卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗研究與實(shí)踐

陳輝

（湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司三峽卷煙廠 湖北 宜昌 443100）

卷煙的生產(chǎn)制造離不開一個恒溫、恒濕的生產(chǎn)環(huán)境，而卷煙廠中央空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)就是空調(diào)占據(jù)了很大的面積、全面處于恒溫與恒濕狀態(tài)及車間內(nèi)工藝設(shè)備發(fā)熱量多且極易變化等，所以，空調(diào)系統(tǒng)往往具有很大的風(fēng)量、較高的能耗，同時，制冷機(jī)組也處于全年運(yùn)行狀態(tài)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在煙草生產(chǎn)總能耗中，接近?是空調(diào)制冷能耗，因此，有效地控制空調(diào)系統(tǒng)的能耗，有助于其運(yùn)行成本的降低，且也與我國環(huán)境保護(hù)的基本國策相符，可促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［1］。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

典型的中央空調(diào)主要由4部分構(gòu)成，即制冷機(jī)組、冷水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

（1）制冷機(jī)組：空調(diào)制冷機(jī)組在中央空調(diào)系統(tǒng)中發(fā)揮著極其關(guān)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(jī)、冷凝器、電子膨脹閥和蒸發(fā)器。首先，蒸發(fā)器中涉及的低壓氣態(tài)制冷劑需要通過壓縮機(jī)予以壓縮，然后再向冷凝器傳輸，并在其中和冷卻水系統(tǒng)展開熱交換，最終被冷凝為高壓液體。制冷劑在實(shí)際冷卻過程中會釋放大量的熱能，再被冷卻水循環(huán)系統(tǒng)所吸收，最后經(jīng)冷卻塔進(jìn)入大氣。之后，在蒸發(fā)器前節(jié)流裝置中，即在電子膨脹閥中，冷凝器內(nèi)包含的高壓液態(tài)制冷劑會轉(zhuǎn)化為制冷劑液體，狀態(tài)為低壓、低溫，并進(jìn)入到蒸發(fā)器中。對于制冷劑與冷水系統(tǒng)而言，會在蒸發(fā)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱交換，通過冷水循環(huán)系統(tǒng)，將冷量傳輸給被制冷對象。然后，在蒸發(fā)器中氣化之后的制冷劑會轉(zhuǎn)化成低壓氣體，并再一次進(jìn)入到壓縮機(jī)中，這樣不斷循環(huán)。

（2）冷凍水循環(huán)系統(tǒng)：冷凍水系統(tǒng)主要組成部分有管理結(jié)構(gòu)和冷水水泵兩個部分。就低溫冷水而言，主要由制冷主機(jī)中流出，然后由冷水水泵利用管路傳輸?shù)斤L(fēng)機(jī)盤系統(tǒng)，吸收室內(nèi)熱量，轉(zhuǎn)化為高溫冷水回水，然后再進(jìn)入到冷水機(jī)組中，與制冷劑之間進(jìn)行熱交換，將熱量向制冷劑傳輸，然后將冷量輸送到風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，最終達(dá)到制冷的效果。

（3）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)：冷卻水系統(tǒng)組成部分包括冷卻水泵、冷卻水管路和冷卻水塔。當(dāng)制冷機(jī)組處于工作狀態(tài)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(tǒng)將其由室內(nèi)向室外排放。對于冷卻水循環(huán)系統(tǒng)涉及的作用而言，表現(xiàn)為吸取吸水機(jī)組在制取冷量過程中散發(fā)的熱量，值得注意的是，不論是冷水傳遞的熱量，還是冷水機(jī)組在工作過程中形成的熱量，都包含在吸收的范圍內(nèi)，之后再向冷卻塔輸送，將其排出室內(nèi)，被冷卻的冷卻水循環(huán)到冷水機(jī)組的冷凝器，再次對熱量進(jìn)行吸收，反復(fù)循環(huán)，為持續(xù)開展冷水機(jī)組制冷提供充足的保障［2］。

2 卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)存在的問題

（1）制冷劑會長時間處于開啟狀態(tài)，同時效率不高。因為卷煙廠需要全年供冷，造成冷機(jī)需要長期乃至全年展開制冷。一般來說，制冷劑均是以設(shè)計負(fù)荷的上限為基礎(chǔ)選擇型號，同時立足于此和一定的安全系數(shù)相乘，所以，制冷劑的運(yùn)行很難在60%～85%的高效率負(fù)荷下展開，特別是當(dāng)制冷量不大時，運(yùn)行效率更不理想［3］。另外，制冷劑統(tǒng)一提供各表冷器供應(yīng)的冷凍術(shù)，冷凍水出水溫度要和最低溫度要求相符，從而導(dǎo)致高質(zhì)低用的現(xiàn)象出現(xiàn)在其他末端。例如，該廠車間的設(shè)局工況，新回風(fēng)混合后的露點(diǎn)溫度為15°C，同時，除濕負(fù)荷不大，這時對冷凍水的溫度要求不高，進(jìn)而會浪費(fèi)冷凍水，與此同時，冷凍水的溫度和環(huán)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(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)，冷凍水泵和風(fēng)機(jī)能耗高、效率低。相同車間中的多臺空調(diào)末端設(shè)備存在不同的送風(fēng)溫度，導(dǎo)致控制缺乏秩序性，顯著加大耗能。風(fēng)機(jī)和冷凍水泵的設(shè)置都是根據(jù)最大設(shè)計負(fù)荷和安全系數(shù)相乘展開，在日常使用中，所處負(fù)荷率均較低，進(jìn)而增加了單位冷負(fù)荷能量。

（3）冷熱抵消現(xiàn)象十分常見。常規(guī)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(nèi)輸送。此流程先除濕再加濕，先降溫后升溫，會抵消和浪費(fèi)冷熱量。

（4）高溫蒸汽再熱造成高質(zhì)低用現(xiàn)象出現(xiàn)，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(dá)200℃，過大的溫差會加重?zé)崮軗p耗，同時致使高質(zhì)低用問題出現(xiàn)。

3 卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)有節(jié)能措施和研究

3.1 采用節(jié)能自動控制

隨著季節(jié)變化，空調(diào)系統(tǒng)溫濕度自動控制，應(yīng)調(diào)整各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如：在炎熱的夏季，會采取控制表冷閥開度的方式實(shí)現(xiàn)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(dá)到加濕與升溫的目的［4］。過去劃分季節(jié)工況多利用日歷表來進(jìn)行，但因為室外氣象參數(shù)經(jīng)常會發(fā)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(jié)工況進(jìn)行劃分，就會導(dǎo)致一年中的大部分時間空調(diào)區(qū)域中的溫濕度會產(chǎn)生巨大波動，不僅無法讓設(shè)計要求得到滿足，也讓本就緊缺的能耗被浪費(fèi)。

要想促進(jìn)空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量得到全面提升，并達(dá)到節(jié)能降耗的目的，就需優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)。具體做法如下。（1）把卷煙廠周圍可能會產(chǎn)生室外空氣變化的范圍劃分成若干個區(qū)域，明確各區(qū)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況。（2）將室內(nèi)和室外的熱濕負(fù)荷變化整合在一起，全面分析空氣處理設(shè)備所具備的能力，通過邏輯控制，自動將空調(diào)系統(tǒng)由一種工況轉(zhuǎn)換成另一種工況，并確保其可靠性、經(jīng)濟(jì)性。（3）在過渡季節(jié)，需要對室外新風(fēng)冷源進(jìn)行合理運(yùn)用，將冷水機(jī)組的開機(jī)時間延遲，或?qū)⑵錅p少；冬季時，把新風(fēng)閥開度減少，在確?？諝赓|(zhì)量的同時，借助回風(fēng)余熱，節(jié)能降耗。

3.2 水系統(tǒng)

3.2.1 提高制冷機(jī)COP

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)總能耗中，40%左右是制冷機(jī)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(fā)溫度提高，冷凝溫度降低。以該廠離心式冷水機(jī)組為例，每當(dāng)其冷水出口的溫度升高1℃，則機(jī)組能效就會提高3%；而每當(dāng)冷卻水溫度降低1℃，制冷量的提高介于2%～3%，立足于實(shí)際狀況，開展變水溫運(yùn)行。（2）對設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷做出合理調(diào)整。（3）通過變頻裝置，調(diào)節(jié)離心制冷劑壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。夏季空氣露點(diǎn)溫度高，屬于卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)的主要特征，對此，應(yīng)適當(dāng)?shù)貙⒗渌┧疁囟忍岣?，維持在10℃～12℃。隨著空調(diào)負(fù)荷變小，借助把冷水供水溫度慢慢提高來促進(jìn)冷水機(jī)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(yīng)經(jīng)常清洗制冷機(jī)，以免污垢存在于冷凝器和蒸發(fā)器中。

3.2.2 采用二次泵系統(tǒng)及變頻泵代替調(diào)節(jié)閥

要想順利適應(yīng)末端負(fù)荷的變化，降低水泵能耗，避免制冷機(jī)側(cè)變量對制冷機(jī)造成影響，就可采取以下兩種途徑，分別是對二次泵系統(tǒng)予以采用、將調(diào)節(jié)閥以變頻水泵代替。近年來，某些卷煙廠開展技術(shù)改造的過程中會嘗試運(yùn)用二次泵系統(tǒng)，現(xiàn)階段，尚未有實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)支持一次泵定頻和二次泵變頻系統(tǒng)形式的節(jié)能效果。以變頻泵將調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的方式，對系統(tǒng)流量進(jìn)行全面的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。而將調(diào)節(jié)閥以變頻泵取代，表現(xiàn)為末端根據(jù)各自回路的需求對水泵進(jìn)行配置。具體設(shè)計方面，需要在相同支路上變聯(lián)負(fù)荷特性變化相似的空調(diào)末端設(shè)備，既能夠把水泵輸送功率相應(yīng)減小，大約為31.9%，也有助于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，并讓諸多問題得到有效解決，包括使用調(diào)節(jié)閥讓水泵工作點(diǎn)發(fā)生偏移，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及閥門關(guān)小時，受節(jié)流與壓降的影響而讓噪聲出現(xiàn)等。

3.2.3 冷卻塔免費(fèi)供冷

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

3.3 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制

3.3.1 風(fēng)機(jī)變頻

夏季，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)溫度需要維持在16～18℃，可以說已經(jīng)是最低溫度，與機(jī)器露點(diǎn)溫度L接近。但這一季節(jié)過后，進(jìn)入春秋又或是冬季時，車間空調(diào)熱負(fù)荷LQ會逐漸變小，如果空調(diào)送風(fēng)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(fēng)量不變，其他季節(jié)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O′慢慢向上移動，待冬季時，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O2就會上升，并與室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N距離非常；如果變風(fēng)量運(yùn)行，則隨著LQ變小，風(fēng)量G也會一并變小，那么（tR-tO）能夠不超出正常范圍，進(jìn)而可提高系統(tǒng)效率。且當(dāng)閥門全開時，管阻最小，可以緩解管路涉及的風(fēng)力不平衡情況，促進(jìn)空調(diào)使用效果的提升。所以，風(fēng)機(jī)變頻車輛指的是在設(shè)定值保持（tR-tO）的不變，通過閉環(huán)PID控制變頻器，轉(zhuǎn)變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)分量，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。在季節(jié)工況動態(tài)的變化下，（tR-tO）設(shè)定值也會隨之出現(xiàn)改變，所以，冬季和夏季在工況方面可適當(dāng)提高設(shè)定值。要想避免空調(diào)風(fēng)量變小引發(fā)車間氣流紊亂，又或是導(dǎo)致溫濕度場不均，應(yīng)確保分機(jī)變頻調(diào)速在最低限設(shè)置方面能夠符合最小送風(fēng)壓力。

圖2 焓濕圖

3.3.2 加濕方法改進(jìn)

對于卷煙廠車間而言，涉及較大的顯熱負(fù)荷及較小的潛熱負(fù)荷，在部分比較干燥的地區(qū)與季節(jié)，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(diǎn)溫度上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)只降溫不除濕的效果，同時，讓表冷器負(fù)荷得到降低，減小加濕器與再熱器的負(fù)荷，另一方面促進(jìn)制冷機(jī)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(jié)運(yùn)用蒸汽加濕形成的溫升會導(dǎo)致空氣溫度不滿足有關(guān)要求，對此，應(yīng)打開制冷機(jī)，達(dá)到冷熱抵消的效果。因此，出現(xiàn)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?qū)囟冉档?。通常情況下，我國中原地帶春夏、夏秋換季過程中，適用空調(diào)溫濕度控制。通過微霧發(fā)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(diǎn)，如：高壓微霧加濕器所需求的水質(zhì)較高，同時噴孔小，容易堵塞，噴頭造價高，后期需要花費(fèi)較高資金維修；盡管汽水混合微霧加濕對水質(zhì)要求較高，也不容易發(fā)生故障，但對壓縮空氣量有很大的需求，進(jìn)而在一定程度上增加了隱性投資。

4 結(jié)語

綜上所述，空調(diào)系統(tǒng)的能耗幾乎占到卷煙廠所有能耗的一半以上，對此，應(yīng)將空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)給聯(lián)系起來，對有效的節(jié)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(yōu)化處理各個細(xì)節(jié)，充分挖掘空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備中每個部件的潛能，提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率。