車間供冷論文：卷煙廠供冷模式對比研究

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本文作者：章偉良、陳華平、邵征宇、何中凱、曾巍、郝軍 單位：浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司杭州卷煙廠、中國建筑設(shè)計(jì)咨詢公司

對我國煙草生產(chǎn)企業(yè)而言，盡管遍布在全國各地，各地的氣候也不大相同，但煙草企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)基本是一樣的，即空調(diào)溫濕度要求高，同時(shí)車間生產(chǎn)設(shè)備先進(jìn)，設(shè)備密度高，單位面積發(fā)熱量大。統(tǒng)計(jì)來看，為保證車間的溫濕度，目前大部分卷煙企業(yè)的生產(chǎn)車間在冬季主要采用開啟冷水機(jī)組的方式給車間提供冷凍水，也有部分企業(yè)采用加大空調(diào)新風(fēng)量利用外界冷空氣給車間降溫的方式，但相對較少有采用冷卻塔供冷的方式。

冬季采用冷水機(jī)組供冷這種傳統(tǒng)方式被卷煙企業(yè)普遍采用，這種供冷模式的適應(yīng)性廣，不受氣候條件的限制，可隨時(shí)根據(jù)需要使用，但這種供冷方式最主要的特點(diǎn)是要開啟大功率的冷水機(jī)組，能耗巨大。而在冬季加大空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)比給車間降溫是當(dāng)前卷煙廠應(yīng)用較為廣泛的節(jié)能供冷模式。但從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，在冬季加大新風(fēng)比可能帶來的問題是因?yàn)槭彝鉁貪穸炔▌?dòng)大，導(dǎo)致車間的空調(diào)溫濕度也隨室外氣候的波動(dòng)而波動(dòng)，溫濕度穩(wěn)定性差，從而影響了卷煙生產(chǎn)的工藝環(huán)境的穩(wěn)定性，這對卷煙生產(chǎn)質(zhì)量會(huì)造成負(fù)面影響;其次由于冬季室外空氣溫度低，含濕量也低，利用大量新風(fēng)雖然能實(shí)現(xiàn)車間降溫，但為了滿足車間溫濕度控制精度的要求，用于新風(fēng)加濕的蒸汽耗量也隨之增大，這雖然節(jié)約了開啟冷水機(jī)組的電能，但加大了新風(fēng)加濕的蒸汽量，在目前油氣漲價(jià)的情況下，綜合能耗可能還是很大。

冷卻塔供冷是空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能降耗的另一種形式［5－7］，適用于過渡季或冬季室外空氣濕球溫度較低的場合。當(dāng)室外空氣濕球溫度低于某個(gè)值時(shí)，關(guān)閉冷水機(jī)組，以流經(jīng)冷卻塔的循環(huán)冷卻水直接或間接向空調(diào)末端系統(tǒng)供冷，以減少高能耗的冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)間?？梢哉f，冬季冷卻塔供冷技術(shù)既能解決當(dāng)前大面積卷煙廠聯(lián)合工房的冬季降溫問題，又能避免利用加大空調(diào)新風(fēng)降溫方法帶來的溫濕度不穩(wěn)定而間接影響工藝和加大蒸汽量的缺點(diǎn)，具有在卷煙企業(yè)大力推廣應(yīng)用的潛力。但與冬季加大空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)比技術(shù)相比，兩種技術(shù)從節(jié)省能耗方面的比較在已有的研究中尚未見報(bào)道。因此，需要將冬季加大新風(fēng)比技術(shù)與冬季冷卻塔供冷技術(shù)的適用性進(jìn)行對比分析，以確定節(jié)能的冬季供冷模式。

杭州卷煙廠冬季供冷模式的選擇

1生產(chǎn)車間冬季供冷負(fù)荷模擬

浙江中煙杭州卷煙廠“十一五”易地技改的聯(lián)合工房是一棟2層的建筑，聯(lián)合工房平面呈成“U”字形布局，東西長453．8m，南北寬375．45m，占地面積127100m2，總建筑面積179750m2。利用eQUEST軟件建筑能耗模擬軟件，通過設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)、內(nèi)擾、生產(chǎn)班制等條件，即可以得到聯(lián)合工房各車間全年的逐時(shí)冷負(fù)荷，如圖1所示。根據(jù)杭州市濕球溫度的變換規(guī)律，可以看出，每年的1月～3月以及11月～12月室外濕球溫度較低，這段時(shí)間具有利用冷卻塔供冷的潛力。因此，后續(xù)重點(diǎn)按時(shí)間段每年的1月～3月以及11月～12月為冬季考察聯(lián)合工房的逐時(shí)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷。上圖給出的冬季聯(lián)合工房的逐時(shí)空調(diào)總負(fù)荷?？梢钥闯?，冬季聯(lián)合工房的峰值約為9595kW。并且可知，聯(lián)合工房冬季(1月～3月以及11月～12月)供冷區(qū)域主要集中在卷接包車間、制絲車間、濾棒成型車間、摻兌區(qū)及喂絲間。分析原因，主要是因?yàn)榫斫影囬g、制絲車間、濾棒成型車間等車間設(shè)備發(fā)熱量大，而摻兌區(qū)和喂絲間等生產(chǎn)車間為建筑內(nèi)區(qū)，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量小，冬季需開啟空調(diào)系統(tǒng)制冷。根據(jù)文獻(xiàn)［8］提供的杭州市標(biāo)準(zhǔn)年氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫，杭州市標(biāo)準(zhǔn)年室外空氣濕球溫度的全年變化趨勢圖如下圖2所示。可以看出，杭州市每年的1月～3月以及11月～12月的室外濕球溫度較低，這段時(shí)間具有利用自然冷源，如室外溫度較低的新風(fēng)或者由冷卻塔產(chǎn)生的冷水實(shí)現(xiàn)節(jié)能的潛力。因此，本文將每年的1月～3月以及11月～12月作為冬季時(shí)段來考察卷煙廠冬季供冷模式的選擇問題。由模擬結(jié)果可知，冬季聯(lián)合工房的冷負(fù)荷峰值約為9595kW。并且可以確定聯(lián)合工房冬季(1月～3月以及11月～12月)供冷區(qū)域主要集中在卷接包車間、制絲車間、濾棒成型車間、摻兌區(qū)及喂絲間等區(qū)域。分析其原因，主要是因?yàn)榫斫影囬g、制絲車間、濾棒成型車間等生產(chǎn)車間設(shè)備發(fā)熱量大，而摻兌區(qū)和喂絲間等生產(chǎn)車間為建筑內(nèi)區(qū)，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量小。

2冷卻塔供冷與可調(diào)新風(fēng)比節(jié)能效果對比分析

前已述及，冷卻塔供冷和冬季可調(diào)新風(fēng)比是兩種利用自然冷源的技術(shù)，此處將從理論上分析兩種技術(shù)的節(jié)能效果。冬季可調(diào)新風(fēng)比的運(yùn)行策略是:由于室外氣象參數(shù)總是在不斷變化的，新風(fēng)量的調(diào)節(jié)需要對室內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行不斷的監(jiān)測和比較，才能確定實(shí)時(shí)新風(fēng)量的大小。新風(fēng)量調(diào)節(jié)采用焓值控制，即當(dāng)冬季(1月～3月以及11月～12月)室外新風(fēng)焓值小于室內(nèi)焓值時(shí)，則加大新風(fēng)比例，自動(dòng)計(jì)算新回風(fēng)混合點(diǎn)位置。同前述冬季空調(diào)負(fù)荷模擬一樣，采用建筑能耗模擬軟件分別計(jì)算兩種方案的蒸汽耗量和電力耗量，并按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以標(biāo)煤進(jìn)行折算，即可以對比分析兩種方案的節(jié)能效果。模擬計(jì)算結(jié)果表明，卷接包車間、制絲車間、濾棒成型車間、喂絲間、摻兌區(qū)等生產(chǎn)車間采用加大新風(fēng)比措施后，冬季空調(diào)系統(tǒng)耗冷量降低，但加濕耗汽量增加。將上述各車間冬季的耗冷量和耗熱量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，即可以得到卷煙廠冬季采用可調(diào)新風(fēng)比方案和冷卻塔供冷方案節(jié)能效果的對比情況，如表1所示。由表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，卷接包、制絲、濾棒成型、喂絲間、摻兌區(qū)等車間采用可調(diào)新風(fēng)比措施后，與冷卻塔供冷相比，冬季空調(diào)系統(tǒng)節(jié)約冷源側(cè)制冷電能1000MWh，但增加加濕用干蒸汽耗量5572噸，按照煙草行業(yè)綜合能耗統(tǒng)一折算口徑，冬季空調(diào)系統(tǒng)總能耗(包括蒸汽以及冷源側(cè)電力消耗)約增加594噸標(biāo)準(zhǔn)煤。這可能主要是因?yàn)榫斫影⒅平z等車間對濕度要求較高(如卷接包車間濕度控制范圍為60±5%、制絲車間濕度控制范圍為65～75%)，加大新風(fēng)量雖然能使空調(diào)供冷能耗有所下降，但隨之帶來的加濕能耗增加，反而導(dǎo)致冬季空調(diào)總能耗有所增加。與此同時(shí)，考慮到冬季加大新風(fēng)比可能會(huì)帶來車間的空調(diào)溫濕度也隨室外氣候的波動(dòng)而波動(dòng)，溫濕度穩(wěn)定性差，從而會(huì)影響了卷煙生產(chǎn)的工藝環(huán)境的穩(wěn)定性。因此，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)兩方面統(tǒng)籌考慮，卷煙廠車間冬季采用冷卻塔供冷技術(shù)比可調(diào)新風(fēng)比技術(shù)更具適用性。

3冷卻塔供冷與冷水機(jī)組供冷節(jié)能效果對比分析

冬季冷卻塔供冷方式與冷水機(jī)組供冷方式相比，兩者電耗的差別是，后者比前者多了一項(xiàng)冷水機(jī)組本身的電耗(為簡化分析，假設(shè)冷卻塔供冷采用間接方式，可近似認(rèn)為兩者的冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔風(fēng)扇的電耗近似相同)。因此，只要統(tǒng)計(jì)冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)承擔(dān)的空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷，并假設(shè)這些負(fù)荷由冷水機(jī)組承擔(dān)，按一定的制冷COP即可以定量折算冷水機(jī)組的電耗。統(tǒng)計(jì)可知，卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng)承擔(dān)的空調(diào)總冷量約為7，403，300kWh。杭州卷煙廠的冷水機(jī)組額定工況下COP約為5．6，通常來講，當(dāng)冷凍水出口溫度升高，或者冷卻水進(jìn)水溫度下降時(shí)，冷水機(jī)組制冷COP會(huì)有所增加［9］，此處按COP等于6．5(估計(jì))計(jì)算冬季冷水機(jī)組的電耗。因此，若承擔(dān)上述總冷量，冷水機(jī)組電耗為7，403，300/6．5=1，138，969kWh。此也即為冬季冷卻塔供冷方式比冷水機(jī)組供冷方式理論上節(jié)約的電量。

4杭州卷煙廠冬季供冷模式的選擇

根據(jù)上述定量比較分析，認(rèn)為卷煙廠三種冬季供冷模式中，冷卻塔供冷模式是最為節(jié)能和適用的一種模式，浙江中煙杭州卷煙廠在生產(chǎn)車間冬季供冷模式上最終選擇了冷卻塔供冷的模式。

杭州卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果評價(jià)

浙江中煙杭州卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)于2011年12月正式起用，不但經(jīng)過第三方檢測，證明該冷卻塔供冷系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，還對系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)段內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄，這為評價(jià)冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖3給出的是卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)水溫的逐時(shí)監(jiān)測值(監(jiān)測期:2011年12月24日到2012年3月6日)。統(tǒng)計(jì)來看，對冷凍側(cè)，冷凍水的平均供水溫度為9．1℃，這說明卷煙廠冷卻塔系統(tǒng)在運(yùn)行期間提供的冷凍水參數(shù)完全能滿足空調(diào)系統(tǒng)需求。而平均冷凍水的回水溫度為12．7℃，冷凍水供回水溫差大約為3．6℃。對冷卻側(cè)，冷卻水的平均回水溫度(即冷卻塔出水)為8．2℃，冷卻水的平均供水溫度(即冷卻塔進(jìn)水)為10．2℃，冷卻水供回水溫差大約為2．0℃。相比而言，冷卻水供回水溫差較小，這可以通過冷卻水泵變頻來降低冷卻水流量以進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力。

卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)供冷量的監(jiān)測值如下圖3所示(監(jiān)測期:2011年12月24日到2012年3月6日)。由統(tǒng)計(jì)來看，在該運(yùn)時(shí)段內(nèi)，系統(tǒng)供冷量總計(jì)為4，488，414kWh。因此，可以計(jì)算出在該運(yùn)行期內(nèi)(2011年12月24日到2012年3月6日)，冷卻塔供冷系統(tǒng)相比冷水機(jī)組供冷方式節(jié)約的電量總計(jì)為690，525kWh(按COP等于6．5)。工業(yè)用電成本按0．8元/kWh計(jì)算，則系統(tǒng)節(jié)約的電費(fèi)約為55萬元。此外，根據(jù)用電量的實(shí)際記錄，在上述運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng)(含冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔風(fēng)扇)的總電耗為425，052kWh。因此，若為冷水機(jī)組供冷方式，其系統(tǒng)(含冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔風(fēng)扇)總電耗約為1，115，577kWh，則冷卻塔供冷系統(tǒng)的節(jié)能率為690，525/1，115，577=61．9%。

本文進(jìn)一步利用冷源系統(tǒng)能效系數(shù)指標(biāo)對冷卻塔供冷和冷水機(jī)組供冷兩種方案進(jìn)行對比。所謂冷源系統(tǒng)能效系數(shù)，是指冷源系統(tǒng)單位時(shí)間供冷量與冷水機(jī)組、冷水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)單位時(shí)間耗能的比值［10］。此處給出卷煙廠冬季冷卻塔與冷水機(jī)組供冷方式的季節(jié)冷源系統(tǒng)能效系數(shù)(即由運(yùn)行期內(nèi)總計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)供冷量和冷源電耗計(jì)算得到)，如下表2所示。由表中可以看出，冬季冷卻塔供冷的季節(jié)冷源系統(tǒng)能效系數(shù)高達(dá)10．6，達(dá)到冷水機(jī)組供冷的2．5倍之多，這說明卷煙廠的冷卻塔供冷系統(tǒng)具備優(yōu)異的能源轉(zhuǎn)換效率。

結(jié)論

(1)通過定性和定量比較分析表明，在卷煙廠三種冬季供冷模式，即冷水機(jī)組供冷、加大空調(diào)新風(fēng)比以及冷卻塔供冷中，冷卻塔供冷模式是最為節(jié)能的一種模式，在冬季室外氣象條件符合要求的時(shí)間段，應(yīng)合理采用冷卻塔供冷模式。

(2)實(shí)測結(jié)果表明，浙江中煙杭州卷煙廠的冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，在監(jiān)測期內(nèi)(2011年12月24日到2012年3月6日)，與冷水機(jī)組供冷相比，總計(jì)節(jié)約電量約為69萬度，節(jié)能率為61．9%，季節(jié)冷源系統(tǒng)能效系數(shù)達(dá)10．6，取得了較為顯著的節(jié)能效果。本文研究對于卷煙廠生產(chǎn)車間冬季供冷模式的選擇具有一定的指導(dǎo)和參考意義。