中央空調(diào)在除濕季節(jié)采用溫、濕度偏差運(yùn)行的節(jié)能研究

葉岑YE Cen；譚傳偉TAN Chuan-wei；王亞光WANG Ya-guang

（江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司井岡山卷煙廠，吉安 343199）

0 引言

當(dāng)前，煙草行業(yè)內(nèi)的環(huán)境工藝溫濕度要求需通過空調(diào)系統(tǒng)控制在一定范圍，空調(diào)系統(tǒng)能耗較大，本文通過開展在除濕季節(jié)采用溫、濕度偏差運(yùn)行的節(jié)能研究，利用之前大量的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，作為系統(tǒng)建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，依據(jù)數(shù)學(xué)模型對(duì)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及能量關(guān)系進(jìn)行全面分析，得出最合理的運(yùn)行方式傳送給空調(diào)本體控制器，由本體控制器完成對(duì)中央空調(diào)的控制，將控制誤差保證在工藝允許偏差的1/2以內(nèi)，將另外的1/2偏差區(qū)間利用起來做為降低能耗的資源，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

1 井岡山卷煙廠貯絲車間空調(diào)情況介紹

1.1 空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1

①圖1所示為整個(gè)空調(diào)機(jī)箱結(jié)構(gòu)，風(fēng)在機(jī)組中的流向是從左到右；

②新回風(fēng)混合段：包含新風(fēng)門、回風(fēng)門；

③自清潔高效過濾段：由機(jī)殼、濾網(wǎng)組件、吸污器、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、排污裝置、控制系統(tǒng)等部件組成；

④表冷擋水段：有三組表冷器，配備冷水電動(dòng)閥；

⑤加熱段：配備加熱電動(dòng)閥；

⑥干蒸汽加濕段：配備加濕電動(dòng)閥；

⑦送風(fēng)機(jī)段：送風(fēng)機(jī)功率75kW，回風(fēng)機(jī)風(fēng)量120000m3/h。

1.2 被控區(qū)域特征

貯絲房為獨(dú)立的車間，只有一臺(tái)K07中央空調(diào)為其提供合格的環(huán)境溫濕度，貯絲房貯存成品煙絲，具有一定的熱濕負(fù)荷。

1.3 控制指標(biāo)要求

貯絲房對(duì)溫濕度指標(biāo)要求較高，溫度指標(biāo)=25±2℃，濕度指標(biāo)=58±5%。

2 降低由新風(fēng)引入的空調(diào)機(jī)組熱、濕負(fù)荷

2.1 新風(fēng)引入的熱濕負(fù)荷分析

按照國家標(biāo)準(zhǔn)，為了工作人員健康，空調(diào)機(jī)組運(yùn)行必須引入新風(fēng)，研究對(duì)象空調(diào)的新風(fēng)引入設(shè)計(jì)為5%。引入新風(fēng)產(chǎn)生的熱濕負(fù)荷，稱為新風(fēng)熱濕負(fù)荷。

新風(fēng)熱負(fù)荷Nr及新風(fēng)濕負(fù)荷Ns表示如下：

式（1）、式（2）中：

tr：車間內(nèi)部溫度（℃）；

tx：新風(fēng)溫度（℃）；

dr：車間內(nèi)部含濕量（g/kg.干）；

dx：新風(fēng)含濕量（g/kg.干）；

k：新風(fēng)比（%）；

r1：干空氣比熱容（kj/kg.℃）；

r2：水在0℃的汽化潛熱（kj/kg）；

f：送風(fēng)量（kg/s）。

由式（1）和式（2）可以看出，空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)熱負(fù)荷與車間內(nèi)外溫差線性相關(guān)。在其它因素不變的前提下tr-tx的值越小，新風(fēng)熱負(fù)荷也就越小。同理，dr-dx的值越小新風(fēng)濕負(fù)荷也就越小?？照{(diào)機(jī)組的新風(fēng)熱濕荷與車間內(nèi)外的含濕量差線性相關(guān)。

2.2 偏差值控制介紹

2.2.1 設(shè)定值控制

見圖2，圖中十字線交點(diǎn)為空調(diào)運(yùn)行設(shè)定值，設(shè)定值是固定的值，見表1。

表1 空調(diào)溫濕度傳統(tǒng)設(shè)定值

2.2.2 偏差值控制

見圖3，圖中的外四邊形為空調(diào)運(yùn)行滿足工藝要求的區(qū)域，內(nèi)四邊形為空調(diào)的偏差值。顯然，設(shè)定值有原來的一個(gè)點(diǎn)擴(kuò)展問一個(gè)區(qū)域?？照{(diào)在運(yùn)行時(shí)，選取偏差值內(nèi)能耗消耗最小的點(diǎn)做為設(shè)定值，也就是說，設(shè)定值是根據(jù)節(jié)能需要在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)的，見表2。本文對(duì)除濕季節(jié)的偏差值控制的節(jié)能效果進(jìn)行論述。

表2 空調(diào)溫濕度偏差值

2.2.3 除濕季節(jié)偏差值控制的特征

吉安地區(qū)除濕季節(jié)氣象條件平均溫度=30℃，平均濕度=68%，平均含濕量=18g/kg。在這種氣象條件下，空調(diào)工作在表冷除濕、蒸汽加溫狀態(tài)。顯然，實(shí)現(xiàn)偏差值控制的實(shí)際設(shè)定值應(yīng)位于圖1所示的內(nèi)四邊形右下角位置。即處于溫濕度偏差運(yùn)行狀況，見表3。

表3 除濕季節(jié)空調(diào)溫濕度執(zhí)行設(shè)定值

3 設(shè)定值控制與設(shè)定域控制的數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算能耗對(duì)比

我們利用空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型對(duì)設(shè)定值控制與偏差值控制進(jìn)行了同樣工藝條件下的仿真對(duì)比研究。仿真計(jì)算結(jié)果以焓濕圖及空調(diào)各工藝段運(yùn)行數(shù)據(jù)的方式給出，見圖2、圖3。（表4、表5）

表4 原始設(shè)定值仿真計(jì)算數(shù)據(jù)

表5 偏差設(shè)定值仿真計(jì)算數(shù)據(jù)

3.1 仿真計(jì)算的工藝條件

新風(fēng)溫度：tx=30℃，新風(fēng)濕度：sx=68%

新風(fēng)比：kfx=10%

3.2 熱媒能量消耗計(jì)算公式

Pn=（（送風(fēng)溫度-表冷除濕）*r1+（混風(fēng)濕量-表冷除濕）*r2）*kfx （3）

式中：r1=1.01kj/kg，干空氣的比熱容；

r2=2.26kj/g，水的汽化潛熱；

kfx：空調(diào)送風(fēng)量（kg/s）。

3.3 蒸汽加濕、蒸汽加溫工況仿真計(jì)算

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值仿真計(jì)算結(jié)果

目標(biāo)溫度：tv=25℃，目標(biāo)濕度：sv=58%

將圖1中的數(shù)值代入式（3）

3.3.2 偏差設(shè)定值仿真計(jì)算（見圖2）

目標(biāo)溫度：tv=24℃，目標(biāo)濕度：sv=60.4%

將圖2中的數(shù)值代入式（4）

3.3.3 能量消耗對(duì)比

p21/p11=（5.47*kxf）/（6.22*kxf）=88%

仿真結(jié)果表明在該工況下偏差控制可節(jié)約熱媒能量12%。

4 空調(diào)實(shí)際運(yùn)行能量測試

4.1 測試儀器

K7空調(diào)增加1臺(tái)蒸汽流量計(jì)和一臺(tái)冷水計(jì)量水表，其中蒸汽流量計(jì)選用斯派莎克Gilflo ILVA流量計(jì)系統(tǒng)，流量計(jì)系統(tǒng)自帶壓力、壓差等補(bǔ)償元件以及流量積算儀，量程比最大可達(dá)100:1，測量范圍比較寬，準(zhǔn)確度為一級(jí)。冷水流量計(jì)選用積成電子LXLE系列水表，垂直螺翼式、具有壓力損失小，流量大，精度高，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，準(zhǔn)確度為一級(jí)。

4.2 測試方法

交替運(yùn)行新老程序，每隔固定時(shí)間（24小時(shí)）由PLC自動(dòng)切換一次，切換整點(diǎn)選為早上6點(diǎn)。新老程序切換時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，PLC控制程序通過自動(dòng)調(diào)節(jié)，使其在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。

從2022.07.04開始，每天上午6點(diǎn)整完成新老程序切換。2022-07-04 6:00:00到2022-07-05 06:00，運(yùn)行老程序，2022-07-05 6:00:00到2022-07-06 06:00，運(yùn)行新程序。新老程序間隔24小時(shí)交替運(yùn)行。能管系統(tǒng)將自動(dòng)記錄K7空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括閥門開度、車間溫濕度、電機(jī)頻率、蒸汽流量、冷水流量等數(shù)據(jù)。

4.3 運(yùn)行數(shù)據(jù)

空調(diào)節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試試運(yùn)行后，于2022.07.04日正式運(yùn)行，從能管系統(tǒng)查詢K7空調(diào)系統(tǒng)蒸汽用量、空調(diào)系統(tǒng)冷水用量、空調(diào)系統(tǒng)用電量數(shù)據(jù)，對(duì)新老系統(tǒng)用能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。各取有效運(yùn)行天數(shù)16天，對(duì)新老程序消耗能源進(jìn)行對(duì)比，見表6。

表6 新老程序消耗能源數(shù)據(jù)

4.4 能耗分析

K7空調(diào)改造前后能耗對(duì)比見表7。

表7 K7空調(diào)改造前后能耗對(duì)比

①按1t蒸汽耗75m3天然氣計(jì)算，天然氣折標(biāo)系數(shù)為1.33kgce/m3。

②冷水是循環(huán)的，根據(jù)冷凍水能量轉(zhuǎn)換：P=FT*（T1-T2）/0.86/COP，制冷機(jī)供回水溫差為3℃，即（T1-T2）=3，動(dòng)力中心制冷機(jī)系統(tǒng)能效COP值約為4.5，即1kW電產(chǎn)4.5kW冷量。將冷凍水流量轉(zhuǎn)換成kWh。

③電折標(biāo)系數(shù)為0.1229 kgce/kWh。

④將蒸汽和冷凍水用量均折標(biāo)后，計(jì)算綜合能耗：

綜合能耗節(jié)約百分比為：

（2943.50+70.95+2551.41-67.07）/（2943.50+70.95）*100%=13.14 %

5 結(jié)論

通過仿真計(jì)算與實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果來看，理論與實(shí)際是一致的。除濕季節(jié)引用最小新風(fēng)量10%，通過采用合理的控制策略，在工藝要求范圍內(nèi)，中央空調(diào)除濕季節(jié)溫、濕度采用偏差運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，可為企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益。