綠色工廠建設(shè)探索與研究

王曉彬， 方 掩， 李 璐， 楊培志

(1. 長沙格力暖通制冷設(shè)備有限公司， 湖南 長沙 410600；2. 中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

1 引言

綠色工廠包括了三個組成部分：綠色工業(yè)建筑( 廠房)、綠色工藝( 制造技術(shù))、綠色產(chǎn)品[1]。綠色工業(yè)建筑是指在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源( 節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材) 、保護(hù)環(huán)境和減少污染、保障職工健康、加強(qiáng)運行管理，為生產(chǎn)、科研和人員提供適用、健康、安全和高效的使用空間，與自然和諧共生的工業(yè)建筑。綠色工藝是指對制造產(chǎn)品的工藝設(shè)備、工藝操作技術(shù)在整個生命周期內(nèi)(即從資源供應(yīng)、工藝設(shè)備、工藝操作、檢修維護(hù)、報廢更新的全過程)在能耗、水耗、材耗和對環(huán)境影響符合清潔生產(chǎn)的要求。

綠色產(chǎn)品是指在整個產(chǎn)品的生命周期內(nèi)符合環(huán)境保護(hù)要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少， 資源利用率高、能源消耗低，在使用產(chǎn)品時不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生污染，在回收處理過程中很少產(chǎn)生廢棄物、其材料可最大限度地被再利用。

綠色產(chǎn)品存在知識產(chǎn)權(quán)問題，不宜直接引用。本項目重點在綠色工藝、綠色工業(yè)建筑方面，實現(xiàn)綠色節(jié)能技術(shù)和應(yīng)用的突破，取得了很好的成效，在建設(shè)一個綠色節(jié)能家電工廠上積累了成功經(jīng)驗，可以行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。

2 綠色工廠建設(shè)思路及目標(biāo)

2.1 綠色工廠建設(shè)思路

綠色工廠是在綜合考慮環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)影響的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的綠色材料、綠色設(shè)計技術(shù)、綠色制造技術(shù)和循環(huán)再利用技術(shù)，制造出無害化的綠色產(chǎn)品，達(dá)到環(huán)境污染最小化、資源利用低碳化、經(jīng)濟(jì)效益最大化[2]。公司為貫徹“讓天空更藍(lán)，大地更綠”的發(fā)展理念，以促進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)品全生命周期綠色發(fā)展為目的，建立以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系為建設(shè)基礎(chǔ)，建立高效、清潔、低碳、循環(huán)的綠色制造體系。創(chuàng)建思路主要如下：

2.1.1 成立綠色工廠創(chuàng)建工作小組

管理者代表分派綠色工廠的職責(zé)和權(quán)限，確保相關(guān)資源的獲得。制定出可實現(xiàn)的管理目標(biāo)，對綠色制造各領(lǐng)域提出管理要求，并通過管理措施和手段加以實施[3]。創(chuàng)建綠色工廠管理小組，負(fù)責(zé)有關(guān)綠色制造的制度建設(shè)、實施、檢查、考核及獎勵工作，建立目標(biāo)責(zé)任制。

2.1.2 開展綠色工廠相關(guān)教育、培訓(xùn)

定期進(jìn)行綠色工廠相關(guān)教育、培訓(xùn)，并評估其結(jié)果，梳理各環(huán)節(jié)與綠色企業(yè)間的差異，制訂改正計劃、完善各類制度要求等。

2.1.3 實施創(chuàng)建方案

為打造全球最先進(jìn)的家電生產(chǎn)基地，本著“四節(jié)二保一加強(qiáng)”原則[4]：節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和保護(hù)環(huán)境、保護(hù)人體健康、加強(qiáng)運營管理。對照國家綠色制造體系的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，認(rèn)真開展創(chuàng)建工作，組織實施創(chuàng)建工作方案。

2.2 綠色工廠建設(shè)目標(biāo)

按國家最高級別綠色三星工廠的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)的，主要從“節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地和節(jié)材”等方面進(jìn)行有關(guān)創(chuàng)新與探索[5]。在運行階段公司增加保護(hù)環(huán)境、保障員工健康兩個目標(biāo)，大力推廣綠色工業(yè)建筑，傾力打造成為綠色工廠。

公司以加強(qiáng)資源綜合利用，推進(jìn)企業(yè)綠色發(fā)展為目的。將工藝、物料、設(shè)備、安全環(huán)保等生產(chǎn)業(yè)務(wù)以及企業(yè)綠色經(jīng)營管理理念高度集成；以生產(chǎn)管理為核心，以綠色產(chǎn)業(yè)鏈為主線，從而建成本質(zhì)安全、生產(chǎn)高效、節(jié)能環(huán)保、管理卓越和可持續(xù)發(fā)展的綠色工廠。

3 綠色工廠建設(shè)實施要點說明

3.1 實施關(guān)鍵工藝技術(shù)的創(chuàng)新和綠色化改造

通過改造換熱器部件關(guān)鍵工藝流程，主要包含：優(yōu)化彎頭成型工藝：開發(fā)小彎頭彎制、套環(huán)一體化工藝，結(jié)合彎頭成型潤滑液的引用，降低廢渣、揮發(fā)油使用量，車間降噪、減少廢氣彌漫，改善車間員工作業(yè)環(huán)境；優(yōu)化翅片成型工藝：翅片自潤滑鋁箔成型，并使用環(huán)保型翅片潤滑液，替代揮發(fā)油的使用，在行業(yè)進(jìn)行工藝革新；換熱器脹管工序：采用無收縮式脹管加工工藝，降低3%的貴重金屬純銅的使用量；脫脂工序：采用真空脫脂工藝，取代直燃式脫脂爐工藝，取消液化氣的使用，工藝技術(shù)更加綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可靠；焊接工序：采用高頻焊工藝，替代原始的液化氣釬焊工藝，在降低車間噪音、粉塵、廢氣等問題上有顯著效果。

3.2 推進(jìn)綠色裝備和材料的創(chuàng)新和集成應(yīng)用

通過推進(jìn)綠色裝備和材料的創(chuàng)新與集成，達(dá)到綠色制造目的，主要包含：開發(fā)小彎頭彎制、套環(huán)一體化設(shè)備；開發(fā)彎頭成型潤滑液進(jìn)行生產(chǎn)制造；開發(fā)翅片自潤滑鋁箔、開發(fā)環(huán)保型翅片潤滑液；開發(fā)無收縮式脹管機(jī)，取代有收縮脹管機(jī)與手動脹管機(jī)；開發(fā)真空脫脂烘干設(shè)備，取代直燃式脫脂爐工藝；開發(fā)高頻焊設(shè)備，結(jié)合不同的感應(yīng)釬焊線圈適應(yīng)不同產(chǎn)品，替代原始的液化氣釬焊工藝。

3.3 綠色關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

組織研究制定空調(diào)換熱器綠色制造工藝通用技術(shù)條件；真空脫脂烘干綠色工藝標(biāo)準(zhǔn)：制定真空脫脂烘干工藝標(biāo)準(zhǔn)，包括但不限于工藝參數(shù)、工藝方法、操作指導(dǎo)、應(yīng)用范圍、注意事項等；空調(diào)管路高頻綠色焊接標(biāo)準(zhǔn)：制定空調(diào)管路高頻焊標(biāo)準(zhǔn)，包括但不限于工藝參數(shù)、工藝方法、操作指導(dǎo)、應(yīng)用范圍、注意事項等。

組織研究制定空調(diào)換熱器綠色制造材料的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；自潤滑鋁箔標(biāo)準(zhǔn)：制定空調(diào)熱交換器用自潤滑鋁箔檢驗規(guī)范，包含但不限于外觀、尺寸、化學(xué)成分、力學(xué)性能、涂層性能、工藝試驗、檢驗規(guī)則等；翅片水性潤滑劑標(biāo)準(zhǔn)/彎頭水性潤滑劑標(biāo)準(zhǔn)：制定換熱器、管路用水性潤滑油檢驗規(guī)范，包含但不限于外觀、密度、運動粘度、閃點、餾程、酸堿值、成分、毒性等。

4 綠色工廠建設(shè)成果

4.1 綠色制造工藝技術(shù)

在技術(shù)工藝方面，實施清潔生產(chǎn)理念，從源頭減少污染物排放，應(yīng)用廢棄物最小化，污染預(yù)防、無廢技術(shù)、源頭消減、“零排放”技術(shù)等方法和措施，提高生產(chǎn)過程的潔凈化程度，并由傳統(tǒng)的“末端控制”轉(zhuǎn)為“源頭預(yù)防”的方式[6]。

4.1.1 小彎頭彎制、套環(huán)一體化技術(shù)

設(shè)備噪音降低至75分貝以內(nèi)，生產(chǎn)降噪約25%；節(jié)約銅資源，銅管利用率提高至100%，零廢銅廢渣產(chǎn)生；直接減少一次清洗，水資源消耗量減少50%。

4.1.2 彎頭成形潤滑液綠色環(huán)保型工藝

新型綠色無毒，無礦物油用量，無揮發(fā)性物質(zhì)排放；COD值由5 000降低至1 000 mg/L，達(dá)到直排要求；相比揮發(fā)油成本降低20%，項目推廣后節(jié)約120萬元/年。

4.1.3 自潤滑鋁箔工藝開發(fā)

超高油膜鋪展性，對比普通鋁箔節(jié)油5%，降低VOC排放；產(chǎn)品潤滑性優(yōu)異，可以有效提高涂層沖制加工性；產(chǎn)品施工性好，無需增加額外涂覆工序。

4.1.4 環(huán)保型翅片潤滑液工藝

無礦物油用量，無揮發(fā)性物質(zhì)，無VOCs排放；主要成分為水，無毒害物質(zhì)，人體親和力高；相比揮發(fā)油成本降低25%，項目推廣后節(jié)約650萬元/年。

4.1.5 無收縮脹管工藝技術(shù)

銅管用量同比傳統(tǒng)的有收縮脹管減少3%，擴(kuò)口技術(shù)采用掃描式分步擴(kuò)口，喇叭口不良率下降75%，大大提升材料的利用率；同時顯著降低貴金屬資源使用，減低銅管冶煉碳排放，具有廣泛的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

4.1.6 真空脫脂烘干技術(shù)

改善作業(yè)環(huán)境，解決污染物排放問題；對比傳統(tǒng)的生產(chǎn)線年節(jié)約燃?xì)?.2×106m3/a，回收油分220 t；取消VOC尾氣處理裝置，每條線體節(jié)約100萬元/年以上。

4.1.7 感應(yīng)釬焊工藝技術(shù)

減少碳化物、硫化物、氮化物等的排放，杜絕污染物排放；生產(chǎn)噪音低于75分貝，無噴射，徹底解決釬焊粉塵問題；成本降低，提升作業(yè)環(huán)境；年電能比燃?xì)饽茉串a(chǎn)生費用節(jié)約10%。

4.2 綠色工業(yè)建筑

綠色工廠要求的基礎(chǔ)設(shè)施包括建筑、照明、設(shè)備設(shè)施、計量設(shè)備和污染物處理設(shè)備設(shè)施。綠色工廠建筑的特點在于節(jié)材、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、無害化及可再生能源的利用[7]。

4.2.1 可再生能源應(yīng)用項目

本項目屋頂設(shè)計為平屋面，廠房主要為一層，局部設(shè)置兩層。有助于屋頂太陽能資源利用；外窗設(shè)計開啟部分以增進(jìn)自然通風(fēng)效果；各廠房合理布局，南北形成長廊，形成良好的通風(fēng)效果。

項目設(shè)計規(guī)劃在長沙，長沙市全年日太陽能輻照量10 899.21 kJ/(D·m2)，太陽能資源豐富，日照小時數(shù)4.59 h。車間屋頂空曠，適宜擺放太陽能集熱板，且周圍無高大建筑遮擋，便于接收能量。

項目設(shè)置光伏空調(diào)系統(tǒng)，主要利用項目屋頂空間建立光伏空調(diào)系統(tǒng)，提供各廠房冷熱負(fù)荷。冬季溫度低于10℃的情況下，采用冷卻塔板式換熱器，利用天然冷源提供注塑機(jī)床所需的冷凍水。

本項目合理利用可再生能源，各車間均采用光伏空調(diào)?？傃b及配套共4個廠房均采用光伏離心機(jī)，COP為6.19、6.39，滿足《冷水機(jī)組能效限定值及能源效率等級》GB 19577規(guī)定的2級及以上能效等級。光伏2018年發(fā)電80萬kWh，板換換熱等節(jié)電20萬kWh，共計節(jié)約電費支出75萬元。

4.2.2 生產(chǎn)廢水凈化回用項目

本項目排放的廢水主要是生活污水及生產(chǎn)廢水，均設(shè)置不同管道，根據(jù)水質(zhì)設(shè)置不同處理過程，分流排水，滿足當(dāng)?shù)丶皣蚁嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

生產(chǎn)廢水主要為噴涂車間脫脂廢水、陶化廢水、脫脂后水洗廢水、陶化后水洗廢水等工藝生產(chǎn)產(chǎn)生的廢水，項目在室外設(shè)置工藝生產(chǎn)廢水專用管道，輸送至項目污水處理站。廢水中的主要污染因子是有機(jī)物、SS、Zn2+、Ni2+、Mn2+、P和石油類物質(zhì)，處理采用過濾、絮凝、生化處理措施，投加NaOH+CaCl2+鐵鹽+PAM絮凝劑及鐵鹽之類的破乳劑，同時通過生化手段(水解酸化+接觸氧化工藝)處理溶解有機(jī)物。排放污水滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)一級標(biāo)準(zhǔn)，通過市政污水管網(wǎng)最終進(jìn)入市政污水處理廠。

生活污水主要為職工辦公生活污水，項目在室外設(shè)置專用污水管道，生活污水經(jīng)化糞池處理后，達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)三級標(biāo)準(zhǔn)，通過市政污水管網(wǎng)最終進(jìn)入市政污水處理廠處理達(dá)標(biāo)后排入溈水。

項目合理利用節(jié)水技術(shù)，各車間工藝?yán)鋮s水均采用循環(huán)水，冷卻水循環(huán)再利用，有效節(jié)約水資源利用。

項目設(shè)計中水回用技術(shù)，收集工藝廢水回收利用，經(jīng)過過濾、氧化、消毒等處理，處理達(dá)標(biāo)后用于廠區(qū)內(nèi)部沖廁、綠化灌溉、道路澆灑。經(jīng)過平衡計算，收集原水量可以滿足日需求量，項目中水用量為46 517.04 m3。

本項目綠化種植選用適宜長沙氣候的鄉(xiāng)土植物，綠化灌溉水源采用工藝廢水處理后的中水水源。項目綠化設(shè)置灌溉系統(tǒng)，采用滴管，既滿足綠化生長需求，又避免水源對人員影響，項目年節(jié)約用水44 000 m3/a，減少水費支出約16萬元。

4.2.3 生產(chǎn)固廢、危險品的回收利用

本項目固體廢物主要為一般固體廢物和危險廢物。

員工辦公垃圾定點分類收集后，可回收利用的外賣給廢品回收商，不可回收利用的送至垃圾收集站暫存，定期交環(huán)衛(wèi)部門統(tǒng)一處置。塑膠邊角余料可回收利用，鋼板、銅管、鋁箔等金屬邊角余料，焊渣、除塵粉塵、廢包裝材料等一般固廢均暫存于一般工業(yè)廢物貯存間，最后外售處理。一般垃圾儲存庫房屋頂設(shè)置超薄式通風(fēng)器，避免垃圾臭氣污染廠區(qū)內(nèi)環(huán)境，同時避免微生物、細(xì)菌的滋生，有效避免二次污染。

項目產(chǎn)生的危險廢物主要有廢油、含油廢手套及抹布、廢油漆桶、廢活性炭、掛具燃燒廢渣、廢切削液、污水處理站污泥等。在廠區(qū)內(nèi)乙類危險品庫北側(cè)設(shè)置一個危廢暫存間。以上危險廢物按處理要求分類分開存放，并設(shè)隔離間隔斷，禁止將不相容的危險廢物在同一容器內(nèi)混裝，同時做好“防滲、防淋、防曬”，上述危險廢物在危廢暫存間暫存，定期交有資質(zhì)的單位處理。

4.2.4 高能效設(shè)備、燈具的大量投入

本項目總裝及配套共4個廠房采用光伏離心機(jī)，車間輔房采用光伏多聯(lián)機(jī)組合。室內(nèi)主要通風(fēng)采用自然通風(fēng)，局部設(shè)置消防排風(fēng)及排煙機(jī)，均按照定風(fēng)量進(jìn)行設(shè)計。

項目供水分為生活供水及生產(chǎn)供水，生產(chǎn)用水設(shè)置三臺主泵，兩用一備，流量150 m3/h，揚程55 m，功率37 kW，帶變頻；生產(chǎn)用水設(shè)置三臺主泵，兩用一備，流量20 m3/h，揚程56 m，功率5.5 kW，帶變頻，減少能源浪費，降低能耗。

項目空調(diào)水系統(tǒng)合理設(shè)置，B車間設(shè)置兩臺清水離心泵，一用一備，流量190 m3/h，揚程35 m，功率30 kW；C車間采用3臺立式清水離心泵，兩用一備，流量225 m3/h，揚程30 m，功率30 kW；Z車間采用2臺臥式清水離心泵，流量220 m3/h，揚程36 m，功率37 kW；G車間采用3臺臥式清水離心泵，兩用一備，流量165 m3/h，揚程42 m，功率37 kW。水泵均采用變頻水泵，根據(jù)負(fù)荷變化變頻調(diào)節(jié)，減少能耗浪費，節(jié)電60萬kWh/年。

項目照明燈具選型采用節(jié)能型燈具，如LED燈、節(jié)能無極燈等。各空間如辦公室采用LED燈，樓梯走道等采用吸頂燈及壁燈。項目各房間照度設(shè)計及照明功率密度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

公共區(qū)域照明采用節(jié)能措施，樓梯間照明采用人體感應(yīng)延時開關(guān)，減少無人時間下的照明能耗，照明用電可減少4萬kWh/年。

4.2.5 車間自然通風(fēng)、自然采光技術(shù)的應(yīng)用

本項目外窗均設(shè)置可開啟扇，屋頂設(shè)置薄型通風(fēng)器，有助于改善自然通風(fēng)。項目主要為廠房，立面開口基本成均勻分布且對稱分布，利于通風(fēng)。

采用CFD手段對項目內(nèi)自然通風(fēng)效果進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如下。廠房的人體部分活動區(qū)域的風(fēng)速在1.4 m/s以上，可以通過控制外窗的開啟狀態(tài)來調(diào)節(jié)室內(nèi)風(fēng)速，滿足非空調(diào)情況下室內(nèi)舒適風(fēng)速要求。各車間換氣次數(shù)均在2次/h以上，，C車間11.09次/h，G車間3.06次/h，B車間4.04次/h，Z車間2.91次/h，均超過2次/h，可以有效利用自然通風(fēng)改善室內(nèi)環(huán)境，減少空調(diào)能耗。

項目各廠房均設(shè)置外窗，透明部分面積較大，同時車間屋頂均設(shè)有采光帶，有助于改善室內(nèi)自然采光。由于項目各車間頂均布置了采光帶，選取了典型的車間進(jìn)行計算，選取G車間、Z車間及C車間三個車間分析。采用Ecotect建模結(jié)合Radiance計算的方式對項目廠房的室內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行模擬，G車間內(nèi)設(shè)置辦公、生產(chǎn)區(qū)、工具間等主要空間，自然采光效果滿足Ⅲ級及Ⅳ級采光等級要求面積占整個功能空間面積比例約99.45%；Z車間內(nèi)生產(chǎn)區(qū)、辦公等房間滿足功能空間采光要求的面積占主要功能房間面積比例達(dá)到73.51%以上。

4.2.6 能源監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

對于任何的企業(yè)來說，能源成本都是一筆巨大的開銷。今天，對能源消耗和成本控制的管理比以往任何時候都更加迫切。對于能源控制和管理來說，實施節(jié)約資金的運行策略，降低能源采購成本，評估負(fù)荷需求和實時報價，驗證節(jié)能效果都至關(guān)重要。

以此為背景，我司基地建設(shè)時引入了能源監(jiān)控系統(tǒng)，通過系統(tǒng)將分布在廠區(qū)各區(qū)域的不同能源數(shù)據(jù)收集到系統(tǒng)后臺集中處理，對車間的重點用能設(shè)備能耗及利用率進(jìn)行監(jiān)管，對廠區(qū)日常用能的行為方式實施有效管理。

且系統(tǒng)能在能源供應(yīng)及傳輸系統(tǒng)實時監(jiān)控的基礎(chǔ)上，對廠區(qū)能耗信息、環(huán)境信息、設(shè)備信息及運營信息進(jìn)行統(tǒng)計、分析，得出與能源消耗及能源效率相關(guān)的決策性數(shù)據(jù)和信息，幫助我司管理人員了解歷史和當(dāng)前的能源使用狀況，及預(yù)測未來的能耗趨勢，輔助管理人員作出正確的能源改善策略。

同時系統(tǒng)可優(yōu)化能源管理流程，形成客觀的以數(shù)據(jù)為依據(jù)的能源消耗評價體系，減少能源管理的成本，提高能源管理的效率，及時了解各區(qū)域的真實能耗情況和提出節(jié)能降耗的技術(shù)和管理措施，協(xié)助管理者制訂對廠區(qū)各區(qū)域的能源管理措施。提高企業(yè)用能效率，減少用能成本，提高了廠區(qū)能源管理水平。

5 總結(jié)

該項目在綠色工業(yè)建筑和綠色制造工藝方面，大量研究并應(yīng)用綠色技術(shù)，最終綜合能源消耗下降20%，萬元產(chǎn)值能耗值低于70元。

該項目在綠色制造工藝方面的創(chuàng)新應(yīng)用，獲得了國家工信部的“綠色集成項目”支持；綠色工廠建設(shè)成果獲得國家工信部認(rèn)可，2018年被評為“國家綠色工廠”。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，傳統(tǒng)家電業(yè)都在轉(zhuǎn)型升級，該項目團(tuán)隊通過對綠色工廠的探索及研究，在綠色制造工藝和綠色工業(yè)建筑方面總結(jié)了一些實施要點，成果顯著且能推廣應(yīng)用。