煙草工業制冷空調系統節能探索

于凌巍，韋偉

（1.山東中煙工業有限責任公司生產制造中心，山東 濟南 250014；2.安徽工業大學管理科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243100）

為保證卷煙產品質量和設備的穩定，卷煙企業配置了中央空調系統，調控車間空氣溫、濕度，滿足要求的工藝指標。但是，消耗也隨之升高，中央空調系統的耗電量占卷煙生產電耗的20%以上，是卷煙能耗的重要組成部分,也是卷煙廠的節能重點。

卷煙生產工藝過程中產熱、產濕、產塵、車間面積較大，負荷影響因素較多，經常24h連續生產，且恒溫恒濕控制精度較高，因此，制冷空調系統相對復雜。對如何能更好地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目前已經有一定的研究，也已提出了一些節能措施，但是，仍然缺乏一定的系統性。對卷煙廠的需求及現有空調系統形式存在問題的認識還不夠深入。因此，本文從空調節能的角度出發，提出了適合制冷空調系統節能的改進方法。

1 問題的提出

經系統形式的分析和調研，卷煙廠空調系統形式有以下問題：

1.1 新風使用的問題

為實現空調系統的節能運行調節，通常采用多工況分區進行調節。但是以往的工況分區和推薦工況的最佳處理過程，主要考慮的是充分利用室外冷源，在過渡季盡量采用全新風。

1.2 空氣加濕冷卻處理過程的優化問題

在具體實施過程中會發現缺少絕對濕度的比較。由于在空調系統上位機上一般僅有溫度和相對濕度的顯示，所以在新風利用時，僅能對室內外溫度做出直觀的比較，而對室內外濕度的把握不準確，造成新風的利用過度（需要進行濕度補償）或利用不及時。

經調查卷煙工廠空調系統現有的加濕方式主要有：等溫加濕、等焓加濕兩種。但是，部分卷煙廠空調機組內同時安裝有兩種類型的加濕器(蒸汽加濕器和等焓加濕器)，在運行中，常常存在兩種加濕器同時運行的狀態，不利于系統的經濟運行。例如蒸汽加濕和氣水加濕器同時使用時，噴出的蒸汽遇到低溫的水柱會發生凝結，造成了加濕量的損失。

1.3 冷熱相抵或過度的問題處理

恒溫恒濕時會產生悖論，一般采用溫度和濕度補償的辦法，會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種閥門同時開啟的現象，如圖1所示，造成能源浪費。

圖1 空氣處理過程中的冷熱相抵及過度處理

例如，在夏季表冷閥開度過大，會造成除濕量過大，為了補償這一部分濕度，就需要開啟加濕閥，造成了能源浪費。而此時如果減少表冷閥開度（在保證溫度指標合適前提下），可以避免加濕閥的開啟。

2 解決思路和方法策略

目前卷煙廠已在水系統和風系統兩個方面對空調節能進行了研究。針對上文的所提出的問題給出的解決思路和方法策略，主要從新風的合理利用、空氣加濕冷卻處理過程的優化、冷熱相抵和過度處理以及制冷系統與空調系統的配合運行四個角度進行論述。

2.1 新風的合理利用

新風屬于免費能源，在空調系統區域中溫濕度的控制精度得到確保的同時，利用室外的新風來降低空調區域的溫度，使制冷主機的運行時間減少，從而達到節約電能的目的。減少制冷空調系統能源消耗。新風的使用，取決于室外空氣(w點)和室內空氣(n點)的溫度(t)、和濕量(d)之差，如圖2所示。當室外空氣(w點)處在1區域內時，增加新風閥開度，起到升溫、除濕的作用；當室外空氣(w點)處在2區域內時，增加新風閥開度，起到升溫、加濕的作用；當室外空氣(w點)處在3區域內時，增加新風閥開度，起到降溫、除濕的作用；當室外空氣(w點)處在4區域內時，增加新風閥開度，起到降溫、加濕的作用。

圖2 新風按濕度和含濕量的分區控制

舉例如下：

第一，在過渡季節的陰雨天，當室外空氣含濕量與室生產區域的含濕量較接近（差值在2g/kg之內）時，可以充分利用新風的降溫作用，由于室內外含濕量差距不大，基本不用進行濕度處理，同時可以避免制冷機的開機。

第二，在過渡季節較干燥的氣候時，室外含濕量約在5g/kg以下，此時若大量使用新風，會造成加濕量的需求增大，能耗也會大大增加。在生產區域所需冷量較大時，需要綜合比較空調系統能耗和開制冷機后制冷空調系統的總能耗，來判斷是否開啟制冷機、減少新風的降溫負荷。

2.2 空氣加濕冷卻處理過程的優化

對于缺少絕對濕度的比較，將室內外：“含濕量”這個指標增加到新風控制中。含濕量是指濕空氣中與一千克干空氣同時并存的水蒸氣的質量（g），它可以用來表征空氣的絕對濕度。通過室內外空氣溫度和含濕量的比較，可以更加有效的利用新風，同時達到節能的目的。

此外，在不同的季節，選擇合理的加濕的手段，可以在保證區域工藝要求的同時，大大提升系統經濟性。

蒸汽加濕屬于等溫加濕，即加濕過程中溫度不變，其具有加濕迅速、均勻、穩定等優點。但在實際運行中，蒸汽加濕的使用會帶來空氣溫度的升高，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、改進加濕器冷凝水處理效果，來提升蒸汽干度），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，此時應以蒸汽加濕為主，可以有效的減少加熱器的使用，節約能耗。

等焓加濕過程中空氣的焓值不發生變化，但溫度會有所下降，因此等焓加濕過程具有“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渡季節，此時應以等焓加濕為主。

2.3 冷熱相抵或過度處理

空調系統的運行分工區域中的等含濕量線、等溫線、等焓線將室外的氣象劃分為若干個范圍，每個范圍都是依據空調區中的熱濕負荷、當地的氣象情況來對各閥門的開度進行控制。

為使空調控制更合理和節能，通過細化空調控制區域，由冬、夏2個工況拓展成以下7個：室外高溫高濕、室外高溫干燥、室外低溫高濕（較少出現）、室外低溫低濕、室外溫度在室內控制需要溫度范圍但濕度高、室外溫度在室內控制，需要溫度范圍，但濕度低、室外溫度在室內控制需要溫度范圍且濕度適中。

2.4 制冷系統與空調系統的配合運行

制冷系統和空調系統作為相互依存的系統，在考慮能耗指標時，應以2個系統的總能耗為對象。制冷系統+空調系統的能耗關系如圖3。

制冷系統的能耗主要是制冷機和水泵(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是一對一的關系(即開1臺制冷機時，開1臺冷卻水泵和1臺冷凍水泵)，因此，對制冷系統而言，控制制冷機的開機臺數是最好的節能途徑。

空調系統的主要能耗是送回風機的耗電、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提供的。因此，控制表冷器的開度是減少制冷+空調系統綜合能耗的關鍵。

制冷機運行的時間段主要分為三個階段：過渡季節、夏季晴天、夏季雨天。根據三種不同的室外工況，制定不同的節能策略。

2.4.1 過渡季節,室外空氣干燥

過渡季節室外空氣干燥，若僅利用新風降溫，會造成大量的加濕需求，若機組安裝有氣水加濕器(或其他等焓加濕器)，應充分利用。當氣水加濕器加濕量達不到要求時，需要開啟蒸汽加濕器進行補充。因此，若減少制冷機的運行臺數(或停機)，會造成空調機組蒸汽、空壓氣和軟化水消耗的增加；若開啟制冷機，制冷系統(制冷機、水泵、冷卻塔)用電量就會增加，相應的空調系統的蒸汽等消耗就會減少。

在過渡季節，可以實行如下策略：制定合理的制冷機開停標準。在制冷和空調系統能耗此消彼長的關系中尋找中間點，在達到此狀態點時開啟制冷機。開停機標準的建立，需要綜合考慮室外溫度、含濕量及區域溫濕度以及系統能耗等因素。如溫濕度指標不穩定，或接近溫濕度高低限制；溫濕度指標穩定，但系統能耗過高，高于制冷機運行能耗等。

2.4.2 夏季晴天，不需要除濕

夏季晴天，室外空氣較濕潤，但不需要除濕。此時，應充分利用夜間或清晨室外低溫適濕的空氣，減少制冷機的運行臺數。

2.4.3 夏季陰雨天,需要除濕

夏季陰雨天，室外濕度較大，需要除濕過程。此時應保證冷凍水的出水溫度(一般在7～8℃)，不去刻意減少制冷機的運行臺數，而是以控制表冷閥開度為手段，減少制冷機的運行負載，從而降低系統的綜合能耗。

將冷凍水用在需要除濕的生產區域。對于濕度要求不高的區域，充分利用新風輔助降溫，從而降低制冷系統的運行負荷。

圖3 制冷空調能源消耗示意圖

3 結語

目前對空調系統節能的研究有以下方面：利用室外的自然冷源，包括合理利用新風量；熱濕處理過程的控制，包括改進加濕措施和采用全年多工況控制策略；將制冷系統和空調系統配合運行。目前的節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，對卷煙廠的需求和車間的負荷變化特性認識不夠；第二，新風閥開度與新風比例的關系根據不同的要求如何擬合相應的計算公式；第三，全年多工況控制策略應用于卷煙廠還需進一步結合其應用對象進一步細化和完善,同時應適應新設備的發展；第四，對自然冷源的利用不夠充分。