空气调节节能技术研究与应用

吕喆安 薛焱 索东盛

（上海烟草集团有限责任公司天津卷烟厂 天津 300163）

1 引言

工厂空调系统节能技术研究与应用对于企业发展具有重要的节能降耗与经济意义，同时也是符合国家目前的环境保护和可持续发展政策。卷烟企业工艺生产过程中产热、产湿、产尘，车间面积较大，负荷影响因素较多，经常24小时连续生产，且恒温恒湿控制精度较高，空调系统相对复杂。如何更好满足车间温湿度及空气品质的要求，同时又尽可能地减少能源的消耗，本文进行了深入浅出的分析，提出现有节能研究的不足之处及今后的研究方向，且结合工厂实际，提出了几项具有可实施性的节能措施。

2 系统简介

2.1 空调系统简介

烟厂动力中心为工厂各生产过程提供能源保障，负责工厂主要能源的过程控制。空调运行过程耗用大量电、水、蒸汽等一、二次能源，是工厂能耗中的重要组成部分。对于卷烟企业，空调系统的能源消耗来自如下几个方面：

图1 组合式空调原理示意图

从上述烟厂冷冻空调系统的流程图上可以看出，空调系统的能耗归根结底分为三种能耗：电能、软水和锅炉燃烧天然气的消耗。因此，烟厂空调系统的节能研究与应用就是要解决如何降低电能、软化水和天然气消耗的问题。

2.2 空调系统多工况控制策略

空调节能的三大原则：（1）最大限度利用室外新风冷源；（2）最大限度减少制冷机运行周期；（3）最大限度减少蒸汽和电力消耗。

文章提出的空调系统全年多工况控制策略节能方法，自2012年度已在我厂空调系统运行中运用。全年多工况控制策略是指在全年某一特定时刻的室外气象条件和车间热湿负荷条件下，能否选择最合理、最节能的热湿处理流程及手段，是卷烟企业空调自控系统能否保证温湿度精度及节能的前提条件。全年多工况控制策略将全年划分为若干个工况区域，在每个工况区域内制定出一个最合理、最节能的温湿度控制模型，保证全年各时刻的温湿度控制精度，寻求空调系统的最佳运行方案。

空调温湿度主要控制参数有：

（1）车间空气温度（tn±△t，℃）

（2）车间空气相对湿度（Φn±△Φ，%RH）

空调温湿度指标控制情况用制（过）程能力指数Cpk表示，Cpk值的大小反映了温湿度合格率的高低。

2.3 空调系统的节能潜力

由于烟厂车间的大部分设备产热量大，空调系统大部分时间都要送冷风来维持工房内的温度平衡（tS

根据上述分析，在保证工房温、湿度的前提下，空调系统从调节送风量和根据季节天气全年多工况调节这两个方面有着不错的节能潜力。

3 空调节能方案研究

3.1 技术方案一——空调系统变风量运行

空调系统中，风机风量（L）与电机功率（N）存在以下关系：

当L1=0.8L0时，N1=0.512N0，即当风量减小到80%时，风机的功率减少了一半。

风机风量与电机功率关系曲线如下图所示：

图2 风机风量与电机功率关系曲线

因此，在工厂的空调系统设计安装阶段，空调风机选择变频风机，在车间生产趋于平稳的情况下，根据车间的温湿度波动不断优化空调系统的控制参数，将风机变频器设置在40Hz~50Hz范围内，当外界非极端天气时，空调电机基本都保持在40Hz运行，车间温湿度月均Cpk值达到1.33以上，节约电能50%左右。

3.2 技术方案二——全年多工况控制方式

采用全年多工况控制方式，在过渡季节加大新风的利用，辅助加热和加湿阀的操作，缩短制冷机开启周期，节约用电量。

图3 焓湿度多工况分区图

表1 焓湿度多工况分区表

3.2.1 一区：冬季加热加湿区

由于新风温度低于送风温度，以蒸汽加湿阀为湿度调节手段，蒸汽加湿阀热蒸汽所携带的热量正好可以提高送风温度，减少加热阀的开度；温度调节通过调节加热阀来完成；当室内出现异常热量干扰时，如加热阀已经完全关闭，则通过提高新风量进行降温。

3.2.2 二区：过渡季，冷却加湿区

由于室外新风的焓值也在室内等焓线以下，蒸汽加湿过程中产生的温度升高情况可以采用适当开启新风阀来降低温度，从而减少了表冷阀的使用，缩短了制冷系统的开启周期，节约了电能。

3.2.3 其他工况区域

对于其他工况区，（包括三区：过渡季，冷却加湿区；四区：夏季，冷却加湿区；五区：极端工况，冷却除湿区；六区：极端工况，冷却除湿区）我们通过设备的实际运行状况，总结出了卷包车间6台组合空调自动调节状态下各机段阀门开启的范围，以及自控状态出现异常时，手动开启阀门的建议调整范围，有效的避免阀门的过度开启或开启不足可能造成的送风过热、过冷、送风带水或区域温湿度失控等状况。

3.3 技术方案三——提高冷冻水温度

表2 制冷系统设备开启情况

经过分析，发现整个制冷期当中，夏季工况，制冷系统基本已经为满负荷运转，为保证工艺指标我们不做研究，我们把此次项目的研究重点放在了过渡季节制冷系统的运行上。

根据制冷系统工作原理，在满足室内空调效果的前提下，随着空调冷水供水温度的升高，冷水机组制冷剂的蒸发温度升高，冷水机组的单位制冷量能耗降低。

设定不同的制冷机组供水温度，在平稳运行2h后，分别记录蒸发器蒸发温度状态，如表3所示。由于冷水机组的最低设计蒸发温度不得低于2℃，所以供水温度最低为5℃。同时，考虑到高湿度天气下组合空调的除湿效果，表冷器有效除湿温度不得高于10℃，所以冷水机组最高供水温度为9℃。

按照公式

式中：

计算条件：制冷剂为R134a，冷凝温度为40℃，蒸发温度分别为2.41，3.71，5.00，6.33，7.63℃，可以得到不同蒸发温度下制冷量单位能耗。

表3 蒸发器、供水温度及单位制冷量能耗对照表

上表可以看到，按照理想状态，供水温度为9℃时要比供水温度为7℃时节能9.5%。因此，最终选定供水温度为9℃。

4 改造后的节能效益分析

4.1 改造情况

4.1.1 重新调整空调风机的变频器设置，天气温和时低频运行，节约电能。

4.1.2 对空调加湿阀、加热阀、表冷阀按照不同工况进行PID参数的优化，保障空调送风温、湿度的稳定性，保证工艺指标Cpk≥1.33，并起到节约蒸汽和制冷机冷冻水冷量消耗的目的。

4.1.3 回风阀和排风阀的开度根据风阀面积和新风阀的开度制订调节模式；新风阀全年调节最大开度为80%，最小开度为20%；回风阀全年调节最大开度为100%，最小开度为40%。

4.1.4 空调设备的加湿器按季节工况设置最大开度，以防非干燥季节因超调将空气瞬间加温至过饱和状态，导致送风中“飘水”现象。

4.1.5 在三至六区需开制冷机，第一、二区停制冷机。

4.1.6 在过渡季节提高制冷机冷媒水的出水温度。

4.2 节能效果分析

4.1.1 制冷系统

根据“天津卷烟厂能源管理系统”的制冷系统耗电记录，我们将2012年10月份和2013年10月份做一个横向对比：

图4 2012 年10 月份和2013 年10 月份电量横向对比

按照全年4个月的过渡季节计算，全年节约用电量约68000kW·h，按照0.88元/度计算，折合人民币6万元。

4.1.2 空调系统

（1）变频器变频节能

卷包车间使用的空调由送风机和回风机两个风机，送风机功率（55kW），回风机功率（22kW）。由公式（1），当L1=0.8L0时，N1=0.512N0，即当风量减小到80%时，风机的功率减少了一半。六台组合空调，按照工业用电0.82元/kW·h，每年有半年是非极端天气计算，每年节约用电费用约合80万元。按照多工况方式只开启5台空调设备每年节省约66万元。

（2）采用多工况控制方式，减少空调开启台数节能

卷包车间使用的空调由送风机和回风机两个风机，送风机功率（55kW），回风机功率（22kW）。

按照六台组合空调计算：

N1=0.512N0

（55+22）（kW）×6（台）×24（h）×0.512=5677kW·h

按照工业用电0.82元/kW·h计算：

每天节省0.82×5677kW·h=4655元

按照每年有半年是非极端天气计算

每年节省4655×365×0.5≈85万元

5 结语

在室外环境温湿度相似、车间生产负荷变化不大的情况下，采用多工况控制方式调节空调系统的运行状态，在节能经济性与温湿度指标控制方面收到了非常显著的效果。

5.1 采用多工况控制方式，卷包车间工房温、湿度Cpk同比上升14.0%，较前年同期上升31.4%（2013年Cpk为1.79，2012年Cpk为1.57，2011年Cpk为1.34）。

5.2 单工况控制方式受外界环境温、湿度影响较大，工房温、湿度波动较大，尤其在极端天气时需要手动操作，受操作人员技术原因影响较大。

5.3 采用多工况控制方式，过渡季节更多的利用了新风的参与，除了带来的直接经济效益以外，新风量的增大也加大了车间内的换气次数，对于烟厂这种特殊工艺的车间，增加换气次数对操作人员的身体健康是一个保障。

5.4 采用多工况控制方式，空调系统的平均节电率为24.4%。

5.5 从节能投资收益分析，采用多工况调节方式，每年比未实施项目前平均节省电费157万元。

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