卷烟厂空调系统节能降耗研究与实践

陈辉

（湖北中烟工业有限责任公司三峡卷烟厂 湖北 宜昌 443100）

卷烟的生产制造离不开一个恒温、恒湿的生产环境，而卷烟厂中央空调系统的特点就是空调占据了很大的面积、全面处于恒温与恒湿状态及车间内工艺设备发热量多且极易变化等，所以，空调系统往往具有很大的风量、较高的能耗，同时，制冷机组也处于全年运行状态。调查发现，在烟草生产总能耗中，接近¼是空调制冷能耗，因此，有效地控制空调系统的能耗，有助于其运行成本的降低，且也与我国环境保护的基本国策相符，可促进我国经济的可持续发展［1］。

1 中央空调系统的结构

典型的中央空调主要由4部分构成，即制冷机组、冷水循环系统、冷却水循环系统、风机盘管空调系统（见图1）。

图1 中央空调系统的结构图

（1）制冷机组：空调制冷机组在中央空调系统中发挥着极其关键的作用，为其制冷源［2］，共由4 部分组成，分别是制冷压缩机、冷凝器、电子膨胀阀和蒸发器。首先，蒸发器中涉及的低压气态制冷剂需要通过压缩机予以压缩，然后再向冷凝器传输，并在其中和冷却水系统展开热交换，最终被冷凝为高压液体。制冷剂在实际冷却过程中会释放大量的热能，再被冷却水循环系统所吸收，最后经冷却塔进入大气。之后，在蒸发器前节流装置中，即在电子膨胀阀中，冷凝器内包含的高压液态制冷剂会转化为制冷剂液体，状态为低压、低温，并进入到蒸发器中。对于制冷剂与冷水系统而言，会在蒸发器内实现热交换，通过冷水循环系统，将冷量传输给被制冷对象。然后，在蒸发器中气化之后的制冷剂会转化成低压气体，并再一次进入到压缩机中，这样不断循环。

（2）冷冻水循环系统：冷冻水系统主要组成部分有管理结构和冷水水泵两个部分。就低温冷水而言，主要由制冷主机中流出，然后由冷水水泵利用管路传输到风机盘系统，吸收室内热量，转化为高温冷水回水，然后再进入到冷水机组中，与制冷剂之间进行热交换，将热量向制冷剂传输，然后将冷量输送到风机盘管系统，最终达到制冷的效果。

（3）冷却水循环系统：冷却水系统组成部分包括冷却水泵、冷却水管路和冷却水塔。当制冷机组处于工作状态时，又或是在和冷水做热交换的过程中，势必会把诸多废热释放出来，所以就需借助冷却水系统将其由室内向室外排放。对于冷却水循环系统涉及的作用而言，表现为吸取吸水机组在制取冷量过程中散发的热量，值得注意的是，不论是冷水传递的热量，还是冷水机组在工作过程中形成的热量，都包含在吸收的范围内，之后再向冷却塔输送，将其排出室内，被冷却的冷却水循环到冷水机组的冷凝器，再次对热量进行吸收，反复循环，为持续开展冷水机组制冷提供充足的保障［2］。

2 卷烟厂空调系统存在的问题

（1）制冷剂会长时间处于开启状态，同时效率不高。因为卷烟厂需要全年供冷，造成冷机需要长期乃至全年展开制冷。一般来说，制冷剂均是以设计负荷的上限为基础选择型号，同时立足于此和一定的安全系数相乘，所以，制冷剂的运行很难在60%～85%的高效率负荷下展开，特别是当制冷量不大时，运行效率更不理想［3］。另外，制冷剂统一提供各表冷器供应的冷冻术，冷冻水出水温度要和最低温度要求相符，从而导致高质低用的现象出现在其他末端。例如，该厂车间的设局工况，新回风混合后的露点温度为15°C，同时，除湿负荷不大，这时对冷冻水的温度要求不高，进而会浪费冷冻水，与此同时，冷冻水的温度和环境温度存在较大的差异，在输送时会损耗诸多冷量。

（2）不能有效调节空调系统，冷冻水泵和风机能耗高、效率低。相同车间中的多台空调末端设备存在不同的送风温度，导致控制缺乏秩序性，显著加大耗能。风机和冷冻水泵的设置都是根据最大设计负荷和安全系数相乘展开，在日常使用中，所处负荷率均较低，进而增加了单位冷负荷能量。

（3）冷热抵消现象十分常见。常规的空气处理流程为：空气混合后，通过表冷器展开降温除湿，之后通过加湿和再热后向室内输送。此流程先除湿再加湿，先降温后升温，会抵消和浪费冷热量。

（4）高温蒸汽再热造成高质低用现象出现，空气通过表冷器后，温度降至10～20℃，而高温蒸汽通常约为230℃，温差高达200℃，过大的温差会加重热能损耗，同时致使高质低用问题出现。

3 卷烟厂空调系统现有节能措施和研究

3.1 采用节能自动控制

随着季节变化，空调系统温湿度自动控制，应调整各个执行机构，例如：在炎热的夏季，会采取控制表冷阀开度的方式实现除湿降温；而在寒冷的冬季，则会分别借助控制加湿阀与加热阀的开度来达到加湿与升温的目的［4］。过去划分季节工况多利用日历表来进行，但因为室外气象参数经常会发生改变，就算在同一天，室外空气温湿度也会有很大的波动，对此，如果只是利用日历表对全年季节工况进行划分，就会导致一年中的大部分时间空调区域中的温湿度会产生巨大波动，不仅无法让设计要求得到满足，也让本就紧缺的能耗被浪费。

要想促进空调系统调节质量得到全面提升，并达到节能降耗的目的，就需优化设计系统。具体做法如下。（1）把卷烟厂周围可能会产生室外空气变化的范围划分成若干个区域，明确各区经济运行工况。（2）将室内和室外的热湿负荷变化整合在一起，全面分析空气处理设备所具备的能力，通过逻辑控制，自动将空调系统由一种工况转换成另一种工况，并确保其可靠性、经济性。（3）在过渡季节，需要对室外新风冷源进行合理运用，将冷水机组的开机时间延迟，或将其减少；冬季时，把新风阀开度减少，在确保空气质量的同时，借助回风余热，节能降耗。

3.2 水系统

3.2.1 提高制冷机COP

调查发现，在卷烟厂空调系统总能耗中，40%左右是制冷机能耗，所以，很有必要通过将制冷剂COP 提高，来降低其能耗［5］。对此可采取如下措施。（1）把蒸发温度提高，冷凝温度降低。以该厂离心式冷水机组为例，每当其冷水出口的温度升高1℃，则机组能效就会提高3%；而每当冷却水温度降低1℃，制冷量的提高介于2%～3%，立足于实际状况，开展变水温运行。（2）对设备的运行负荷做出合理调整。（3）通过变频装置，调节离心制冷剂压缩机的转速。夏季空气露点温度高，属于卷烟厂空调系统的主要特征，对此，应适当地将冷水供水温度提高，维持在10℃～12℃。随着空调负荷变小，借助把冷水供水温度慢慢提高来促进冷水机组效率的提升，并解决由于表冷器阀门开度偏小造成的问题。除此之外，还应经常清洗制冷机，以免污垢存在于冷凝器和蒸发器中。

3.2.2 采用二次泵系统及变频泵代替调节阀

要想顺利适应末端负荷的变化，降低水泵能耗，避免制冷机侧变量对制冷机造成影响，就可采取以下两种途径，分别是对二次泵系统予以采用、将调节阀以变频水泵代替。近年来，某些卷烟厂开展技术改造的过程中会尝试运用二次泵系统，现阶段，尚未有实际运行数据支持一次泵定频和二次泵变频系统形式的节能效果。以变频泵将调节阀取而代之，具体而言，就是把水泵加装在压头不足的地方，立足于调节水泵转速的方式，对系统流量进行全面的调节，实现节能降耗。而将调节阀以变频泵取代，表现为末端根据各自回路的需求对水泵进行配置。具体设计方面，需要在相同支路上变联负荷特性变化相似的空调末端设备，既能够把水泵输送功率相应减小，大约为31.9%，也有助于系统稳定性的提高，并让诸多问题得到有效解决，包括使用调节阀让水泵工作点发生偏移，破坏系统的稳定性，以及阀门关小时，受节流与压降的影响而让噪声出现等。

3.2.3 冷却塔免费供冷

鉴于厂内一些车间整年均会长时间供冷，就可在过渡季节与冬季，通过自然冷源，带走车间中的热量。现阶段，主要运用加大新风量、冷却塔免费供冷等方式。在过渡季节与冬季，舒适性空调中最多应用的是将室外新风量加大来达到降温的目的，恒温恒湿空调系统在温度控制过程中涉及较为严格的要求，如果对室外新风量进行加大，可能会导致蒸汽加湿量升高，因此，需要根据当地实际气候状况进行分析与判断［6］。空调制冷系统的另一种节能降耗的方式是冷却塔供冷，也就是所谓的免费供冷。若室外空气湿球温度低于某值，那么应向空调末端系统间接或是直接提供冷却塔循环冷却水，如此便可以减少高能耗冷水机组在运行方面的时间。若运用冷却塔间接供冷系统，在过渡季节与冬季免费供冷，与冷水机组运用变水模式相比，冷却塔供冷运行模式能够降低超过60%的能耗。但因为集中空调系统负荷存在差异，加之受外界环境变化的影响，所以，具体节能效果也会有所不同。

3.3 空调风系统节能控制

3.3.1 风机变频

夏季，送风状态点温度需要维持在16～18℃，可以说已经是最低温度，与机器露点温度L接近。但这一季节过后，进入春秋又或是冬季时，车间空调热负荷LQ会逐渐变小，如果空调送风量还是未有改变，那么（tRtO）（代表干湿球温度）变小。由焓湿图（见图2）可知，如果风量不变，其他季节送风状态点O′慢慢向上移动，待冬季时，送风状态点O2就会上升，并与室内状态点N距离非常；如果变风量运行，则随着LQ变小，风量G也会一并变小，那么（tR-tO）能够不超出正常范围，进而可提高系统效率。且当阀门全开时，管阻最小，可以缓解管路涉及的风力不平衡情况，促进空调使用效果的提升。所以，风机变频车辆指的是在设定值保持（tR-tO）的不变，通过闭环PID控制变频器，转变风机转速，进而调节分量，最终实现节能降耗的目的。在季节工况动态的变化下，（tR-tO）设定值也会随之出现改变，所以，冬季和夏季在工况方面可适当提高设定值。要想避免空调风量变小引发车间气流紊乱，又或是导致温湿度场不均，应确保分机变频调速在最低限设置方面能够符合最小送风压力。

图2 焓湿图

3.3.2 加湿方法改进

对于卷烟厂车间而言，涉及较大的显热负荷及较小的潜热负荷，在部分比较干燥的地区与季节，对加湿量提出了很高的要求。对此，可通过提高表冷却盘冷水温度的方式，保证盘管表面空气层温度，处在被处理空气的露点温度上，进而实现只降温不除湿的效果，同时，让表冷器负荷得到降低，减小加湿器与再热器的负荷，另一方面促进制冷机COP的提高。另外，也要把加湿的能耗降低。蒸汽加湿会造成温度有所上升，通常对冬季供热加湿较为适用。

在过渡季节运用蒸汽加湿形成的温升会导致空气温度不满足有关要求，对此，应打开制冷机，达到冷热抵消的效果。因此，出现了微雾加湿、汽水混合微雾加湿等，两者都是焓加湿过程，除了可加湿之外，也能够将温度降低。通常情况下，我国中原地带春夏、夏秋换季过程中，适用空调温湿度控制。通过微雾发生装置，将水雾化成μm 级的小水滴，不仅具有很好的雾化效果，还有很大的加湿量和很高的吸收率。但是，也涉及部分缺点，如：高压微雾加湿器所需求的水质较高，同时喷孔小，容易堵塞，喷头造价高，后期需要花费较高资金维修；尽管汽水混合微雾加湿对水质要求较高，也不容易发生故障，但对压缩空气量有很大的需求，进而在一定程度上增加了隐性投资。

4 结语

综上所述，空调系统的能耗几乎占到卷烟厂所有能耗的一半以上，对此，应将空调系统的实际运行状态给联系起来，对有效的节能降耗措施予以采用，以把烟厂整体能耗显著降低，同时，注意优化处理各个细节，充分挖掘空调系统设备中每个部件的潜能，提高空调系统运行效率。