某工業廠房空調系統節能改造與效果評價

豐 敏

上海電氣風電集團股份有限公司

0 引言

工業建筑節能是指在工業建筑規劃、設計和使用過程中，在滿足規定的建筑功能要求和室內外環境質量的前提下，通過采取技術措施和管理手段，實現零能耗或降低運行能耗、提高能源利用效率的過程［1］。

隨著“雙碳”目標的提出，建筑節能的重要性越來越受到全社會的重視，對工業建筑節能降碳的需求日益迫切［2-3］，而維持生產環境的暖通空調能耗及其他動力系統能耗是工業建筑能耗的重要組成部分，亟須采取有效措施，降低能耗，實現節能減排［4］。

目前，包括GB 51245—2017《工業建筑節能設計統一標準》［1］在內的標準規定的工業建筑節能措施雖較為完善，但缺少結合生產工藝特征的改造方案。

基于上述背景，本文根據夏熱冬冷地區某工業廠房實際系統及能耗特征，結合生產工藝流程，有針對性地進行了節能改造，為其他類似工業廠房的節能改造提供參考。

1 改造前空調系統用能情況及能耗分析

1.1 改造前空調系統用能情況

1.1.1 冷熱源系統

該工業廠房位于浙江省嘉興市海鹽縣，屬于夏熱冬冷地區。工廠分為I期和II期，分別于2009年和2012 年投運。夏季車間分別采用兩臺1 044 kW、1 218 kW 開利螺桿冷水機制冷，冬季采用燃油鍋爐供熱，年耗柴油量約50 t。I、II 期供冷、供熱使用同一管網，相互連通，熱水供回水溫度為45 ℃/40 ℃，冷水7 ℃/12 ℃。

1.1.2 冷、熱負荷分析

根據調研得知，供能范圍內各建筑除個別車間需24 h 供能外，大部分車間供能時間均為6：30-23：30，周日不供能。通過采用能耗模擬軟件，得出典型日逐時冷、熱負荷（見圖1、圖2）。

圖1 典型日逐時冷負荷

圖2 典型日逐時熱負荷

通過分析，工廠峰值冷負荷約3 400 kW，峰值熱負荷700 kW，工廠采暖期為11月1日至次年2月8 日，共計100 d。制冷期為5 月1 日至10 月20 日，共計173 d，計算得出全年累計耗冷量及耗熱量見表1。

表1 工廠峰值負荷及年供能量

改造前三年工廠供冷、供熱能耗，平均耗電量為149.9 萬kWh/年，平均柴油耗量49.5 t/年，折算標煤能耗256.4 tce/年，空調能源總費用為135.6萬元/年（見表2）。

表2 改造前三年能耗情況

2 節能潛力分析及改造措施

2.1 充分利用廠區余熱資源

2.1.1 釬焊爐余熱回收

廠區有24 h 運行的大功率釬焊爐，爐膛采用冷水（水流量約為420 m3/h）降溫，通過爐膛的冷卻水溫度升高約5 ℃，出水溫度根據季節不同約為20～35 ℃。升溫后的冷卻水通過冷卻塔散熱導致大量余熱被浪費。

為此，采用板式換熱器對高溫冷卻水中的熱量進行回收利用，工藝路線圖見圖3：從釬焊爐爐膛出來的高溫冷卻水（平均25 ℃）進入污水池蓄存后，通過板式換熱器對進入水源熱泵的常溫水進行預熱，預熱后的水再進入水源熱泵制熱，被冷卻的爐膛水再回到高溫爐膛降溫冷卻，如此循環，實現對高溫爐膛的余熱回收。經測算，可回收熱量878 kW，滿足廠區采暖熱負荷，但要滿足采暖溫度的話，還需提高余熱品質。

圖3 釬焊爐余熱回收工藝路線圖

2.1.2 空壓機余熱回收

空壓機余熱回收系統的改造只需在空壓機油管上串聯熱回收器即可。空壓機熱回收效率夏季可達75%，冬季50%以上，熱回收水溫50～80 ℃（具體視氣溫及空壓機加載率決定）。不回收熱量時，空壓機散熱方式跟改造前相同，增加熱回收由于油溫下降，產氣量增加，系統壽命得以延長。

項目有兩臺75 kW 的空壓機，分別在空壓機油管上各串聯一熱回收交換器，采用直熱型方案，如圖4 所示。市政自來水（2～30 ℃）進入空壓機熱回收器后與空壓機管道內80～90 ℃的高溫油氣混合物進行熱交換，將水加熱到45 ℃左右，與熱泵系統共同為車間供暖。若用熱點與空壓機房相隔較遠，可增設增壓泵保證水循環壓力。

圖4 空壓機余熱回收工藝路線圖

按全年熱回收效率50%保守估算，兩臺75 kW空壓機回收的總熱量至少為75 kW。

2.2 優化冷熱源機組容量，更換老舊機組

工廠制冷依靠4臺開利螺桿冷水機（1 044 kW×2 臺+1 218 kW×2 臺），大部分時間負荷均在50%以下，極少達到75%，因此冗余量較多。此外，I 期兩臺1 044 kW 機組于2009 年投運，運行時間較長，機組COP 低，冬季采暖主要依靠燃油鍋爐，污染嚴重。

根據表1 可知，冷負荷峰值為3 400 kW，熱負荷峰值為700 kW，可采用集制冷、制熱于一體的熱泵機組。磁懸浮變頻離心式熱泵機組具有穩定可靠、高效節能、寧靜低噪等優點。項目選擇1臺單機容量為1 035 kW 的磁懸浮變頻離心式水源熱泵機組，夏季與現有兩臺1 218 kW開利螺桿冷水機共同承擔廠區用冷，冬季與余熱回收承擔廠區用熱，替代燃油鍋爐。

2.3 利用峰谷價差，降低空調運行費用

工廠除個別車間需24 h 供能外，其余車間供能時間均為6：30-23：30，冷、熱負荷具有明顯的周期性、波動性，且當地峰谷電價差距較大。

因此，可充分利用峰谷價差，采用蓄能水罐，一罐兩用，夏季蓄冷，冬季蓄熱。夏季利用水蓄冷，在低谷電價時段運行制冷機組，將冷量儲存在冷水中，白天負荷高峰時釋放；冬季利用廠區穩定的余熱制備熱水，夜間蓄存，白天釋熱，降低采暖費用。

2.4 改造后空調系統工藝路線

改造后空調制熱及制冷模式工藝路線圖見圖5和圖6。

圖5 空調制熱模式工藝路線圖

圖6 空調制冷模式工藝路線圖

1）制熱模式

從釬焊爐出來的低溫低位熱能資源通過一臺磁懸浮變頻離心式水源熱泵機組，通過少量的高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能的轉移，滿足采暖供水溫度45 ℃的要求。從空壓機出來的余熱品質較高，經過板式換熱器換熱后的熱水直接供采暖使用。利用蓄能水罐在谷電時對熱水進行蓄存，峰電時放出，達到削峰填谷、降低空調運行費用的效果。

2）制冷模式

采用1 臺磁懸浮變頻離心式水源熱泵機組+原有的2臺螺桿冷水機共同滿足工廠的制冷需求。利用蓄能水罐在谷電時對冷水進行蓄存，峰電時釋放，達到削峰填谷、降低空調運行費用的效果。

3 效果評價

3.1 節能效益預估

根據測算，工業廠房空調系統實施節能改造后可節約114.3 tce/年，綜合節能率44.6%，節約能耗費用70.5 萬元/年，能耗費用降低52.0%（見表3）。

表3 節能效益預估

3.2 實際節能效益

節能改造完成后，統計2022 年能耗數據，全年合計節約能耗120.1 tce，與改造前256.4 tce 相比，實際節能46.8%，節約費用74.0 萬元，能耗費用降低54.6%。

3.3 效益分析

通過對比改造前預估節能效益及改造后實際節能效益，廠房空調系統節能改造達到了預期效果，實際節能量由預估的44.6%提升到了46.8%，能耗費用降低率由預估的52.0%提升到54.6%，此外，充分利用現有余熱資源，結合水源熱泵技術替代燃油鍋爐，低碳環保，實現了良好的經濟效益與社會效益。

4 總結與思考

1)充分調研，掌握用能特點

項目在改造前進行了大量的調研，摸清實際需求，分析能耗特性，為后期有針對性的改造打下了堅實的基礎。

2)因地制宜，挖掘節能潛力

項目充分利用工廠釬焊爐和空壓機的余熱資源，替代燃油鍋爐滿足冬季采暖需求，低碳環保，大大降低了采暖費用。

3)優選設備，提高運行效率

項目優選名牌磁懸浮水源熱泵機組、變頻主機、高效水泵等設備，一機兩用，替換較為老舊的螺桿冷水機和燃油鍋爐，并結合實際用能優化容量配置，防止冗余，大大提高了機組運行效率。

4)削峰填谷、降低運行費用

項目充分考慮了工廠用能時段的特點，利用當地峰谷價差，采用蓄冷蓄熱技術，削峰填谷，進一步降低了空調運行費用。