王 兵,冉井旺,簡 勇,高遠嵩,王熙雯,李夔寧

(1.重慶中煙工業(yè)有限責任公司 黔江卷煙廠,重慶 409000; 2.重慶大學 能源與動力工程學院,重慶 400030)

為提高產品質量及經濟效益,煙草行業(yè)不斷進行技術改造。在全年綜合能耗中,空調能耗占30%～50%[1],成為了重大的能源負擔,導致經濟成本增加。需對空調系統(tǒng)進行節(jié)能控制,降低運行成本,促進經濟的可持續(xù)發(fā)展[2]。通過文獻調研,總結了卷煙廠的空調節(jié)能措施,指出了其中存在的問題,以促進節(jié)能改造。

1 卷煙廠空調系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

卷煙廠車間面積較大,負荷影響因素較多,因此空調系統(tǒng)在保持適宜的溫濕度控制條件下還要盡可能減少能源消耗,這對空調系統(tǒng)節(jié)能提出了更高的要求。空調系統(tǒng)電耗占全廠總用電量的1/3,尤其是在夏季,耗電比例達總耗電的1/2。而在冬季、春季,環(huán)境溫度低,濕度小,系統(tǒng)需進行加熱、加濕,消耗更多的蒸汽,導致生產成本提高。過去主要采用淋水室來處理空氣,這有利于空氣洗滌,增加空氣清新度(如圖1所示)。夏季用冷凍水對空氣進行去濕處理,冬季利用循環(huán)水對空氣加濕降溫。但這種方法會使制冷機受到污染,導致效率逐年下降,對生產造成不良影響[3]。

圖1 淋水室空調Fig.1 Shower room air conditioning

有學者提出噴淋表冷[1]來處理空氣(如圖2所示)。此方法改善了水質,增加了系統(tǒng)可靠性,但會污染循環(huán)水質。增設循環(huán)泵會使能耗增加,噴淋加濕過程會增加表冷器的負擔。

圖2 噴淋器+表冷空調器Fig.2 Spray + surface cooling air conditioner

圖3 表冷器+干蒸汽加濕空調器Fig.3 Surface cooler + dry steam humidifier air conditioner

結合卷煙廠空調系統(tǒng)形式及運行特點,總結了其存在的主要問題:①制冷機開啟時間長,效率低。制冷機需要全年開啟,導致制冷時間過長且效率不高。通常情況下,制冷機的選型按照設計負荷的上限選擇,乘以一定的安全系數(shù),故制冷機長時間無法在高效負荷下運行,當制冷量較小時(過渡季節(jié)和冬季),運行效率更低。②系統(tǒng)調節(jié)能力差,風機水泵效率低,能耗高。同一車間多臺空調送風溫度不同,造成控制紊亂,耗能大大增加。在空調系統(tǒng)設計中,水泵和風機選型過大,導致運行過程中出現(xiàn)大流量小溫差和大風量小焓差現(xiàn)象[4]。③冷熱抵消。卷煙廠主要利用溫濕度補償來處理空氣。在夏季,由于控制精度要求高,空調系統(tǒng)需要消耗蒸汽用于再熱加濕,這一過程消耗了蒸汽,抵消了冷量,導致能量浪費嚴重。④高質低用?？諝饨涍^表冷器后的溫度較低,而高溫蒸汽一般在230 ℃左右,溫差達到200 ℃,溫差過大使能源高質低用且熱能損失嚴重[5]。

2 空調系統(tǒng)節(jié)能措施

2.1 水系統(tǒng)節(jié)能

卷煙廠空調系統(tǒng)主要由空調供水系統(tǒng)和空調終端組成?？照{水系統(tǒng)是主要的耗能部件,涉及的設備類型復雜且耗能較高。故通過提高空調水系統(tǒng)的能源效率可大大降低總能耗。盡管許多空調水系統(tǒng)設計為節(jié)能高效的,但系統(tǒng)設備是根據(jù)最大終端負載需求(即系統(tǒng)所需的最大冷卻能力)配置的,當系統(tǒng)在部分負載下運行時,設備無法根據(jù)環(huán)境參數(shù)及負載需求的變化進行動態(tài)調整,導致偏離最佳運行水平。故在不同負荷需求下,需制定不同設備的優(yōu)化控制策略,以提高空調水系統(tǒng)的運行效率。在氣候適宜的地區(qū),可直接使用自然能源進行冷卻,無需打開機械空調機組,或減少機械冷卻及加熱系統(tǒng)的能源使用。冷卻塔免費供冷是一種不使用制冷機的供冷手段,也被稱為免費供冷,當室外空氣焓值低于室內空氣焓值時,不宜采用加大新風冷源的方法[8]。雖然冷卻塔免費供冷在某些情況下可以替代制冷機組供冷,但是其使用條件較為苛刻,需滿足特定的氣象條件(如室外濕球溫度低于某個值),此方法利用自然冷源,對氣候依賴性較高,在使用過程中需考慮冷卻塔的制冷量衰減問題。原有系統(tǒng)的冷卻塔容量及建筑負荷率大小也會影響冷卻塔供冷的適應性[9]。陳華平[10]為降低卷煙廠空調系統(tǒng)運行能耗,采用冷卻塔間接供冷。結果表明,該方法能達到節(jié)能效果。付波等[11]以某煙廠節(jié)能改造為例,提出冷凍水泵變頻、提高冷水機組能效比、冬季冷卻塔直接供冷等節(jié)能措施,模擬結果表明,其綜合節(jié)能率滿足當?shù)鼐G色工房降低總能耗的要求。

在過渡季節(jié),當車間溫濕度控制難度較低時,采用較高的冷水出水溫度可顯著降低能耗,避免空調機組末端出現(xiàn)過度除濕、除濕后再加濕、冷熱抵消等現(xiàn)象[12]。制冷機的能效與冷凍水溫度密切相關。提高冷凍水溫度可使制冷機在相同時間內處理較少的冷卻水,從而提升能效。制冷機處理的冷卻水減少,就可減少冷卻水用量,節(jié)省水資源,令制冷效果得到優(yōu)化,制冷時間縮短,提高生產效率。吳偉等[13]研究發(fā)現(xiàn),提高冷水供水溫度可降低能耗,由于車間濕負荷小、露點溫度高、熱濕比大,在過渡季節(jié)和冬季供冷時,隨著車間冷負荷的降低,提高冷水供水溫度可進一步減少能耗,達到節(jié)能效果。蔡君巍等[14]提出調整冷卻塔臺數(shù)和縮短冷凍水降溫時間,以達到節(jié)能的目的。通過實驗研究,根據(jù)室外環(huán)境的溫濕度變化來調整冷凍水溫度,可有效提高制冷機運行效率。張小芬等[15]通過實驗證明提高冷凍水供水溫度具有可行性,在負荷率相同的情況下,提高供水溫度可提高制冷機COP。張利宏等[16]設計了冷卻水余熱回收系統(tǒng),代替蒸汽為再熱系統(tǒng)提供熱能。結果表明,該技術可提高能源利用率、降低生產成本。楊優(yōu)等[17]研究發(fā)現(xiàn),提高冷凍水溫度能提高制冷系統(tǒng)運行效率,減少空調系統(tǒng)額外的能源消耗。

空調水系統(tǒng)節(jié)能主要通過提高制冷機COP和冷卻塔免費供冷等方式,但提高冷凍水出水溫度不能解決高質低用問題。通過提高出水溫度來提高冷機COP只停留在理論分析上,目前還沒有完善的設備及控制策略來實現(xiàn)變水溫運行。提高制冷機冷凍水溫度并不是無限制的,需結合實際情況進行操作。如果冷凍水溫度過高,可能會對制冷效果產生不利影響,對設備產生一定的損害。故在操作過程中需結合實際情況進行調節(jié),以保證制冷效果及設備安全。而冷卻塔免費供冷在某些特定條件下是一種有效的節(jié)能手段,但其只有在特殊的外界條件下才可以采用,不能保證連續(xù)長時間的穩(wěn)定運行,無法充分地利用自然冷源,需要結合實際情況進行評估及選擇。卷煙廠對溫濕度控制精度要求較高,目前還不具備采用冷卻塔免費供冷方案的條件。

2.2 風系統(tǒng)節(jié)能

卷煙行業(yè)對生產車間的空氣“四度”越來越重視,即溫度、濕度、速度及清潔度。

為簡化空調系統(tǒng)的自動控制,車間的空調系統(tǒng)大多只設一次回風,當車間的冷負荷隨室外氣溫變化時,空調系統(tǒng)采用定風量運行,這會增大風機能耗且需進行二次加熱,冷熱抵消,增大空調運行能耗。黃宇慧[18]根據(jù)卷煙廠空調系統(tǒng)定風量運行存在的問題分析了采用變風量運行的合理性。通過比較指出,變頻調速變風量運行是最節(jié)能的運行方式,以實例說明其具有經濟可行性。李遠進等[19]提出結合空調變風量調節(jié)及主副表冷器獨立控制方案,可消除夏季工況下的再熱現(xiàn)象。采用變風量空調系統(tǒng)時,應根據(jù)季節(jié)特點設置送回風溫差,在冬季和夏季工況下可取較大值,過渡季節(jié)取較小值[20]。徐明[21]設計了一種雙通道組合式空調機組,通過焓濕計算控制送風溫濕度的方法調節(jié)車間溫濕度。結果表明,該方法能有效消除過渡季節(jié)新風利用率低及夏季再熱等問題,提高溫濕度控制精度,降低空調系統(tǒng)能耗,比一次回風系統(tǒng)節(jié)能30%。王德吉等[22]提出基于單冷源的空調系統(tǒng)溫濕度獨立控制方法,可有效解決夏季溫濕聯(lián)合調節(jié)模式下的冷熱抵消問題,提高了空調機組運行效率。

隨著卷煙廠設備的不斷更新、技術不斷改進,其對溫濕度精度及空調系統(tǒng)氣流組織提出了更高的要求。卷煙廠大多為大空間廠房,高度一般在5 m以上,為了便于檢修,在距頂部3 m處設置格柵,將送回風口設置在該處,使車間分為上、下兩部分。這樣上部區(qū)域會堆積熱量,對下部區(qū)域產生影響?？照{系統(tǒng)中的不平衡冷卻分布往往導致不同區(qū)域間的冷卻速度差異很大,因此必須延長預冷時間,導致大量的能源浪費。在卷接包車間采用上送集中回的氣流組織,并只設一個回風口,如果回風距離不長,該氣流組織形式能滿足設計要求,但當回風距離較長時,車間氣流溫度場與速度場的均勻性就不能保證,產品質量會受到影響。卷煙廠空調要選用合理的送風參數(shù)及形式,以滿足工藝需求,保證環(huán)境的舒適性及節(jié)能效果。李航等[23]分析了各車間氣流形式,測試了其運行效果,提出了優(yōu)化方案。邵征宇對原方案進行優(yōu)化,模擬可調旋流風口結合局部區(qū)域噴射風口的送風方式,證明了方案的可行性。趙興等[26]對制絲車間豎直方向溫濕度進行測試,發(fā)現(xiàn)將機械通風設置在格柵上可有效排出堆積在車間上部區(qū)域的熱量,達到節(jié)能效果。張小芬比較了車間常用的上送上回與車間置換通風效果。結果表明,置換通風時溫度分層更明顯,能更好地降低空調能耗。鞏超分析了卷煙廠的空調能耗,提出降低通風空調系統(tǒng)能耗的方案及改進措施。

空調風系統(tǒng)節(jié)能主要通過風機變頻及改進熱濕處理等方式節(jié)能。風機變頻技術可通過控制電機的轉速來調整風扇風速,減少電機耗能量。還可自動調整電機轉速,使其始終保持在最佳狀態(tài),達到節(jié)能的目的。由于車間對溫度需求較高,變頻技術可以更好地控制風機的轉速,對房間的正負壓進行良好的調節(jié),使房間內的溫度更加穩(wěn)定可靠。但風機效率低,為保證系統(tǒng)在不同工況下的運行效果,選擇風機時通常會留出一定的余量。而風機選型過大會使風機變頻后無法在高效率區(qū)工作,尤其是在控制系統(tǒng)混亂時,風機效率會更低。且加大風量會使?jié)窳吭黾?在恒溫恒濕空調系統(tǒng)中應用有限。改進熱濕處理可提高室內環(huán)境舒適度及空氣質量,降低能耗及維護成本。但卷煙廠需嚴格控制廠房內部的溫度及濕度,傳統(tǒng)的熱濕處理方式會存在精度不足的問題,熱濕處理設備需定期維護清潔,造成隱形投資大幅增加。

2.3 空調系統(tǒng)優(yōu)化控制

供暖、通風及空調(HVAC)系統(tǒng)是公共建筑的主要能源消耗組成[33],降低建筑能耗、推進資源節(jié)約與循環(huán)利用是重要任務。但在實際運行過程中暖通空調系統(tǒng)能效較低,由于設備故障、控制策略不當?shù)纫蛩?空調系統(tǒng)中有近1/4的能源被浪費。而車間對溫濕度控制有著高精度需求,各類故障和錯誤導致?lián)p失更為突出?？照{系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)耦合而成的非線性復雜系統(tǒng),實際運行能效受各子系統(tǒng)匹配特性與終端用戶使用方式的影響,是一個在多因素作用下動態(tài)變化的系統(tǒng)。馬瑞等[36]對利用關聯(lián)規(guī)則對卷煙廠空調系統(tǒng)進行大數(shù)據(jù)分析進行研究。結果表明,基于關聯(lián)規(guī)則的優(yōu)化方法有較好的應用潛力,可為實際空調的節(jié)能改造提供理論基礎及指導。秦寶坤等[37]提出基于關聯(lián)規(guī)則的傳感器故障實時檢測方法。利用該算法實時采集運行數(shù)據(jù),與故障量化特征進行對比,得到系統(tǒng)傳感器故障的實時輸出結果。

HVAC系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑中不可或缺的一部分,除了配置高效設備外,HVAC的優(yōu)化控制是系統(tǒng)運行階段挖掘節(jié)能潛力的有效方法。預測空調系統(tǒng)能耗的方法主要有兩種,即物理建模與數(shù)據(jù)驅動建模。物理建模依賴于明確的熱力學關系,需要物理模型來描述復雜的相互作用,與物理建模相比,數(shù)據(jù)驅動建模不需要建筑物的詳細參數(shù),可快速準確地計算,通過對歷史能耗數(shù)據(jù)進行分析及學習,預測未來的空調能耗情況,從而實現(xiàn)系統(tǒng)智能調控、能源需求管理、節(jié)能減排,具有重要的意義。借助能耗預測模型能夠大致預測出在不同環(huán)境及氣象條件下的能耗,有助于優(yōu)化能源供應及設備運行。目前,能耗預測模型主要基于人工智能及機器學習方法來建立。羅軍等[38]研究發(fā)現(xiàn),引入能耗預測模型可改善空調新風節(jié)能、溫濕度過程控制及空調系統(tǒng)控制等,實現(xiàn)空調系統(tǒng)的智能化運維。李浩[39]采用PLC技術設計了中央空調節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng),經實踐檢驗表明,其具有明顯的節(jié)能效果。通過一定前期投入可實現(xiàn)中央空調系統(tǒng)的長期節(jié)能,創(chuàng)造更高的經濟及生態(tài)效益。陳璐瑤等[40]提出基于深度學習門控循環(huán)單元神經網絡的空調系統(tǒng)能耗預測模型,對儲絲車間空調系統(tǒng)能耗進行預測。

在全年的某個特定時刻,根據(jù)室外環(huán)境及車間的熱濕負荷選擇合理、節(jié)能的熱濕處理執(zhí)行機構是保證溫濕度精度控制的前提。全年多工況控制策略是將全年劃分為多個區(qū)域,給每個區(qū)域制定一個節(jié)能且合理的溫濕度控制模型,確保各時刻的溫濕度控制精度,找到空調系統(tǒng)的最佳節(jié)能運行方案[41]。賈炯[42]在分析空調全年變工況運行的基礎上,根據(jù)現(xiàn)有空調設備構成情況提出節(jié)能運行與空氣處理優(yōu)化流程及策略,與實測結果進行能耗對比發(fā)現(xiàn),采用該策略具有顯著的節(jié)能效果。張小芬[29]提出了一種新的顯熱潛熱全年熱濕負荷分析方法。

空調負荷預測是系統(tǒng)優(yōu)化控制的基礎,在降低能源消耗的同時提升建筑熱舒適性。但其也面臨著一些問題,預測的準確性受到多種因素的影響,這些因素可能使預測結果出現(xiàn)偏差,甚至導致錯誤的決策。雖然能耗預測模型能夠提供一些參考,但實際運行情況可能存在多種干擾因素。例如,建筑的使用模式、維護及保養(yǎng)情況、用戶行為等都可能影響能耗。故在進行空調負荷預測時需綜合考慮各種因素,提高預測準確性。在設計或改造HVAC系統(tǒng)時,應充分考慮預測結果與實際需求,達到最佳的能源效率。需對這些預測模型進行優(yōu)化改進,更好地服務于設計及運行實踐?？照{的全面變工況分析有助于提高空調系統(tǒng)的性能表現(xiàn)及可靠性,降低其運行成本。根據(jù)全年負荷熱濕分布明確全年任務,為系統(tǒng)設計及制定節(jié)能運行策略提供指導。但還需要解決一些實際問題,如不同氣候條件與不同運行階段的性能評估需要大量的實測數(shù)據(jù)及模擬計算,需要建立科學合理的評估體系及標準。

3 展望

未來,卷煙廠空調節(jié)能技術的研究將更加深入及系統(tǒng)化,從多個方面綜合考慮,提出以下展望:采用多工況分區(qū)技術,將空調區(qū)域劃分為全新風區(qū)和非全新風區(qū),通過分區(qū)更好地控制各區(qū)域的溫濕度及空氣質量,避免不同區(qū)域之間的干擾及影響,提高能源利用效率。隨著技術的發(fā)展,空調系統(tǒng)將越來越智能化,通過精準供能及定時定點精準供能,實現(xiàn)能源的有效管理。合理調整空調設備運行時間及運行模式,實現(xiàn)更加智能化的能源管理。未來的空調系統(tǒng)可采用先進的控制算法及智能化設備,如使用機器學習[43]來進行精準的溫度及濕度控制,令空調系統(tǒng)更加高效、節(jié)能。采用新型空調技術,如地源熱泵技術[44]、水源熱泵技術[45]、空氣源熱泵技術[46]等,提高能源利用率,減小對環(huán)境的影響,實現(xiàn)節(jié)能減排。卷煙廠空調系統(tǒng)的發(fā)展將更加注重環(huán)保及可持續(xù)性,可使用環(huán)保及可再生能源,如太陽能、地熱能等,空調設備本身也更加注重節(jié)能減排。

4 結束語

總結了卷煙廠空調系統(tǒng)的節(jié)能減排發(fā)展現(xiàn)狀,提出以下節(jié)能措施:提高制冷機COP,降低其能耗;采用變頻風機,提高系統(tǒng)可調性,降低輸配能耗;優(yōu)化濕熱處理,提高冷凍水溫度,調整加濕技術;利用環(huán)境冷源供冷,調節(jié)新風比及冷卻塔供冷;提升空調負荷預測精度,顯著降低能源消耗,提升建筑熱舒適性。為進一步降低卷煙廠空調系統(tǒng)能耗,需對卷煙廠需求及能耗現(xiàn)狀進行測量分析,采用先進的設備和工藝,改善生產流程,優(yōu)化能源消耗結構,提高利用效率。利用數(shù)字化技術及智能化手段對生產過程進行全面監(jiān)控及優(yōu)化,提高運行效率及產品質量,降低環(huán)境污染,實現(xiàn)經濟效益與社會效益的雙贏。