水蓄冷空调系统在纺织厂的应用

张飞跃

(天津工业大学,天津300160)

水蓄冷空调系统在纺织厂的应用

张飞跃

(天津工业大学,天津300160)

文章分析蓄冷水池的工作原理和过程,以上海某细纱车间为例,介绍了全自动焓值控制系统工作过程,以某织布工厂为例,分析了水蓄冷空调系统的经济性,从而得出结论：水蓄冷空调系统的节能效果显著。

水蓄冷;空调;纺织厂;焓值;冷机;水泵;节能

目前我国电网的峰谷差逐年增大,平衡电网的用电负荷是十分必要的。水蓄冷空调系统利用夜间低谷电力制冷,将冷量以冷冻水的形式蓄存起来,在用电高峰或空调负荷高峰时段向工厂释冷,可以平衡电网负荷,提高制冷机组运行效率,节约运行费用。纺织厂夏季车间冷负荷较大,若以电制冷机作为冷源,在夏季的生产中,电费支出较大。针对这种情况,在纺织空调中采用水蓄冷技术,可充分利用夜间的廉价电来生产冷冻水。水蓄冷空调系统在洛瓦全自动焓值控制系统下高效节能运行,可以给用户带来较好的经济效益。

1 纺织厂水蓄冷介绍

1.1 蓄冷工况

蓄冷工况时,制冷机、冷却塔、冷却水泵、冷冻水一次泵和水池是一个独立的制冷循环系统,见图1。纺织车间的负荷变化和喷淋室冷冻水需量的变化都不会直接影响制冷机的运行。在过渡季节,当新风焓值和车间送风焓值差距不大的时候,采用自动控制的传统空调制冷机将会频繁启停,低负荷运行,运行效率低,而水蓄冷空调系统则不会产生此状况。蓄冷工况的控制通常采用手动和自动相结合方式,即将洛瓦的自动控制系统和制冷机的控制系统相结合。当低温水池的温度高于l2℃时冷机开启。当低温水池的温度达到5℃时,冷机关闭。手动控制也是必须的,在电价的高峰时段,强制关闭冷机,在电价低谷时段,满负荷开启冷机。

图1 水蓄冷系统流程图

1.2 释冷工况

冷冻水二次泵的“按需供水”是洛瓦的核心技术之一,通过强大的控制系统实现不同的供回水温差。变频控制的冷冻水二次泵根据喷淋空调系统需要的冷量,自动计算出所需要的水量,并将所需要的冷冻水送到喷淋室。从而杜绝浪费水量,不会有多余的冷冻水回水产生。当冷冻水量不够时,系统采取变露点并结合序列控制(送风阀、水泵变频、风机变频),保证相对湿度的稳定,供水量是不断变化的。

1.3 联合供冷工况

对于全天运行的纺织厂,由于冷负荷需求量较大,通常除了电价高峰值的时间,冷机都是开启的。最近几年来,全国各地夏季高温天数逐渐增多,所以全天使用冷冻水的几率增大。

1.4 蓄冷水池

蓄冷水池可以利用纺织厂的消防水池、蓄水池,建筑地下室等改造后使用,通常采用自然分层水平隔离式蓄冷水池。经过合理的设计和高效的保温,蓄冷效率可以达到85％～95％。根据水的体积质量特性(高于4℃的水的体积质量和温度成反比),温度较高的回水漂浮于温度较低的冷冻水之上,两者缓慢混合,确保温度分层稳定。蓄冷时,冷水从一个蓄冷槽的底部进入第二个槽中,依此类推,最终所有的蓄冷槽中均为冷水。释冷是相反的过程。蓄冷水池的保温隔热要严格按照设计要求执行,良好的保温防潮能大大提高蓄冷的效率。通常水池的底部采用50mm厚的聚氨酯泡沫塑料现场发泡,另加防潮隔气层和钢筋混凝土。水池四周保温采用50mm厚的聚苯乙烯泡沫保温板加防潮隔气层,外用砖砌护墙,水泥沙浆护面。水池盖板也用50mm聚苯乙烯泡沫保温板,外加三油三毡防潮隔气层后,再以钢筋混凝土薄板护面,外加水泥沙浆。

2 冷冻系统的焓值控制

洛瓦设计的水蓄冷空调系统通过精确的焓值控制,可使制冷机运行的时间降到最低。如某细纱车间空气状态点的参数见表1,三个空气状态点在焓湿图上的区间分布见图2。

表1 某细纱车间空气状态点

图2 焓湿图三区间示意图

当新风的焓值小于送风点的焓值时,即a区间,冷冻水二次泵自动停止运行,新风阀门自动开启到合适的开度以保证室内空气温湿度。当新风的焓值大于送风点的焓值并且小于回风点的焓值时,即b区间,新风阀全部打开,同时提供部分冷冻水。夏季大约有一半时间处于该状态,由于新风焓值不停的波动导致冷冻水的需求量也不停的波动,采用水蓄冷装置,不仅使系统稳定运行而且二次泵变频控制能够最大限度地节能和精确控制温湿度。如果采用一次泵系统,制冷机很难适应频繁调节。当新风的焓值大于回风点的焓值时,即c区间,新风阀全部关闭(最小新风运行),冷冻水开启,水量根据实际负荷自动调节。按照表1的参数,如果供冷周期为6月10日到10月10日,根据上海市2007年的气象资料统计其每个小时的新风焓值(见图3),在整个供冷期中新风焓值在3个区间的所占比例差不多,即各占约1/3(供冷期间有32.25％的时间完全不需要冷冻水,有36.79％的时间使用全新风和部分冷冻水)。通过进一步统计得到在夏季最炎热的7月、8月两个月中,有6.6％的时间不需要使用冷冻水(44.3％时间需要使用全新风和部分冷冻水)。

图3 2007年上海市空气焓值分布图

通过焓值控制再辅以水蓄冷装置,充分利用a区间的时间来蓄冷,最大限度地利用a、b区间的新风,降低冷冻水消耗量,节能较为可观。

3 水蓄冷的经济性分析

以某24h运转的织布厂为例分析其经济效益。由于纺织厂空调不间断运行,所以为了保证一定的蓄冷时间以及车间设计温度,冷机选型需要增大,如果是间断运行的工厂,可以根据间断的时间来减小冷机大小。计算投资费用时不考虑水池建造费用以及喷淋水泵、风机、备用泵、电气等相关设备的费用,仅包括了制冷站中冷机、水泵和冷却塔的费用。

3.1 装机功率

织布厂所需空调制冷量为1541 kW。常规选型所需机组设备为：制冷机制冷量1583 kW,功率299 kW;冷却塔300m,功率11 kW;冷冻水一次泵流量 4.31×10-4m3/h,扬程 16m,功率 11 kW;冷冻水二次泵流量 5.07×10-4m3/h,扬程17m,功率15 kW;冷却水泵流量7.62×10-4m3/h,扬程22m,功率22 kW。所需水池体积28m3,设备总输入功率358 kW。水蓄冷选型所需机组设备为：制冷机制冷量2286 kW,功率431 kW;冷却塔500m,功率15 kW;冷冻水一次泵流量5.07×10-4m3/h,扬程 15m,功率 15 kW;冷冻水二次泵流量5.07×10-4m3/h,扬程17m,功率15 kW;冷却水泵流量1.02×10-4m3/h,扬程22m,功率37 kW。水蓄冷选型冷冻部分设备的总输入功率为513 kW。供回水温差都以10℃计算。

3.2 蓄冷水池体积计算

通过织布厂所在地的三费率电价图(见图4)可得：运行时段1(冷机开),节余4h蓄冷量;运行时段2(冷机停),节余2h蓄冷量;运行时段3(冷机开),节余4.5h蓄冷量;运行时段4(冷机停),节余1.5h蓄冷量;运行时段5(冷机开),节余3h蓄冷量;运行时段6(冷机停),蓄冷量全部耗尽。我们可以看出,水池最大的蓄冷时间是4.5h。经计算,蓄水温差为10℃时,最大蓄水池体积为1.78×10-3m3。实际上根据车间的逐时冷负荷,我们将该水池的体积确定为0.64×10-3m3,也达到了很好的蓄冷效果,只是在冷负荷最高的时刻,车间温度稍微升高了几度而已。

图4 某织布厂所在地的三费率电价图

3.3 冷冻部分投资回收期计算

常规选型的冷冻部分设备投资估算为110万元,水蓄冷选型冷冻部分设备投资为160万元,以下介绍相差50万元的回收周期。

3.3.1 静态投资回收期计算

假设每年冷机运行时间为4个月,冷负荷均匀分布,新风使用率不超过3％,不考虑设备折旧和资金投入的收益率等情况。根据图3所示的三费率电价可得,常规选型每天电费为4622.5元,蓄冷选型每天电费为3311.9元,每天节省电费约1311元。若每年运行4个月,理想情况下3.18年即可收回投资;运行3个月情况下,4.24年可收回投资。实际上每个时刻的冷负荷是不均匀的,根据实际负荷率,计算可知投资回收期为4.8年。

3.3.2 动态投资回收期计算

假设常规选型的设备运行8年报废,8年后残值为零,基准投资收益率定为8％。水蓄冷选型的设备(每天只运行2/3的时间,故运行时间较长,每年的固定折旧相对较少)运行12年报废,12年后残值为零。假定电费以外的固定运行费用相等,计算得到：常规选型每年计提折旧19.14万元,考虑折现率,8年总计153万元。水蓄冷选型每年计提折旧21.23万元,考虑折现率,12年总计254.8万元。若每年按运行90天计算,每年电费节省11.8万元,考虑资金时间价值,至第8年时,电费节省现金总流量为125.5万元,至第12年时,电费节省现金总流量为224万元。若按照每年运行120天计算,每年电费节省15.73万元,考虑资金时间价值,至第8年时,电费节省现金总流量为167.3万元。至第12年时,电费节省现金总流量为298.48万元。显然,至第12年的电费节省额已经大大超过常规选型的折旧总额,而且水蓄冷系统还能继续运行。

4 结束语

水蓄冷空调系统利用峰谷电价差,平衡电网负荷,节约运行费用。纺织厂的空调冷冻水能够以大温差运行,降低设备装机功率和蓄水池的尺寸。水蓄冷空系统需要全程进行焓值控制,能够最大程度上降低制冷站的耗能,最大程度地利用新风。由于新风的焓值千变万化,设置蓄冷水池能够防止制冷机频繁启停以及低负荷运行。在24h运行的纺织厂,需要加大制冷机和其他设备,虽然初投资增加,但是投资回收期短,尤其适用于夜间不使用空调的工厂。

[1]方贵银,陈则韶.蓄冷空调系统经济分析与比较[J].能源研究与信息,2000,16(4)：23—27.

[2]黄翔.纺织空调除尘技术的新进展[J].棉纺织技术,2008,36(3) ：1 —5.

Apply Chilled Water on Thermal Storage Air Conditioning System in Textile Mill

Zhang Feiyue
(Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China)

Working principle and process of chilled water thermal storage tank were analysed.One of Shanghai spinning mill was taken as example to show working process of full automatic enthalpy control system.One of weaving mill was taken as example to analyse economical efficiency of chilled water thermal storage air conditioning system.The result shows that the energy saving effect of chilled water thermal storage air conditioning system is remarkable.

chilled water thermal storage;air conditioning;textile mill;enthalpy;refrigerator;water pump;energy-saving

TS108.6+13

：B

：1009-3028(2011)02-0044-04

2011-02-18

张飞跃(1988—),男,天津人,学士。