空調箱表冷器夏季運行分析與改進

王永全

（廈門煙草工業有限責任公司，福建 廈門 361000）

1 背景

卷煙廠的全年能耗中，空調系統的能耗占全廠能耗的30%～50%，基本與生產齊平，是卷煙廠的主要耗能部分，也成為卷煙企業開展節能的重點環節。

開展卷煙廠空調機組能效評價指標的研究在確保空調系統能滿足卷煙生產工藝要求并穩定運行的基礎上進行，即確保車間內溫濕度達到要求并穩定運行。通過檢測空調機組的能耗輸入、輸出值，尋找合適的能效指標來檢驗空調機組的能源轉化效率；通過采集空調系統完整的運行能耗參數，分別按空氣處理的不同過程進行能量傳遞分析，得出各處理過程能量傳遞轉換效率，找出影響空調機組能效的關鍵因素；通過改進，有針對性地改善關鍵影響因素，提高空調系統總體能效指標。表冷器熱交換效率以及除濕效率的高低對空調耗能的大小和空氣品質的好壞產生直接的影響。夏季，空調表冷器，既用于降溫，又用于除濕，是空調箱的重點耗能環節，是節能研究的重點。

2 冷卻、除濕過程能耗影響因素分析

空調機組由以下主要功能段組成：回風段-混風閥-初效過濾段-新風段-高效過濾段-表冷段-加熱段-加濕段-送風段等功能段組成。

空調機組使用的表冷段均為表面式換熱器，冷卻介質為7～12℃冷凍水。空氣經過表冷器后實現減濕冷卻過程。空氣與表冷器之間不但發生顯熱交換，而且也發生濕交換和潛熱交換。

在高濕高溫季節，表冷器在除濕過程中，會導致空氣進行過度降溫，造成車間溫度偏低，此時，必須開啟加熱器再熱。而在高溫低濕季節，表冷器為降溫又會對空氣產生除濕效果，造成車間濕度偏低，此時，又要開啟加濕器加濕。如何減少以上不合理的能源消耗，將有利于空調系統的節能降耗。表冷段的能源消耗測算如下：

2.1 表冷段能耗折算電耗

表冷段能耗為空調機組用于空氣降溫消耗的冷凍水負荷。折算成電耗，統一了比較的單位基準，便于對空調箱總體耗能的比例進行分析。折算電耗可用以下公式計算：

其中，Wq表示冷凍水折合的等效電數值，單位kWh；W冷凍水為冷凍水的總能耗，單位kWh；COP為制冷機組的性能系數。通過查本系統冷水機組特性可知其COP為5.4。

2.2 表冷器顯熱比例的計算

表冷器顯熱比例 1ε=表冷器中的顯熱換熱量Ql/表冷器中能源消耗；

表冷器中能源消耗折算電耗W1=q1（tLG-tLH）P1；

式中，MS為送風量，kg/s；Cp為空氣比熱，1.01kJ/(kg·℃)；t1、t2為表冷器前后空氣溫度，℃；q1為機組冷凍水流量，kg/s；tLG、tLH為冷凍水供、回水溫度，℃；Cp1為冷凍水比熱容，4.19kJ/(kg·℃)。

2.3 冷凍水電動閥泄漏指標

由于使用的時間較長，冷凍水電動閥可能因關不緊而存在冷凍水電動閥泄露的情況。冷凍水泄漏指標計算公式：

式中：tD、tM為表冷后、混風段空氣溫度，℃。

項目組經過研究和測試，規定當η5＜?1且表冷閥實際開度連續10分鐘小于0.9%，即可確認冷凍水有泄漏，泄漏量計算為：

式中，i1、i2為表冷器前后空氣焓值，℃。

3 參數測試

根據以上分析，在空調箱內布設相關傳感器，對空氣、冷凍水的相關參數進行測試，從而尋找能源浪費點。

3.1 測試方案

在表冷器冷凍水入口檢測冷水流量、溫度，冷水出口檢測溫度，表冷段冷凝水排出流量、溫度檢測，可以計算空調機組消耗的冷量以及分別用于降溫、除濕消耗的冷量分配。結合加濕、加熱過程的能量消耗，計算空調機組內部能量的損耗及損耗系數。通過檢測表冷器前后溫濕度，計算空氣經表冷器后的狀態變化（溫度、焓值、含水量）。

測試工具由校驗及測試用的離線檢測儀器主要有高精度溫濕度測試儀、熱線風速儀、紅外測溫儀、管道溫度計等。自控系統配帶的在線檢測傳感器及儀表主要有風道溫濕度傳感器（送、混風、表冷后）、加熱器迎風面溫度、液體溫度傳感器（冷水供、回，微霧水）、多點熱線式風量計（送、回、新風）、電磁流量計（冷水）（DN100）、電磁流量計（冷凝水）（DN40）。

3.2 測試結果及分析

（1）表冷段總體能耗和分析。夏季工況中，貯絲間空調機組夏季環境要求為溫度26℃f2℃，濕度60%±4%。空調機組消耗冷水、蒸汽和電能。對2019年5～7月，3個月能耗進行統計。其中，冷水能耗、加熱加濕段蒸汽直接折算成電耗，如表1所示。

表1 空調機組各段能耗

廈門5～7月氣溫與濕度和3、4月比起來已有明顯的差異。從能耗計算結果可以看出，風機段能耗所占比例最高，占整個機組能耗的55%左右，加熱段次之，約占25%，表冷段占比例約為20%。可以看出，貯絲間在夏季雖不需要加濕，但仍消耗比較多的再熱。

（2）表冷器能效測試和分析。由1ε=表冷器中的顯熱換熱量Ql/表冷器中能源消耗折算電耗Wl當1ε的值越小，說明系統消耗的潛熱換熱越大，則由此需要進行的再熱也越大。因為現場工作作業基本不產濕，均為新風產濕，所以，當1ε≤0.2時，需考慮是否是新風過大，或者門窗關閉不嚴。經項目測試，新風閥開度均維持在20%左右，1ε將超過0.2，需要關小新風閥。

（3）冷凍水電動閥泄漏分析。冷凍水泄漏指標公式η=tD-tM計算。

通過計算，本次運行工況中：η=23.6-27.3=-3.7℃

此時表冷閥開度為15.22%，且處于連續開啟狀態，故冷凍水沒有泄漏。

4 改進措施

4.1 最小新風比

混合空氣經表冷器降溫除濕后經過加熱段，實現等濕加熱過程，換熱后，經過加濕器加濕和風機的溫升到達送風狀態點。夏季工況中引進了適當的新風，由于夏季室外新風溫度比較高，增加新風的引入又會增加過多的表冷能耗，可采用最小新風比的方式運行。

4.2 采用二次回風

由以上分析可知，夏季空調需要耗費大量的蒸汽進行再熱，以提高送風溫度，防止空調風口結露。因此，可以考慮采用二次回風的方式，將一部分回風用于除濕，一部分回風用于再熱使用，可以降低空調的再熱能耗。但是，采用二次回風，將需降低處理部分一次回風的冷凍水的溫度，可以考慮采用增加表冷器的排數給予優化。

4.3 溫濕度獨立控制

由以上分析可知，夏季空調需要耗費大量的蒸汽進行再熱，其根本原因是夏季新風濕度大。因此，可以考慮對新風進行預處理，先降低新風的濕度，然后，再送入空調箱中。溫濕度獨立控制空調系統利用高溫冷源處理顯熱負荷，利用獨立除濕設備處理潛熱負荷。空調箱表冷器只承擔較為精準降溫功能，可以有效減少夏季高溫高濕環境下空調箱的再熱。

5 結語

由以上分析和測試，在滿足卷煙空調工藝要求的前提下，采用最小新風比的運行方式。空調箱表的新風閥可以維持在10%～20%的開度，以減少新風的數量，表冷器的再熱量。同時，根據現場的工況，在不大幅度降低冷凍水除濕需求的情況下，采用二次回風的熱量代替蒸汽加熱。可以采用新風預處理措施，對新風的濕度進行預處理，承擔空調的濕負荷。表冷器只承擔空調的熱負荷，將減少或避免空調的再熱損失。