双碳目标下卷烟厂空调系统节能现状及展望

王 兵,冉井旺,简 勇,高远嵩,王熙雯,李夔宁

(1.重庆中烟工业有限责任公司 黔江卷烟厂,重庆 409000; 2.重庆大学 能源与动力工程学院,重庆 400030)

为提高产品质量及经济效益,烟草行业不断进行技术改造。在全年综合能耗中,空调能耗占30%～50%[1],成为了重大的能源负担,导致经济成本增加。需对空调系统进行节能控制,降低运行成本,促进经济的可持续发展[2]。通过文献调研,总结了卷烟厂的空调节能措施,指出了其中存在的问题,以促进节能改造。

1 卷烟厂空调系统发展现状

卷烟厂车间面积较大,负荷影响因素较多,因此空调系统在保持适宜的温湿度控制条件下还要尽可能减少能源消耗,这对空调系统节能提出了更高的要求。空调系统电耗占全厂总用电量的1/3,尤其是在夏季,耗电比例达总耗电的1/2。而在冬季、春季,环境温度低,湿度小,系统需进行加热、加湿,消耗更多的蒸汽,导致生产成本提高。过去主要采用淋水室来处理空气,这有利于空气洗涤,增加空气清新度(如图1所示)。夏季用冷冻水对空气进行去湿处理,冬季利用循环水对空气加湿降温。但这种方法会使制冷机受到污染,导致效率逐年下降,对生产造成不良影响[3]。

图1 淋水室空调Fig.1 Shower room air conditioning

有学者提出喷淋表冷[1]来处理空气(如图2所示)。此方法改善了水质,增加了系统可靠性,但会污染循环水质。增设循环泵会使能耗增加,喷淋加湿过程会增加表冷器的负担。

图2 喷淋器+表冷空调器Fig.2 Spray + surface cooling air conditioner

图3 表冷器+干蒸汽加湿空调器Fig.3 Surface cooler + dry steam humidifier air conditioner

结合卷烟厂空调系统形式及运行特点,总结了其存在的主要问题:①制冷机开启时间长,效率低。制冷机需要全年开启,导致制冷时间过长且效率不高。通常情况下,制冷机的选型按照设计负荷的上限选择,乘以一定的安全系数,故制冷机长时间无法在高效负荷下运行,当制冷量较小时(过渡季节和冬季),运行效率更低。②系统调节能力差,风机水泵效率低,能耗高。同一车间多台空调送风温度不同,造成控制紊乱,耗能大大增加。在空调系统设计中,水泵和风机选型过大,导致运行过程中出现大流量小温差和大风量小焓差现象[4]。③冷热抵消。卷烟厂主要利用温湿度补偿来处理空气。在夏季,由于控制精度要求高,空调系统需要消耗蒸汽用于再热加湿,这一过程消耗了蒸汽,抵消了冷量,导致能量浪费严重。④高质低用。空气经过表冷器后的温度较低,而高温蒸汽一般在230 ℃左右,温差达到200 ℃,温差过大使能源高质低用且热能损失严重[5]。

2 空调系统节能措施

2.1 水系统节能

卷烟厂空调系统主要由空调供水系统和空调终端组成。空调水系统是主要的耗能部件,涉及的设备类型复杂且耗能较高。故通过提高空调水系统的能源效率可大大降低总能耗。尽管许多空调水系统设计为节能高效的,但系统设备是根据最大终端负载需求(即系统所需的最大冷却能力)配置的,当系统在部分负载下运行时,设备无法根据环境参数及负载需求的变化进行动态调整,导致偏离最佳运行水平。故在不同负荷需求下,需制定不同设备的优化控制策略,以提高空调水系统的运行效率。在气候适宜的地区,可直接使用自然能源进行冷却,无需打开机械空调机组,或减少机械冷却及加热系统的能源使用。冷却塔免费供冷是一种不使用制冷机的供冷手段,也被称为免费供冷,当室外空气焓值低于室内空气焓值时,不宜采用加大新风冷源的方法[8]。虽然冷却塔免费供冷在某些情况下可以替代制冷机组供冷,但是其使用条件较为苛刻,需满足特定的气象条件(如室外湿球温度低于某个值),此方法利用自然冷源,对气候依赖性较高,在使用过程中需考虑冷却塔的制冷量衰减问题。原有系统的冷却塔容量及建筑负荷率大小也会影响冷却塔供冷的适应性[9]。陈华平[10]为降低卷烟厂空调系统运行能耗,采用冷却塔间接供冷。结果表明,该方法能达到节能效果。付波等[11]以某烟厂节能改造为例,提出冷冻水泵变频、提高冷水机组能效比、冬季冷却塔直接供冷等节能措施,模拟结果表明,其综合节能率满足当地绿色工房降低总能耗的要求。

在过渡季节,当车间温湿度控制难度较低时,采用较高的冷水出水温度可显著降低能耗,避免空调机组末端出现过度除湿、除湿后再加湿、冷热抵消等现象[12]。制冷机的能效与冷冻水温度密切相关。提高冷冻水温度可使制冷机在相同时间内处理较少的冷却水,从而提升能效。制冷机处理的冷却水减少,就可减少冷却水用量,节省水资源,令制冷效果得到优化,制冷时间缩短,提高生产效率。吴伟等[13]研究发现,提高冷水供水温度可降低能耗,由于车间湿负荷小、露点温度高、热湿比大,在过渡季节和冬季供冷时,随着车间冷负荷的降低,提高冷水供水温度可进一步减少能耗,达到节能效果。蔡君巍等[14]提出调整冷却塔台数和缩短冷冻水降温时间,以达到节能的目的。通过实验研究,根据室外环境的温湿度变化来调整冷冻水温度,可有效提高制冷机运行效率。张小芬等[15]通过实验证明提高冷冻水供水温度具有可行性,在负荷率相同的情况下,提高供水温度可提高制冷机COP。张利宏等[16]设计了冷却水余热回收系统,代替蒸汽为再热系统提供热能。结果表明,该技术可提高能源利用率、降低生产成本。杨优等[17]研究发现,提高冷冻水温度能提高制冷系统运行效率,减少空调系统额外的能源消耗。

空调水系统节能主要通过提高制冷机COP和冷却塔免费供冷等方式,但提高冷冻水出水温度不能解决高质低用问题。通过提高出水温度来提高冷机COP只停留在理论分析上,目前还没有完善的设备及控制策略来实现变水温运行。提高制冷机冷冻水温度并不是无限制的,需结合实际情况进行操作。如果冷冻水温度过高,可能会对制冷效果产生不利影响,对设备产生一定的损害。故在操作过程中需结合实际情况进行调节,以保证制冷效果及设备安全。而冷却塔免费供冷在某些特定条件下是一种有效的节能手段,但其只有在特殊的外界条件下才可以采用,不能保证连续长时间的稳定运行,无法充分地利用自然冷源,需要结合实际情况进行评估及选择。卷烟厂对温湿度控制精度要求较高,目前还不具备采用冷却塔免费供冷方案的条件。

2.2 风系统节能

卷烟行业对生产车间的空气“四度”越来越重视,即温度、湿度、速度及清洁度。

为简化空调系统的自动控制,车间的空调系统大多只设一次回风,当车间的冷负荷随室外气温变化时,空调系统采用定风量运行,这会增大风机能耗且需进行二次加热,冷热抵消,增大空调运行能耗。黄宇慧[18]根据卷烟厂空调系统定风量运行存在的问题分析了采用变风量运行的合理性。通过比较指出,变频调速变风量运行是最节能的运行方式,以实例说明其具有经济可行性。李远进等[19]提出结合空调变风量调节及主副表冷器独立控制方案,可消除夏季工况下的再热现象。采用变风量空调系统时,应根据季节特点设置送回风温差,在冬季和夏季工况下可取较大值,过渡季节取较小值[20]。徐明[21]设计了一种双通道组合式空调机组,通过焓湿计算控制送风温湿度的方法调节车间温湿度。结果表明,该方法能有效消除过渡季节新风利用率低及夏季再热等问题,提高温湿度控制精度,降低空调系统能耗,比一次回风系统节能30%。王德吉等[22]提出基于单冷源的空调系统温湿度独立控制方法,可有效解决夏季温湿联合调节模式下的冷热抵消问题,提高了空调机组运行效率。

随着卷烟厂设备的不断更新、技术不断改进,其对温湿度精度及空调系统气流组织提出了更高的要求。卷烟厂大多为大空间厂房,高度一般在5 m以上,为了便于检修,在距顶部3 m处设置格栅,将送回风口设置在该处,使车间分为上、下两部分。这样上部区域会堆积热量,对下部区域产生影响。空调系统中的不平衡冷却分布往往导致不同区域间的冷却速度差异很大,因此必须延长预冷时间,导致大量的能源浪费。在卷接包车间采用上送集中回的气流组织,并只设一个回风口,如果回风距离不长,该气流组织形式能满足设计要求,但当回风距离较长时,车间气流温度场与速度场的均匀性就不能保证,产品质量会受到影响。卷烟厂空调要选用合理的送风参数及形式,以满足工艺需求,保证环境的舒适性及节能效果。李航等[23]分析了各车间气流形式,测试了其运行效果,提出了优化方案。邵征宇对原方案进行优化,模拟可调旋流风口结合局部区域喷射风口的送风方式,证明了方案的可行性。赵兴等[26]对制丝车间竖直方向温湿度进行测试,发现将机械通风设置在格栅上可有效排出堆积在车间上部区域的热量,达到节能效果。张小芬比较了车间常用的上送上回与车间置换通风效果。结果表明,置换通风时温度分层更明显,能更好地降低空调能耗。巩超分析了卷烟厂的空调能耗,提出降低通风空调系统能耗的方案及改进措施。

空调风系统节能主要通过风机变频及改进热湿处理等方式节能。风机变频技术可通过控制电机的转速来调整风扇风速,减少电机耗能量。还可自动调整电机转速,使其始终保持在最佳状态,达到节能的目的。由于车间对温度需求较高,变频技术可以更好地控制风机的转速,对房间的正负压进行良好的调节,使房间内的温度更加稳定可靠。但风机效率低,为保证系统在不同工况下的运行效果,选择风机时通常会留出一定的余量。而风机选型过大会使风机变频后无法在高效率区工作,尤其是在控制系统混乱时,风机效率会更低。且加大风量会使湿量增加,在恒温恒湿空调系统中应用有限。改进热湿处理可提高室内环境舒适度及空气质量,降低能耗及维护成本。但卷烟厂需严格控制厂房内部的温度及湿度,传统的热湿处理方式会存在精度不足的问题,热湿处理设备需定期维护清洁,造成隐形投资大幅增加。

2.3 空调系统优化控制

供暖、通风及空调(HVAC)系统是公共建筑的主要能源消耗组成[33],降低建筑能耗、推进资源节约与循环利用是重要任务。但在实际运行过程中暖通空调系统能效较低,由于设备故障、控制策略不当等因素,空调系统中有近1/4的能源被浪费。而车间对温湿度控制有着高精度需求,各类故障和错误导致损失更为突出。空调系统是由多个子系统耦合而成的非线性复杂系统,实际运行能效受各子系统匹配特性与终端用户使用方式的影响,是一个在多因素作用下动态变化的系统。马瑞等[36]对利用关联规则对卷烟厂空调系统进行大数据分析进行研究。结果表明,基于关联规则的优化方法有较好的应用潜力,可为实际空调的节能改造提供理论基础及指导。秦宝坤等[37]提出基于关联规则的传感器故障实时检测方法。利用该算法实时采集运行数据,与故障量化特征进行对比,得到系统传感器故障的实时输出结果。

HVAC系统是现代建筑中不可或缺的一部分,除了配置高效设备外,HVAC的优化控制是系统运行阶段挖掘节能潜力的有效方法。预测空调系统能耗的方法主要有两种,即物理建模与数据驱动建模。物理建模依赖于明确的热力学关系,需要物理模型来描述复杂的相互作用,与物理建模相比,数据驱动建模不需要建筑物的详细参数,可快速准确地计算,通过对历史能耗数据进行分析及学习,预测未来的空调能耗情况,从而实现系统智能调控、能源需求管理、节能减排,具有重要的意义。借助能耗预测模型能够大致预测出在不同环境及气象条件下的能耗,有助于优化能源供应及设备运行。目前,能耗预测模型主要基于人工智能及机器学习方法来建立。罗军等[38]研究发现,引入能耗预测模型可改善空调新风节能、温湿度过程控制及空调系统控制等,实现空调系统的智能化运维。李浩[39]采用PLC技术设计了中央空调节能监控系统,经实践检验表明,其具有明显的节能效果。通过一定前期投入可实现中央空调系统的长期节能,创造更高的经济及生态效益。陈璐瑶等[40]提出基于深度学习门控循环单元神经网络的空调系统能耗预测模型,对储丝车间空调系统能耗进行预测。

在全年的某个特定时刻,根据室外环境及车间的热湿负荷选择合理、节能的热湿处理执行机构是保证温湿度精度控制的前提。全年多工况控制策略是将全年划分为多个区域,给每个区域制定一个节能且合理的温湿度控制模型,确保各时刻的温湿度控制精度,找到空调系统的最佳节能运行方案[41]。贾炯[42]在分析空调全年变工况运行的基础上,根据现有空调设备构成情况提出节能运行与空气处理优化流程及策略,与实测结果进行能耗对比发现,采用该策略具有显著的节能效果。张小芬[29]提出了一种新的显热潜热全年热湿负荷分析方法。

空调负荷预测是系统优化控制的基础,在降低能源消耗的同时提升建筑热舒适性。但其也面临着一些问题,预测的准确性受到多种因素的影响,这些因素可能使预测结果出现偏差,甚至导致错误的决策。虽然能耗预测模型能够提供一些参考,但实际运行情况可能存在多种干扰因素。例如,建筑的使用模式、维护及保养情况、用户行为等都可能影响能耗。故在进行空调负荷预测时需综合考虑各种因素,提高预测准确性。在设计或改造HVAC系统时,应充分考虑预测结果与实际需求,达到最佳的能源效率。需对这些预测模型进行优化改进,更好地服务于设计及运行实践。空调的全面变工况分析有助于提高空调系统的性能表现及可靠性,降低其运行成本。根据全年负荷热湿分布明确全年任务,为系统设计及制定节能运行策略提供指导。但还需要解决一些实际问题,如不同气候条件与不同运行阶段的性能评估需要大量的实测数据及模拟计算,需要建立科学合理的评估体系及标准。

3 展望

未来,卷烟厂空调节能技术的研究将更加深入及系统化,从多个方面综合考虑,提出以下展望:采用多工况分区技术,将空调区域划分为全新风区和非全新风区,通过分区更好地控制各区域的温湿度及空气质量,避免不同区域之间的干扰及影响,提高能源利用效率。随着技术的发展,空调系统将越来越智能化,通过精准供能及定时定点精准供能,实现能源的有效管理。合理调整空调设备运行时间及运行模式,实现更加智能化的能源管理。未来的空调系统可采用先进的控制算法及智能化设备,如使用机器学习[43]来进行精准的温度及湿度控制,令空调系统更加高效、节能。采用新型空调技术,如地源热泵技术[44]、水源热泵技术[45]、空气源热泵技术[46]等,提高能源利用率,减小对环境的影响,实现节能减排。卷烟厂空调系统的发展将更加注重环保及可持续性,可使用环保及可再生能源,如太阳能、地热能等,空调设备本身也更加注重节能减排。

4 结束语

总结了卷烟厂空调系统的节能减排发展现状,提出以下节能措施:提高制冷机COP,降低其能耗;采用变频风机,提高系统可调性,降低输配能耗;优化湿热处理,提高冷冻水温度,调整加湿技术;利用环境冷源供冷,调节新风比及冷却塔供冷;提升空调负荷预测精度,显著降低能源消耗,提升建筑热舒适性。为进一步降低卷烟厂空调系统能耗,需对卷烟厂需求及能耗现状进行测量分析,采用先进的设备和工艺,改善生产流程,优化能源消耗结构,提高利用效率。利用数字化技术及智能化手段对生产过程进行全面监控及优化,提高运行效率及产品质量,降低环境污染,实现经济效益与社会效益的双赢。