基于气象参数的纺织空调调节区域划分研究

柳志强 颜苏芊 杨进岗

（1.西安工程大学，陕西西安，710600；2.咸阳纺织集团有限公司，陕西咸阳，712000）

我国当前能源短缺的问题十分突出，纺织也是能耗较大的行业，传统的纺织空调能耗占纺织厂总能耗30%左右［1-2］。部分纺织厂虽已安装了空调自控系统，在一定程度上降低了空调能耗，但由于对室外气象参数划分不够精确，导致空调自控系统调节精度不够，在一定程度上仍然会造成能源浪费。目前，纺织空调自控系统存在以下缺陷：一是空调系统具有多工况性，不合理的分区使系统存在冷热抵消现象；二是室外新风的引入对空调系统的能耗影响较大［3-4］。

本研究对盐城某纺织厂空调自控系统全年实时运行数据进行分析整理，结合室外气象参数和车间温湿度控制范围，科学划分每个季节的空调自控调节区域，并制定出相应的调节方案，从而确保空气调控快速且准确，尽量减少能源消耗。

1 空调全年运行调节分区

我国各地区由于地理位置的差异，室外气象参数变化很大，而纺织厂空调系统往往需要通过引进室外新风调控车间温湿度，因此有必要对全年的室外气象参数进行讨论。

我们对徐州某纺织厂进行了调研。该厂空调自控系统按照冬季、夏季以及过渡季3 个模式调节车间温湿度。在采用空调自控系统前后同期空调用电量对比如表1 所示。对比发现2021 年同期用电量比2020 年有明显下降，平均每月节约电量3 297 kW·h，节电率5.70%。由此可见，将全年室外气象参数进行合理分区，可以有效利用室外新风来达到较高的车间环境质量，并且能够降低空调系统能耗。

表1 采用空调自控系统前后用电量对比

现有空调自控系统一般是依据全年室外气象参数按冬季、夏季以及过渡季来划分调节区域。但简单将全年室外气象参数按照时间来划分，显然不能保证控制精度，也就不能最大程度地节约能耗。因此对于某个特定地区，应根据当地气象参数的具体变化情况，将空调调节区域做更详细的划分，以最大程度地节约能耗。

空气焓值可以看成是空气温湿度的综合反应，在讨论室外气象参数分区时，可将焓值作为室外空气状态变化的判定依据。由于纺织厂空调自控系统根据不同室外气象参数来判定调节分区，一般将室外气象状况分成5 个区域［5］。冬季寒冷区iw≤iw＇，冬季区iw＇＜iw≤ik0，过渡季区ik0＜iw≤ik，夏季区ik＜iw≤iN，夏季炎热区iw＞iN。其中：iw为室外实时测试焓值；iw＇为采用最小新风量不需要预热时的空气焓值；ik0为冬季最低送风机器露点的焓值；ik为夏季最高送风机器露点的焓值；iN为夏季所允许的最高室内空气的焓值。该分区属于一般情况，依据当地气象参数进行实际分析，就可以确定出该地区具体的区域划分。本研究以盐城某纺织厂为研究对象，确定其室外气象区域的具体划分，并为每个区域制定相应的空调自控调节方案。

2 盐城某纺织厂空调全年运行调节分区

本系统在盐城某纺织厂安装运行，根据车间工艺要求及历史运行参数，得出各个分区模式下车间内温湿度调节范围，如表2 所示。

表2 车间内空调温湿度控制范围

2.1 冬季到过渡季区域划分

以2020 年盐城冬季每天每隔3 h 记录的室外气象参数为研究对象进行分析，选取其中具有代表性的数据列举，如表3 所示，并将其绘制在焓湿图中，如图1 所示。

表3 2020 年盐城冬季室外气象参数

图1 冬季到过渡季临界值分析图

图1 中，根据车间冬季温湿度控制范围（1-2-3-4）的最低点1 点，经1 点做等含湿量线与相对湿度95% 相 交K点，过K点 做 等 焓 线，与1 点 和95%相对湿度线的切线交于C点，1 点和C点的连线按照新风占比10%延长，延长线与焓湿图边缘交于A点。A点与1 点的连线未进入结雾区，则A点可以直接和车间空气混合来调节车间温湿度，此时A点为该地区空调系统无需预热的焓值最低点。

由 图1 可 见，A点与1 点 在C点混 合 后，经 喷水室处理后到达K点，将此空气送往车间，在吸收了车间的余热量后，空气状态又从K点变化至1点，最后空气被排出车间。此时根据新风比的计算公式（1）求出新风比m为13%［6］。

式中：h1为车间温湿度调节范围最低点1 所在的等焓线；hLd为机器露点Ld所在的等焓线；hWd为室外点Wd所在的等焓线。

一般认为当新风使用量超过10%时就进入了过渡季调节区域，图1 中无需预热的最低焓值点A点混合的新风比为13%，且盐城纺织厂的室外气象参数焓值均高于A点。其中，图1 中少数气象点直接与室内状态点混合会进入结雾区，根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中规定，室外空气设计参数的选择应采用历年平均不保证50 h 的干球温度，所以这一部分点可以忽略不计。则该地区无冬季调节区域，直接进入过渡季区域进行车间温湿度调节。

2.2 过渡季到夏季区域划分

以2020 年盐城夏季每天每隔3 h 记录的室外气象参数为研究对象进行分析，如图2 所示。

图2 过渡季-夏季临界值分析图

图2 中，1＇-2＇-3＇-4＇为车间 夏季温湿 度 控制范围，hX1＇为最低点1＇所在的等焓线，hX4＇为最高点4＇所在的等焓线，取温湿度区间最低点1＇和最高点4＇处的等含湿量线与相对湿度95%相交于LX1＇和LX4＇点，减去挡水板过水量为0.5 g/kg，得机器露点LX1＇和LX4＇＇，hX1＇和hX4＇＇分 别 为 机 器 露 点 所 在 的 等焓线。LX1＇点所 在 的 等焓 线hX1＇为 过 渡季 和 夏 季的 焓 值 分 界，LX1＇点 所 在 的 等 焓 线hX1＇的 焓 值 为66.8 kJ/kg，LX4＇点 所 在 的 等 焓 线hX4＇＇为 夏 季 区 域和夏季炎热区域的焓值分界，LX4＇点所在的等焓线hX4＇的焓值为78.2 kJ/kg。

综上所述，当hw≤66.8 kJ/kg 时，该地区进入过渡季区域进行温湿度调节；当66.8 kJ/kg ≤hw≤78.2 kJ/kg 时，该地区进入夏季区域进行温湿度调节；当hw＞78.2 kJ/kg 时，该地区进入夏季炎热区域进行温湿度调节。

3 盐城过渡季区域调节分析及方案

3.1 过渡季区域分析

以2020 年盐城过渡季每天每隔3 h 记录的室外气象参数为研究对象进行分析，如图3 所示。

图3 盐城过渡季区域调节分析

图3 中，室外气象点W1、W2、W3分别与车间过渡季温湿度区间的最低点1＇＇混合，随着室外焓值的逐渐增大，新风的占比也逐渐增大。此时PLC 自控系统采用步进算法求出新回风比对车间温湿度进行调整。

根据数据分析可知，当室外焓值hw≤66.8 kJ/kg 时，自控系统自动判定将空调系统的运行模式切换至过渡季节模式，加入过渡季节空调设备运行的控制算法。冬季转入春季时，随着室外温度升高，室外焓值逐渐增大，新风窗开度由10%逐渐向100%增加，新风的利用量也逐渐增至最大。反之，夏季向秋季转换时，室外温度逐渐降低，新风窗开度也由100%向10%逐渐减小。

3.2 过渡季区域调节方案

将室外空气W与室内空气N1＇＇（1″对应的状态点）按照新回风步进算法调节的比例进行混合，在C点混合后，再经喷水室处理，其状态由C点变化至机器露点K点，然后将此空气送往车间，在吸收了车间的余热量后，空气状态又从K点变化至N点（N点位于过渡季车间控制温湿度范围内），最后空气被排出车间。

4 夏季区域分析及调节方案

4.1 夏季区域分析

以2020 年盐城夏季每天每隔3 h 记录的室外气象参数为研究对象进行分析，如图4 所示。

图4 盐城夏季区域调节分析

根据数据分析可知，空调自控系统进入夏季模式后，根据室外焓值的大小，分为两种控制方式。一是当66.8 kJ/kg ≤hw≤78.2 kJ/kg 时，此时为全新风模式；二是当hw≥78.2 kJ/kg 时，则新风窗开度最小10%，保证车间最小新风量，采用大量回风经过喷淋处理后调节车间温湿度。

夏季模式当室外焓值小于车间焓值且相对湿度小于95%时，采用100%全新风经喷淋室处理后送至车间调节车间温湿度，当相对湿度不小于95%时，新风经由风机直接送入车间调节车间温湿度；当室外焓值大于车间要求温湿度最高点对应的焓值时，此时大量新风不仅不能降低车间温湿度，反而增加车间负荷，故采用90% 回风与10%新风混合来调节车间生产环境。

4.2 夏季区域调节方案

当室外焓值小于车间焓值且相对湿度小于95%时，该区域调节方案为将室外空气W经喷水室处理，其状态由W点变化至机器露点K1点，然后将此空气送往车间，在吸收了车间的余热量后，空气状态又从K1点变化至N点（N点位于夏季车间控制温湿度范围内），最后空气被排出车间。当室外焓值小于车间焓值且相对湿度不小于95%时，水泵关闭，车间外空气直接由风机送入车间内。

4.3 夏季炎热区域调节方案

将室外空气W与室内空气N4＇（4＇对应的状态点）按照最小新风比进行混合，在C2点混合后，再经喷水室处理，其状态由C2点变化至K2点，然后将此空气送往车间，在吸收了车间的余热量后，空气状态又从K2点变化至N点（N点位于夏季车间控制温湿度范围内），最后空气被排出车间。

5 结语

根据2020 年全年室外气象参数，对盐城某纺织厂全年空调系统调节分区的划分进行讨论，并对各分区的调节进行了分析。通过新回风调节比例的计算公式以及车间各季的温湿度控制范围，确定出了盐城某纺织厂全年空调系统调节分区的具体划分，并给出各分区之间的临界焓值。在每个分区中选取出部分具有代表性状态点，分析了达到车间所需温湿度参数的处理过程，给出各个分区对应的空调系统调节方案。此时，PLC 自控系统根据得到的分区临界值以及各个分区的调节方案，对于室外空气变化可以迅速地做出反应，自动在各个分区之间切换。采用全年空调系统调节分区的具体划分及调节方案，弥补了以往其他自控系统切换调节分区时的不准确性，避免了能源的浪费，还极大地提高了对纺织车间温湿度的控制精度。