烟草工业制冷空调系统节能探索

于凌巍，韦伟

（1.山东中烟工业有限责任公司生产制造中心，山东 济南 250014；2.安徽工业大学管理科学与工程学院，安徽 马鞍山 243100）

为保证卷烟产品质量和设备的稳定，卷烟企业配置了中央空调系统，调控车间空气温、湿度，满足要求的工艺指标。但是，消耗也随之升高，中央空调系统的耗电量占卷烟生产电耗的20%以上，是卷烟能耗的重要组成部分,也是卷烟厂的节能重点。

卷烟生产工艺过程中产热、产湿、产尘、车间面积较大，负荷影响因素较多，经常24h连续生产，且恒温恒湿控制精度较高，因此，制冷空调系统相对复杂。对如何能更好地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目前已经有一定的研究，也已提出了一些节能措施，但是，仍然缺乏一定的系统性。对卷烟厂的需求及现有空调系统形式存在问题的认识还不够深入。因此，本文从空调节能的角度出发，提出了适合制冷空调系统节能的改进方法。

1 问题的提出

经系统形式的分析和调研，卷烟厂空调系统形式有以下问题：

1.1 新风使用的问题

为实现空调系统的节能运行调节，通常采用多工况分区进行调节。但是以往的工况分区和推荐工况的最佳处理过程，主要考虑的是充分利用室外冷源，在过渡季尽量采用全新风。

1.2 空气加湿冷却处理过程的优化问题

在具体实施过程中会发现缺少绝对湿度的比较。由于在空调系统上位机上一般仅有温度和相对湿度的显示，所以在新风利用时，仅能对室内外温度做出直观的比较，而对室内外湿度的把握不准确，造成新风的利用过度（需要进行湿度补偿）或利用不及时。

经调查卷烟工厂空调系统现有的加湿方式主要有：等温加湿、等焓加湿两种。但是，部分卷烟厂空调机组内同时安装有两种类型的加湿器(蒸汽加湿器和等焓加湿器)，在运行中，常常存在两种加湿器同时运行的状态，不利于系统的经济运行。例如蒸汽加湿和气水加湿器同时使用时，喷出的蒸汽遇到低温的水柱会发生凝结，造成了加湿量的损失。

1.3 冷热相抵或过度的问题处理

恒温恒湿时会产生悖论，一般采用温度和湿度补偿的办法，会造成表冷器的冷却除湿和加热器、加湿器的再热再湿相互抵消，存在2～3种阀门同时开启的现象，如图1所示，造成能源浪费。

图1 空气处理过程中的冷热相抵及过度处理

例如，在夏季表冷阀开度过大，会造成除湿量过大，为了补偿这一部分湿度，就需要开启加湿阀，造成了能源浪费。而此时如果减少表冷阀开度（在保证温度指标合适前提下），可以避免加湿阀的开启。

2 解决思路和方法策略

目前卷烟厂已在水系统和风系统两个方面对空调节能进行了研究。针对上文的所提出的问题给出的解决思路和方法策略，主要从新风的合理利用、空气加湿冷却处理过程的优化、冷热相抵和过度处理以及制冷系统与空调系统的配合运行四个角度进行论述。

2.1 新风的合理利用

新风属于免费能源，在空调系统区域中温湿度的控制精度得到确保的同时，利用室外的新风来降低空调区域的温度，使制冷主机的运行时间减少，从而达到节约电能的目的。减少制冷空调系统能源消耗。新风的使用，取决于室外空气(w点)和室内空气(n点)的温度(t)、和湿量(d)之差，如图2所示。当室外空气(w点)处在1区域内时，增加新风阀开度，起到升温、除湿的作用；当室外空气(w点)处在2区域内时，增加新风阀开度，起到升温、加湿的作用；当室外空气(w点)处在3区域内时，增加新风阀开度，起到降温、除湿的作用；当室外空气(w点)处在4区域内时，增加新风阀开度，起到降温、加湿的作用。

图2 新风按湿度和含湿量的分区控制

举例如下：

第一，在过渡季节的阴雨天，当室外空气含湿量与室生产区域的含湿量较接近（差值在2g/kg之内）时，可以充分利用新风的降温作用，由于室内外含湿量差距不大，基本不用进行湿度处理，同时可以避免制冷机的开机。

第二，在过渡季节较干燥的气候时，室外含湿量约在5g/kg以下，此时若大量使用新风，会造成加湿量的需求增大，能耗也会大大增加。在生产区域所需冷量较大时，需要综合比较空调系统能耗和开制冷机后制冷空调系统的总能耗，来判断是否开启制冷机、减少新风的降温负荷。

2.2 空气加湿冷却处理过程的优化

对于缺少绝对湿度的比较，将室内外：“含湿量”这个指标增加到新风控制中。含湿量是指湿空气中与一千克干空气同时并存的水蒸气的质量（g），它可以用来表征空气的绝对湿度。通过室内外空气温度和含湿量的比较，可以更加有效的利用新风，同时达到节能的目的。

此外，在不同的季节，选择合理的加湿的手段，可以在保证区域工艺要求的同时，大大提升系统经济性。

蒸汽加湿属于等温加湿，即加湿过程中温度不变，其具有加湿迅速、均匀、稳定等优点。但在实际运行中，蒸汽加湿的使用会带来空气温度的升高，虽然可以采取一定的措施降低温升（降低蒸汽压力、增加喷管保温、改进加湿器冷凝水处理效果，来提升蒸汽干度），但不能完全消除温升。因此，蒸汽加湿具有“加湿”和“升温”的双重效果，适用于冬季情况，此时应以蒸汽加湿为主，可以有效的减少加热器的使用，节约能耗。

等焓加湿过程中空气的焓值不发生变化，但温度会有所下降，因此等焓加湿过程具有“加湿”和“降温”的双重效果。高压微雾加湿、气水混合加湿、湿膜加湿等均属于等焓加湿方式，这种加湿方式非常适用于过渡季节，此时应以等焓加湿为主。

2.3 冷热相抵或过度处理

空调系统的运行分工区域中的等含湿量线、等温线、等焓线将室外的气象划分为若干个范围，每个范围都是依据空调区中的热湿负荷、当地的气象情况来对各阀门的开度进行控制。

为使空调控制更合理和节能，通过细化空调控制区域，由冬、夏2个工况拓展成以下7个：室外高温高湿、室外高温干燥、室外低温高湿（较少出现）、室外低温低湿、室外温度在室内控制需要温度范围但湿度高、室外温度在室内控制，需要温度范围，但湿度低、室外温度在室内控制需要温度范围且湿度适中。

2.4 制冷系统与空调系统的配合运行

制冷系统和空调系统作为相互依存的系统，在考虑能耗指标时，应以2个系统的总能耗为对象。制冷系统+空调系统的能耗关系如图3。

制冷系统的能耗主要是制冷机和水泵(包括冷却水泵和冷冻水泵)的耗电。一般情况下，冷冻及冷却水泵与制冷机是一对一的关系(即开1台制冷机时，开1台冷却水泵和1台冷冻水泵)，因此，对制冷系统而言，控制制冷机的开机台数是最好的节能途径。

空调系统的主要能耗是送回风机的耗电、加热器的蒸汽消耗、加湿器的蒸汽，空压气以及软化水消耗、表冷器的冷冻水消耗。其中，表冷器的冷冻水是由制冷系统提供的。因此，控制表冷器的开度是减少制冷+空调系统综合能耗的关键。

制冷机运行的时间段主要分为三个阶段：过渡季节、夏季晴天、夏季雨天。根据三种不同的室外工况，制定不同的节能策略。

2.4.1 过渡季节,室外空气干燥

过渡季节室外空气干燥，若仅利用新风降温，会造成大量的加湿需求，若机组安装有气水加湿器(或其他等焓加湿器)，应充分利用。当气水加湿器加湿量达不到要求时，需要开启蒸汽加湿器进行补充。因此，若减少制冷机的运行台数(或停机)，会造成空调机组蒸汽、空压气和软化水消耗的增加；若开启制冷机，制冷系统(制冷机、水泵、冷却塔)用电量就会增加，相应的空调系统的蒸汽等消耗就会减少。

在过渡季节，可以实行如下策略：制定合理的制冷机开停标准。在制冷和空调系统能耗此消彼长的关系中寻找中间点，在达到此状态点时开启制冷机。开停机标准的建立，需要综合考虑室外温度、含湿量及区域温湿度以及系统能耗等因素。如温湿度指标不稳定，或接近温湿度高低限制；温湿度指标稳定，但系统能耗过高，高于制冷机运行能耗等。

2.4.2 夏季晴天，不需要除湿

夏季晴天，室外空气较湿润，但不需要除湿。此时，应充分利用夜间或清晨室外低温适湿的空气，减少制冷机的运行台数。

2.4.3 夏季阴雨天,需要除湿

夏季阴雨天，室外湿度较大，需要除湿过程。此时应保证冷冻水的出水温度(一般在7～8℃)，不去刻意减少制冷机的运行台数，而是以控制表冷阀开度为手段，减少制冷机的运行负载，从而降低系统的综合能耗。

将冷冻水用在需要除湿的生产区域。对于湿度要求不高的区域，充分利用新风辅助降温，从而降低制冷系统的运行负荷。

图3 制冷空调能源消耗示意图

3 结语

目前对空调系统节能的研究有以下方面：利用室外的自然冷源，包括合理利用新风量；热湿处理过程的控制，包括改进加湿措施和采用全年多工况控制策略；将制冷系统和空调系统配合运行。目前的节能研究在一定程度上起到了改善作用，但仍然存在一些不足，第一，对卷烟厂的需求和车间的负荷变化特性认识不够；第二，新风阀开度与新风比例的关系根据不同的要求如何拟合相应的计算公式；第三，全年多工况控制策略应用于卷烟厂还需进一步结合其应用对象进一步细化和完善,同时应适应新设备的发展；第四，对自然冷源的利用不够充分。