽、空壓氣和軟化水消耗的增加；若開(kāi)啟制冷機(jī)，制冷系統(tǒng)(制冷機(jī)、水泵、冷卻塔)用電量就會(huì)增加，相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)的蒸汽等消耗就會(huì)減少。

在過(guò)渡季節(jié)，可以實(shí)行如下策略：制定合理的制冷機(jī)開(kāi)停標(biāo)準(zhǔn)。在制冷和空調(diào)系統(tǒng)能耗此消彼長(zhǎng)的關(guān)系中尋找中間點(diǎn)，在達(dá)到此狀態(tài)點(diǎn)時(shí)開(kāi)啟制冷機(jī)。開(kāi)停機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的建立，需要綜合考慮室外溫度、含濕量及區(qū)域溫濕度以及系統(tǒng)能耗等因素。如溫濕度指標(biāo)不穩(wěn)定，或接近溫濕度高低限制；溫濕度指標(biāo)穩(wěn)定，但系統(tǒng)能耗過(guò)高，高于制冷機(jī)運(yùn)行能耗等。

2.4.2 夏季晴天，不需要除濕

夏季晴天，室外空氣較濕潤(rùn)，但不需要除濕。此時(shí)，應(yīng)充分利用夜間或清晨室外低溫適濕的空氣，減少制冷機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。

2.4.3 夏季陰雨天,需要除濕

夏季陰雨天，室外濕度較大，需要除濕過(guò)程。此時(shí)應(yīng)保證冷凍水的出水溫度(一般在7～8℃)，不去刻意減少制冷機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，而是以控制表冷閥開(kāi)度為手段，減少制冷機(jī)的運(yùn)行負(fù)載，從而降低系統(tǒng)的綜合能耗。

將冷凍水用在需要除濕的生產(chǎn)區(qū)域。對(duì)于濕度要求不高的區(qū)域，充分利用新風(fēng)輔助降溫，從而降低制冷系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷。

圖3 制冷空調(diào)能源消耗示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

目前對(duì)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的研究有以下方面：利用室外的自然冷源，包括合理利用新風(fēng)量；熱濕處理過(guò)程的控制，包括改進(jìn)加濕措施和采用全年多工況控制策略；將制冷系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)配合運(yùn)行。目前的節(jié)能研究在一定程度上起到了改善作用，但仍然存在一些不足，第一，對(duì)卷煙廠的需求和車間的負(fù)荷變化特性認(rèn)識(shí)不夠；第二，新風(fēng)閥開(kāi)度與新風(fēng)比例的關(guān)系根據(jù)不同的要求如何擬合相應(yīng)的計(jì)算公式；第三，全年多工況控制策略應(yīng)用于卷煙廠還需進(jìn)一步結(jié)合其應(yīng)用對(duì)象進(jìn)一步細(xì)化和完善,同時(shí)應(yīng)適應(yīng)新設(shè)備的發(fā)展；第四，對(duì)自然冷源的利用不夠充分。