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)有限責任公司杭州卷煙廠、中國建筑設計咨詢公司

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)特點基本是一樣的，即空調(diào)溫濕度要求高，同時車間生產(chǎn)設備先進，設備密度高，單位面積發(fā)熱量大。統(tǒng)計來看，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性廣，不受氣候條件的限制，可隨時根據(jù)需要使用，但這種供冷方式最主要的特點是要開啟大功率的冷水機組，能耗巨大。而在冬季加大空調(diào)系統(tǒng)新風比給車間降溫是當前卷煙廠應用較為廣泛的節(jié)能供冷模式。但從實踐經(jīng)驗來看，在冬季加大新風比可能帶來的問題是因為室外溫濕度波動大，導致車間的空調(diào)溫濕度也隨室外氣候的波動而波動，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)量會造成負面影響;其次由于冬季室外空氣溫度低，含濕量也低，利用大量新風雖然能實現(xiàn)車間降溫，但為了滿足車間溫濕度控制精度的要求，用于新風加濕的蒸汽耗量也隨之增大，這雖然節(jié)約了開啟冷水機組的電能，但加大了新風加濕的蒸汽量，在目前油氣漲價的情況下，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。當室外空氣濕球溫度低于某個值時，關閉冷水機組，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組運行時間?？梢哉f，冬季冷卻塔供冷技術既能解決當前大面積卷煙廠聯(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，具有在卷煙企業(yè)大力推廣應用的潛力。但與冬季加大空調(diào)系統(tǒng)新風比技術相比，兩種技術從節(jié)省能耗方面的比較在已有的研究中尚未見報道。因此，需要將冬季加大新風比技術與冬季冷卻塔供冷技術的適用性進行對比分析，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，通過設置圍護結(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冷負荷，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，這段時間具有利用冷卻塔供冷的潛力。因此，后續(xù)重點按時間段每年的1月～3月以及11月～12月為冬季考察聯(lián)合工房的逐時空調(diào)系統(tǒng)冷負荷。上圖給出的冬季聯(lián)合工房的逐時空調(diào)總負荷?？梢钥闯觯韭?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，主要是因為卷接包車間、制絲車間、濾棒成型車間等車間設備發(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［8］提供的杭州市標準年氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫，杭州市標準年室外空氣濕球溫度的全年變化趨勢圖如下圖2所示?？梢钥闯觯贾菔忻磕甑?月～3月以及11月～12月的室外濕球溫度較低，這段時間具有利用自然冷源，如室外溫度較低的新風或者由冷卻塔產(chǎn)生的冷水實現(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，主要是因為卷接包車間、制絲車間、濾棒成型車間等生產(chǎn)車間設備發(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)，通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量小。

2冷卻塔供冷與可調(diào)新風比節(jié)能效果對比分析

前已述及，冷卻塔供冷和冬季可調(diào)新風比是兩種利用自然冷源的技術，此處將從理論上分析兩種技術的節(jié)能效果。冬季可調(diào)新風比的運行策略是:由于室外氣象參數(shù)總是在不斷變化的，新風量的調(diào)節(jié)需要對室內(nèi)外參數(shù)進行不斷的監(jiān)測和比較，才能確定實時新風量的大小。新風量調(diào)節(jié)采用焓值控制，即當冬季(1月～3月以及11月～12月)室外新風焓值小于室內(nèi)焓值時，則加大新風比例，自動計算新回風混合點位置。同前述冬季空調(diào)負荷模擬一樣，采用建筑能耗模擬軟件分別計算兩種方案的蒸汽耗量和電力耗量，并按照統(tǒng)一標準以標煤進行折算，即可以對比分析兩種方案的節(jié)能效果。模擬計算結(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行統(tǒng)計分析，即可以得到卷煙廠冬季采用可調(diào)新風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噸標準煤。這可能主要是因為卷接包、制絲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，反而導致冬季空調(diào)總能耗有所增加。與此同時，考慮到冬季加大新風比可能會帶來車間的空調(diào)溫濕度也隨室外氣候的波動而波動，溫濕度穩(wěn)定性差，從而會影響了卷煙生產(chǎn)的工藝環(huán)境的穩(wěn)定性。因此，從技術經(jīng)濟兩方面統(tǒng)籌考慮，卷煙廠車間冬季采用冷卻塔供冷技術比可調(diào)新風比技術更具適用性。

3冷卻塔供冷與冷水機組供冷節(jié)能效果對比分析

冬季冷卻塔供冷方式與冷水機組供冷方式相比，兩者電耗的差別是，后者比前者多了一項冷水機組本身的電耗(為簡化分析，假設冷卻塔供冷采用間接方式，可近似認為兩者的冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔風扇的電耗近似相同)。因此，只要統(tǒng)計冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)承擔的空調(diào)逐時冷負荷，并假設這些負荷由冷水機組承擔，按一定的制冷COP即可以定量折算冷水機組的電耗。統(tǒng)計可知，卷煙廠冷卻塔供冷系統(tǒng)承擔的空調(diào)總冷量約為7，403，300kWh。杭州卷煙廠的冷水機組額定工況下COP約為5．6，通常來講，當冷凍水出口溫度升高，或者冷卻水進水溫度下降時，冷水機組制冷COP會有所增加［9］，此處按COP等于6．5(估計)計算冬季冷水機組的電耗。因此，若承擔上述總冷量，冷水機組電耗為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)實際運行效果評價

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)運行情況良好，還對系統(tǒng)在運行時段內(nèi)的運行數(shù)據(jù)進行了實時監(jiān)測和記錄，這為評價冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)的實際運行效果奠定了數(shù)據(jù)基礎。圖3給出的是卷煙廠冬季冷卻塔供冷系統(tǒng)水溫的逐時監(jiān)測值(監(jiān)測期:2011年12月24日到2012年3月6日)。統(tǒng)計來看，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)計來看，在該運時段內(nèi)，系統(tǒng)供冷量總計為4，488，414kWh。因此，可以計算出在該運行期內(nèi)(2011年12月24日到2012年3月6日)，冷卻塔供冷系統(tǒng)相比冷水機組供冷方式節(jié)約的電量總計為690，525kWh(按COP等于6．5)。工業(yè)用電成本按0．8元/kWh計算，則系統(tǒng)節(jié)約的電費約為55萬元。此外，根據(jù)用電量的實際記錄，在上述運行時段內(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扇)的總電耗為425，052kWh。因此，若為冷水機組供冷方式，其系統(tǒng)(含冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔風扇)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%。

本文進一步利用冷源系統(tǒng)能效系數(shù)指標對冷卻塔供冷和冷水機組供冷兩種方案進行對比。所謂冷源系統(tǒng)能效系數(shù)，是指冷源系統(tǒng)單位時間供冷量與冷水機組、冷水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機單位時間耗能的比值［10］。此處給出卷煙廠冬季冷卻塔與冷水機組供冷方式的季節(jié)冷源系統(tǒng)能效系數(shù)(即由運行期內(nèi)總計的空調(diào)系統(tǒng)供冷量和冷源電耗計算得到)，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10．6，達到冷水機組供冷的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，即冷水機組供冷、加大空調(diào)新風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間段，應合理采用冷卻塔供冷模式。

(2)實測結(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)，與冷水機組供冷相比，總計節(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和參考意義。