基于氣象參數(shù)的紡織空調(diào)調(diào)節(jié)區(qū)域劃分研究

柳志強(qiáng) 顏蘇芊 楊進(jìn)崗

（1.西安工程大學(xué)，陜西西安，710600；2.咸陽紡織集團(tuán)有限公司，陜西咸陽，712000）

我國當(dāng)前能源短缺的問題十分突出，紡織也是能耗較大的行業(yè)，傳統(tǒng)的紡織空調(diào)能耗占紡織廠總能耗30%左右［1-2］。部分紡織廠雖已安裝了空調(diào)自控系統(tǒng)，在一定程度上降低了空調(diào)能耗，但由于對室外氣象參數(shù)劃分不夠精確，導(dǎo)致空調(diào)自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度不夠，在一定程度上仍然會造成能源浪費(fèi)。目前，紡織空調(diào)自控系統(tǒng)存在以下缺陷：一是空調(diào)系統(tǒng)具有多工況性，不合理的分區(qū)使系統(tǒng)存在冷熱抵消現(xiàn)象；二是室外新風(fēng)的引入對空調(diào)系統(tǒng)的能耗影響較大［3-4］。

本研究對鹽城某紡織廠空調(diào)自控系統(tǒng)全年實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，結(jié)合室外氣象參數(shù)和車間溫濕度控制范圍，科學(xué)劃分每個(gè)季節(jié)的空調(diào)自控調(diào)節(jié)區(qū)域，并制定出相應(yīng)的調(diào)節(jié)方案，從而確保空氣調(diào)控快速且準(zhǔn)確，盡量減少能源消耗。

1 空調(diào)全年運(yùn)行調(diào)節(jié)分區(qū)

我國各地區(qū)由于地理位置的差異，室外氣象參數(shù)變化很大，而紡織廠空調(diào)系統(tǒng)往往需要通過引進(jìn)室外新風(fēng)調(diào)控車間溫濕度，因此有必要對全年的室外氣象參數(shù)進(jìn)行討論。

我們對徐州某紡織廠進(jìn)行了調(diào)研。該廠空調(diào)自控系統(tǒng)按照冬季、夏季以及過渡季3 個(gè)模式調(diào)節(jié)車間溫濕度。在采用空調(diào)自控系統(tǒng)前后同期空調(diào)用電量對比如表1 所示。對比發(fā)現(xiàn)2021 年同期用電量比2020 年有明顯下降，平均每月節(jié)約電量3 297 kW·h，節(jié)電率5.70%。由此可見，將全年室外氣象參數(shù)進(jìn)行合理分區(qū)，可以有效利用室外新風(fēng)來達(dá)到較高的車間環(huán)境質(zhì)量，并且能夠降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。

表1 采用空調(diào)自控系統(tǒng)前后用電量對比

現(xiàn)有空調(diào)自控系統(tǒng)一般是依據(jù)全年室外氣象參數(shù)按冬季、夏季以及過渡季來劃分調(diào)節(jié)區(qū)域。但簡單將全年室外氣象參數(shù)按照時(shí)間來劃分，顯然不能保證控制精度，也就不能最大程度地節(jié)約能耗。因此對于某個(gè)特定地區(qū)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)的具體變化情況，將空調(diào)調(diào)節(jié)區(qū)域做更詳細(xì)的劃分，以最大程度地節(jié)約能耗。

空氣焓值可以看成是空氣溫濕度的綜合反應(yīng)，在討論室外氣象參數(shù)分區(qū)時(shí)，可將焓值作為室外空氣狀態(tài)變化的判定依據(jù)。由于紡織廠空調(diào)自控系統(tǒng)根據(jù)不同室外氣象參數(shù)來判定調(diào)節(jié)分區(qū)，一般將室外氣象狀況分成5 個(gè)區(qū)域［5］。冬季寒冷區(qū)iw≤iw＇，冬季區(qū)iw＇＜iw≤ik0，過渡季區(qū)ik0＜iw≤ik，夏季區(qū)ik＜iw≤iN，夏季炎熱區(qū)iw＞iN。其中：iw為室外實(shí)時(shí)測試焓值；iw＇為采用最小新風(fēng)量不需要預(yù)熱時(shí)的空氣焓值；ik0為冬季最低送風(fēng)機(jī)器露點(diǎn)的焓值；ik為夏季最高送風(fēng)機(jī)器露點(diǎn)的焓值；iN為夏季所允許的最高室內(nèi)空氣的焓值。該分區(qū)屬于一般情況，依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)進(jìn)行實(shí)際分析，就可以確定出該地區(qū)具體的區(qū)域劃分。本研究以鹽城某紡織廠為研究對象，確定其室外氣象區(qū)域的具體劃分，并為每個(gè)區(qū)域制定相應(yīng)的空調(diào)自控調(diào)節(jié)方案。

2 鹽城某紡織廠空調(diào)全年運(yùn)行調(diào)節(jié)分區(qū)

本系統(tǒng)在鹽城某紡織廠安裝運(yùn)行，根據(jù)車間工藝要求及歷史運(yùn)行參數(shù)，得出各個(gè)分區(qū)模式下車間內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)范圍，如表2 所示。

表2 車間內(nèi)空調(diào)溫濕度控制范圍

2.1 冬季到過渡季區(qū)域劃分

以2020 年鹽城冬季每天每隔3 h 記錄的室外氣象參數(shù)為研究對象進(jìn)行分析，選取其中具有代表性的數(shù)據(jù)列舉，如表3 所示，并將其繪制在焓濕圖中，如圖1 所示。

表3 2020 年鹽城冬季室外氣象參數(shù)

圖1 冬季到過渡季臨界值分析圖

圖1 中，根據(jù)車間冬季溫濕度控制范圍（1-2-3-4）的最低點(diǎn)1 點(diǎn)，經(jīng)1 點(diǎn)做等含濕量線與相對濕度95% 相 交K點(diǎn)，過K點(diǎn) 做 等 焓 線，與1 點(diǎn) 和95%相對濕度線的切線交于C點(diǎn)，1 點(diǎn)和C點(diǎn)的連線按照新風(fēng)占比10%延長，延長線與焓濕圖邊緣交于A點(diǎn)。A點(diǎn)與1 點(diǎn)的連線未進(jìn)入結(jié)霧區(qū)，則A點(diǎn)可以直接和車間空氣混合來調(diào)節(jié)車間溫濕度，此時(shí)A點(diǎn)為該地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)無需預(yù)熱的焓值最低點(diǎn)。

由 圖1 可 見，A點(diǎn)與1 點(diǎn) 在C點(diǎn)混 合 后，經(jīng) 噴水室處理后到達(dá)K點(diǎn)，將此空氣送往車間，在吸收了車間的余熱量后，空氣狀態(tài)又從K點(diǎn)變化至1點(diǎn)，最后空氣被排出車間。此時(shí)根據(jù)新風(fēng)比的計(jì)算公式（1）求出新風(fēng)比m為13%［6］。

式中：h1為車間溫濕度調(diào)節(jié)范圍最低點(diǎn)1 所在的等焓線；hLd為機(jī)器露點(diǎn)Ld所在的等焓線；hWd為室外點(diǎn)Wd所在的等焓線。

一般認(rèn)為當(dāng)新風(fēng)使用量超過10%時(shí)就進(jìn)入了過渡季調(diào)節(jié)區(qū)域，圖1 中無需預(yù)熱的最低焓值點(diǎn)A點(diǎn)混合的新風(fēng)比為13%，且鹽城紡織廠的室外氣象參數(shù)焓值均高于A點(diǎn)。其中，圖1 中少數(shù)氣象點(diǎn)直接與室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)混合會進(jìn)入結(jié)霧區(qū)，根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，室外空氣設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇應(yīng)采用歷年平均不保證50 h 的干球溫度，所以這一部分點(diǎn)可以忽略不計(jì)。則該地區(qū)無冬季調(diào)節(jié)區(qū)域，直接進(jìn)入過渡季區(qū)域進(jìn)行車間溫濕度調(diào)節(jié)。

2.2 過渡季到夏季區(qū)域劃分

以2020 年鹽城夏季每天每隔3 h 記錄的室外氣象參數(shù)為研究對象進(jìn)行分析，如圖2 所示。

圖2 過渡季-夏季臨界值分析圖

圖2 中，1＇-2＇-3＇-4＇為車間 夏季溫濕 度 控制范圍，hX1＇為最低點(diǎn)1＇所在的等焓線，hX4＇為最高點(diǎn)4＇所在的等焓線，取溫濕度區(qū)間最低點(diǎn)1＇和最高點(diǎn)4＇處的等含濕量線與相對濕度95%相交于LX1＇和LX4＇點(diǎn)，減去擋水板過水量為0.5 g/kg，得機(jī)器露點(diǎn)LX1＇和LX4＇＇，hX1＇和hX4＇＇分 別 為 機(jī) 器 露 點(diǎn) 所 在 的 等焓線。LX1＇點(diǎn)所 在 的 等焓 線hX1＇為 過 渡季 和 夏 季的 焓 值 分 界，LX1＇點(diǎn) 所 在 的 等 焓 線hX1＇的 焓 值 為66.8 kJ/kg，LX4＇點(diǎn) 所 在 的 等 焓 線hX4＇＇為 夏 季 區(qū) 域和夏季炎熱區(qū)域的焓值分界，LX4＇點(diǎn)所在的等焓線hX4＇的焓值為78.2 kJ/kg。

綜上所述，當(dāng)hw≤66.8 kJ/kg 時(shí)，該地區(qū)進(jìn)入過渡季區(qū)域進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)；當(dāng)66.8 kJ/kg ≤hw≤78.2 kJ/kg 時(shí)，該地區(qū)進(jìn)入夏季區(qū)域進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)；當(dāng)hw＞78.2 kJ/kg 時(shí)，該地區(qū)進(jìn)入夏季炎熱區(qū)域進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)。

3 鹽城過渡季區(qū)域調(diào)節(jié)分析及方案

3.1 過渡季區(qū)域分析

以2020 年鹽城過渡季每天每隔3 h 記錄的室外氣象參數(shù)為研究對象進(jìn)行分析，如圖3 所示。

圖3 鹽城過渡季區(qū)域調(diào)節(jié)分析

圖3 中，室外氣象點(diǎn)W1、W2、W3分別與車間過渡季溫濕度區(qū)間的最低點(diǎn)1＇＇混合，隨著室外焓值的逐漸增大，新風(fēng)的占比也逐漸增大。此時(shí)PLC 自控系統(tǒng)采用步進(jìn)算法求出新回風(fēng)比對車間溫濕度進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)室外焓值hw≤66.8 kJ/kg 時(shí)，自控系統(tǒng)自動判定將空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式切換至過渡季節(jié)模式，加入過渡季節(jié)空調(diào)設(shè)備運(yùn)行的控制算法。冬季轉(zhuǎn)入春季時(shí)，隨著室外溫度升高，室外焓值逐漸增大，新風(fēng)窗開度由10%逐漸向100%增加，新風(fēng)的利用量也逐漸增至最大。反之，夏季向秋季轉(zhuǎn)換時(shí)，室外溫度逐漸降低，新風(fēng)窗開度也由100%向10%逐漸減小。

3.2 過渡季區(qū)域調(diào)節(jié)方案

將室外空氣W與室內(nèi)空氣N1＇＇（1″對應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn)）按照新回風(fēng)步進(jìn)算法調(diào)節(jié)的比例進(jìn)行混合，在C點(diǎn)混合后，再經(jīng)噴水室處理，其狀態(tài)由C點(diǎn)變化至機(jī)器露點(diǎn)K點(diǎn)，然后將此空氣送往車間，在吸收了車間的余熱量后，空氣狀態(tài)又從K點(diǎn)變化至N點(diǎn)（N點(diǎn)位于過渡季車間控制溫濕度范圍內(nèi)），最后空氣被排出車間。

4 夏季區(qū)域分析及調(diào)節(jié)方案

4.1 夏季區(qū)域分析

以2020 年鹽城夏季每天每隔3 h 記錄的室外氣象參數(shù)為研究對象進(jìn)行分析，如圖4 所示。

圖4 鹽城夏季區(qū)域調(diào)節(jié)分析

根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，空調(diào)自控系統(tǒng)進(jìn)入夏季模式后，根據(jù)室外焓值的大小，分為兩種控制方式。一是當(dāng)66.8 kJ/kg ≤hw≤78.2 kJ/kg 時(shí)，此時(shí)為全新風(fēng)模式；二是當(dāng)hw≥78.2 kJ/kg 時(shí)，則新風(fēng)窗開度最小10%，保證車間最小新風(fēng)量，采用大量回風(fēng)經(jīng)過噴淋處理后調(diào)節(jié)車間溫濕度。

夏季模式當(dāng)室外焓值小于車間焓值且相對濕度小于95%時(shí)，采用100%全新風(fēng)經(jīng)噴淋室處理后送至車間調(diào)節(jié)車間溫濕度，當(dāng)相對濕度不小于95%時(shí)，新風(fēng)經(jīng)由風(fēng)機(jī)直接送入車間調(diào)節(jié)車間溫濕度；當(dāng)室外焓值大于車間要求溫濕度最高點(diǎn)對應(yīng)的焓值時(shí)，此時(shí)大量新風(fēng)不僅不能降低車間溫濕度，反而增加車間負(fù)荷，故采用90% 回風(fēng)與10%新風(fēng)混合來調(diào)節(jié)車間生產(chǎn)環(huán)境。

4.2 夏季區(qū)域調(diào)節(jié)方案

當(dāng)室外焓值小于車間焓值且相對濕度小于95%時(shí)，該區(qū)域調(diào)節(jié)方案為將室外空氣W經(jīng)噴水室處理，其狀態(tài)由W點(diǎn)變化至機(jī)器露點(diǎn)K1點(diǎn)，然后將此空氣送往車間，在吸收了車間的余熱量后，空氣狀態(tài)又從K1點(diǎn)變化至N點(diǎn)（N點(diǎn)位于夏季車間控制溫濕度范圍內(nèi)），最后空氣被排出車間。當(dāng)室外焓值小于車間焓值且相對濕度不小于95%時(shí)，水泵關(guān)閉，車間外空氣直接由風(fēng)機(jī)送入車間內(nèi)。

4.3 夏季炎熱區(qū)域調(diào)節(jié)方案

將室外空氣W與室內(nèi)空氣N4＇（4＇對應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn)）按照最小新風(fēng)比進(jìn)行混合，在C2點(diǎn)混合后，再經(jīng)噴水室處理，其狀態(tài)由C2點(diǎn)變化至K2點(diǎn)，然后將此空氣送往車間，在吸收了車間的余熱量后，空氣狀態(tài)又從K2點(diǎn)變化至N點(diǎn)（N點(diǎn)位于夏季車間控制溫濕度范圍內(nèi)），最后空氣被排出車間。

5 結(jié)語

根據(jù)2020 年全年室外氣象參數(shù)，對鹽城某紡織廠全年空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)分區(qū)的劃分進(jìn)行討論，并對各分區(qū)的調(diào)節(jié)進(jìn)行了分析。通過新回風(fēng)調(diào)節(jié)比例的計(jì)算公式以及車間各季的溫濕度控制范圍，確定出了鹽城某紡織廠全年空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)分區(qū)的具體劃分，并給出各分區(qū)之間的臨界焓值。在每個(gè)分區(qū)中選取出部分具有代表性狀態(tài)點(diǎn)，分析了達(dá)到車間所需溫濕度參數(shù)的處理過程，給出各個(gè)分區(qū)對應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方案。此時(shí)，PLC 自控系統(tǒng)根據(jù)得到的分區(qū)臨界值以及各個(gè)分區(qū)的調(diào)節(jié)方案，對于室外空氣變化可以迅速地做出反應(yīng)，自動在各個(gè)分區(qū)之間切換。采用全年空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)分區(qū)的具體劃分及調(diào)節(jié)方案，彌補(bǔ)了以往其他自控系統(tǒng)切換調(diào)節(jié)分區(qū)時(shí)的不準(zhǔn)確性，避免了能源的浪費(fèi)，還極大地提高了對紡織車間溫濕度的控制精度。