卷煙廠空調系統節能降耗研究與實踐

陳輝

（湖北中煙工業有限責任公司三峽卷煙廠 湖北 宜昌 443100）

卷煙的生產制造離不開一個恒溫、恒濕的生產環境，而卷煙廠中央空調系統的特點就是空調占據了很大的面積、全面處于恒溫與恒濕狀態及車間內工藝設備發熱量多且極易變化等，所以，空調系統往往具有很大的風量、較高的能耗，同時，制冷機組也處于全年運行狀態。調查發現，在煙草生產總能耗中，接近?是空調制冷能耗，因此，有效地控制空調系統的能耗，有助于其運行成本的降低，且也與我國環境保護的基本國策相符，可促進我國經濟的可持續發展［1］。

1 中央空調系統的結構

典型的中央空調主要由4部分構成，即制冷機組、冷水循環系統、冷卻水循環系統、風機盤管空調系統（見圖1）。

圖1 中央空調系統的結構圖

（1）制冷機組：空調制冷機組在中央空調系統中發揮著極其關鍵的作用，為其制冷源［2］，共由4 部分組成，分別是制冷壓縮機、冷凝器、電子膨脹閥和蒸發器。首先，蒸發器中涉及的低壓氣態制冷劑需要通過壓縮機予以壓縮，然后再向冷凝器傳輸，并在其中和冷卻水系統展開熱交換，最終被冷凝為高壓液體。制冷劑在實際冷卻過程中會釋放大量的熱能，再被冷卻水循環系統所吸收，最后經冷卻塔進入大氣。之后，在蒸發器前節流裝置中，即在電子膨脹閥中，冷凝器內包含的高壓液態制冷劑會轉化為制冷劑液體，狀態為低壓、低溫，并進入到蒸發器中。對于制冷劑與冷水系統而言，會在蒸發器內實現熱交換，通過冷水循環系統，將冷量傳輸給被制冷對象。然后，在蒸發器中氣化之后的制冷劑會轉化成低壓氣體，并再一次進入到壓縮機中，這樣不斷循環。

（2）冷凍水循環系統：冷凍水系統主要組成部分有管理結構和冷水水泵兩個部分。就低溫冷水而言，主要由制冷主機中流出，然后由冷水水泵利用管路傳輸到風機盤系統，吸收室內熱量，轉化為高溫冷水回水，然后再進入到冷水機組中，與制冷劑之間進行熱交換，將熱量向制冷劑傳輸，然后將冷量輸送到風機盤管系統，最終達到制冷的效果。

（3）冷卻水循環系統：冷卻水系統組成部分包括冷卻水泵、冷卻水管路和冷卻水塔。當制冷機組處于工作狀態時，又或是在和冷水做熱交換的過程中，勢必會把諸多廢熱釋放出來，所以就需借助冷卻水系統將其由室內向室外排放。對于冷卻水循環系統涉及的作用而言，表現為吸取吸水機組在制取冷量過程中散發的熱量，值得注意的是，不論是冷水傳遞的熱量，還是冷水機組在工作過程中形成的熱量，都包含在吸收的范圍內，之后再向冷卻塔輸送，將其排出室內，被冷卻的冷卻水循環到冷水機組的冷凝器，再次對熱量進行吸收，反復循環，為持續開展冷水機組制冷提供充足的保障［2］。

2 卷煙廠空調系統存在的問題

（1）制冷劑會長時間處于開啟狀態，同時效率不高。因為卷煙廠需要全年供冷，造成冷機需要長期乃至全年展開制冷。一般來說，制冷劑均是以設計負荷的上限為基礎選擇型號，同時立足于此和一定的安全系數相乘，所以，制冷劑的運行很難在60%～85%的高效率負荷下展開，特別是當制冷量不大時，運行效率更不理想［3］。另外，制冷劑統一提供各表冷器供應的冷凍術，冷凍水出水溫度要和最低溫度要求相符，從而導致高質低用的現象出現在其他末端。例如，該廠車間的設局工況，新回風混合后的露點溫度為15°C，同時，除濕負荷不大，這時對冷凍水的溫度要求不高，進而會浪費冷凍水，與此同時，冷凍水的溫度和環境溫度存在較大的差異，在輸送時會損耗諸多冷量。

（2）不能有效調節空調系統，冷凍水泵和風機能耗高、效率低。相同車間中的多臺空調末端設備存在不同的送風溫度，導致控制缺乏秩序性，顯著加大耗能。風機和冷凍水泵的設置都是根據最大設計負荷和安全系數相乘展開，在日常使用中，所處負荷率均較低，進而增加了單位冷負荷能量。

（3）冷熱抵消現象十分常見。常規的空氣處理流程為：空氣混合后，通過表冷器展開降溫除濕，之后通過加濕和再熱后向室內輸送。此流程先除濕再加濕，先降溫后升溫，會抵消和浪費冷熱量。

（4）高溫蒸汽再熱造成高質低用現象出現，空氣通過表冷器后，溫度降至10～20℃，而高溫蒸汽通常約為230℃，溫差高達200℃，過大的溫差會加重熱能損耗，同時致使高質低用問題出現。

3 卷煙廠空調系統現有節能措施和研究

3.1 采用節能自動控制

隨著季節變化，空調系統溫濕度自動控制，應調整各個執行機構，例如：在炎熱的夏季，會采取控制表冷閥開度的方式實現除濕降溫；而在寒冷的冬季，則會分別借助控制加濕閥與加熱閥的開度來達到加濕與升溫的目的［4］。過去劃分季節工況多利用日歷表來進行，但因為室外氣象參數經常會發生改變，就算在同一天，室外空氣溫濕度也會有很大的波動，對此，如果只是利用日歷表對全年季節工況進行劃分，就會導致一年中的大部分時間空調區域中的溫濕度會產生巨大波動，不僅無法讓設計要求得到滿足，也讓本就緊缺的能耗被浪費。

要想促進空調系統調節質量得到全面提升，并達到節能降耗的目的，就需優化設計系統。具體做法如下。（1）把卷煙廠周圍可能會產生室外空氣變化的范圍劃分成若干個區域，明確各區經濟運行工況。（2）將室內和室外的熱濕負荷變化整合在一起，全面分析空氣處理設備所具備的能力，通過邏輯控制，自動將空調系統由一種工況轉換成另一種工況，并確保其可靠性、經濟性。（3）在過渡季節，需要對室外新風冷源進行合理運用，將冷水機組的開機時間延遲，或將其減少；冬季時，把新風閥開度減少，在確保空氣質量的同時，借助回風余熱，節能降耗。

3.2 水系統

3.2.1 提高制冷機COP

調查發現，在卷煙廠空調系統總能耗中，40%左右是制冷機能耗，所以，很有必要通過將制冷劑COP 提高，來降低其能耗［5］。對此可采取如下措施。（1）把蒸發溫度提高，冷凝溫度降低。以該廠離心式冷水機組為例，每當其冷水出口的溫度升高1℃，則機組能效就會提高3%；而每當冷卻水溫度降低1℃，制冷量的提高介于2%～3%，立足于實際狀況，開展變水溫運行。（2）對設備的運行負荷做出合理調整。（3）通過變頻裝置，調節離心制冷劑壓縮機的轉速。夏季空氣露點溫度高，屬于卷煙廠空調系統的主要特征，對此，應適當地將冷水供水溫度提高，維持在10℃～12℃。隨著空調負荷變小，借助把冷水供水溫度慢慢提高來促進冷水機組效率的提升，并解決由于表冷器閥門開度偏小造成的問題。除此之外，還應經常清洗制冷機，以免污垢存在于冷凝器和蒸發器中。

3.2.2 采用二次泵系統及變頻泵代替調節閥

要想順利適應末端負荷的變化，降低水泵能耗，避免制冷機側變量對制冷機造成影響，就可采取以下兩種途徑，分別是對二次泵系統予以采用、將調節閥以變頻水泵代替。近年來，某些卷煙廠開展技術改造的過程中會嘗試運用二次泵系統，現階段，尚未有實際運行數據支持一次泵定頻和二次泵變頻系統形式的節能效果。以變頻泵將調節閥取而代之，具體而言，就是把水泵加裝在壓頭不足的地方，立足于調節水泵轉速的方式，對系統流量進行全面的調節，實現節能降耗。而將調節閥以變頻泵取代，表現為末端根據各自回路的需求對水泵進行配置。具體設計方面，需要在相同支路上變聯負荷特性變化相似的空調末端設備，既能夠把水泵輸送功率相應減小，大約為31.9%，也有助于系統穩定性的提高，并讓諸多問題得到有效解決，包括使用調節閥讓水泵工作點發生偏移，破壞系統的穩定性，以及閥門關小時，受節流與壓降的影響而讓噪聲出現等。

3.2.3 冷卻塔免費供冷

鑒于廠內一些車間整年均會長時間供冷，就可在過渡季節與冬季，通過自然冷源，帶走車間中的熱量。現階段，主要運用加大新風量、冷卻塔免費供冷等方式。在過渡季節與冬季，舒適性空調中最多應用的是將室外新風量加大來達到降溫的目的，恒溫恒濕空調系統在溫度控制過程中涉及較為嚴格的要求，如果對室外新風量進行加大，可能會導致蒸汽加濕量升高，因此，需要根據當地實際氣候狀況進行分析與判斷［6］。空調制冷系統的另一種節能降耗的方式是冷卻塔供冷，也就是所謂的免費供冷。若室外空氣濕球溫度低于某值，那么應向空調末端系統間接或是直接提供冷卻塔循環冷卻水，如此便可以減少高能耗冷水機組在運行方面的時間。若運用冷卻塔間接供冷系統，在過渡季節與冬季免費供冷，與冷水機組運用變水模式相比，冷卻塔供冷運行模式能夠降低超過60%的能耗。但因為集中空調系統負荷存在差異，加之受外界環境變化的影響，所以，具體節能效果也會有所不同。

3.3 空調風系統節能控制

3.3.1 風機變頻

夏季，送風狀態點溫度需要維持在16～18℃，可以說已經是最低溫度，與機器露點溫度L接近。但這一季節過后，進入春秋又或是冬季時，車間空調熱負荷LQ會逐漸變小，如果空調送風量還是未有改變，那么（tRtO）（代表干濕球溫度）變小。由焓濕圖（見圖2）可知，如果風量不變，其他季節送風狀態點O′慢慢向上移動，待冬季時，送風狀態點O2就會上升，并與室內狀態點N距離非常；如果變風量運行，則隨著LQ變小，風量G也會一并變小，那么（tR-tO）能夠不超出正常范圍，進而可提高系統效率。且當閥門全開時，管阻最小，可以緩解管路涉及的風力不平衡情況，促進空調使用效果的提升。所以，風機變頻車輛指的是在設定值保持（tR-tO）的不變，通過閉環PID控制變頻器，轉變風機轉速，進而調節分量，最終實現節能降耗的目的。在季節工況動態的變化下，（tR-tO）設定值也會隨之出現改變，所以，冬季和夏季在工況方面可適當提高設定值。要想避免空調風量變小引發車間氣流紊亂，又或是導致溫濕度場不均，應確保分機變頻調速在最低限設置方面能夠符合最小送風壓力。

圖2 焓濕圖

3.3.2 加濕方法改進

對于卷煙廠車間而言，涉及較大的顯熱負荷及較小的潛熱負荷，在部分比較干燥的地區與季節，對加濕量提出了很高的要求。對此，可通過提高表冷卻盤冷水溫度的方式，保證盤管表面空氣層溫度，處在被處理空氣的露點溫度上，進而實現只降溫不除濕的效果，同時，讓表冷器負荷得到降低，減小加濕器與再熱器的負荷，另一方面促進制冷機COP的提高。另外，也要把加濕的能耗降低。蒸汽加濕會造成溫度有所上升，通常對冬季供熱加濕較為適用。

在過渡季節運用蒸汽加濕形成的溫升會導致空氣溫度不滿足有關要求，對此，應打開制冷機，達到冷熱抵消的效果。因此，出現了微霧加濕、汽水混合微霧加濕等，兩者都是焓加濕過程，除了可加濕之外，也能夠將溫度降低。通常情況下，我國中原地帶春夏、夏秋換季過程中，適用空調溫濕度控制。通過微霧發生裝置，將水霧化成μm 級的小水滴，不僅具有很好的霧化效果，還有很大的加濕量和很高的吸收率。但是，也涉及部分缺點，如：高壓微霧加濕器所需求的水質較高，同時噴孔小，容易堵塞，噴頭造價高，后期需要花費較高資金維修；盡管汽水混合微霧加濕對水質要求較高，也不容易發生故障，但對壓縮空氣量有很大的需求，進而在一定程度上增加了隱性投資。

4 結語

綜上所述，空調系統的能耗幾乎占到卷煙廠所有能耗的一半以上，對此，應將空調系統的實際運行狀態給聯系起來，對有效的節能降耗措施予以采用，以把煙廠整體能耗顯著降低，同時，注意優化處理各個細節，充分挖掘空調系統設備中每個部件的潛能，提高空調系統運行效率。