车间供冷论文：卷烟厂供冷模式对比研究

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本文作者：章伟良、陈华平、邵征宇、何中凯、曾巍、郝军 单位：浙江中烟工业有限责任公司杭州卷烟厂、中国建筑设计咨询公司

对我国烟草生产企业而言，尽管遍布在全国各地，各地的气候也不大相同，但烟草企业的生产特点基本是一样的，即空调温湿度要求高，同时车间生产设备先进，设备密度高，单位面积发热量大。统计来看，为保证车间的温湿度，目前大部分卷烟企业的生产车间在冬季主要采用开启冷水机组的方式给车间提供冷冻水，也有部分企业采用加大空调新风量利用外界冷空气给车间降温的方式，但相对较少有采用冷却塔供冷的方式。

冬季采用冷水机组供冷这种传统方式被卷烟企业普遍采用，这种供冷模式的适应性广，不受气候条件的限制，可随时根据需要使用，但这种供冷方式最主要的特点是要开启大功率的冷水机组，能耗巨大。而在冬季加大空调系统新风比给车间降温是当前卷烟厂应用较为广泛的节能供冷模式。但从实践经验来看，在冬季加大新风比可能带来的问题是因为室外温湿度波动大，导致车间的空调温湿度也随室外气候的波动而波动，温湿度稳定性差，从而影响了卷烟生产的工艺环境的稳定性，这对卷烟生产质量会造成负面影响;其次由于冬季室外空气温度低，含湿量也低，利用大量新风虽然能实现车间降温，但为了满足车间温湿度控制精度的要求，用于新风加湿的蒸汽耗量也随之增大，这虽然节约了开启冷水机组的电能，但加大了新风加湿的蒸汽量，在目前油气涨价的情况下，综合能耗可能还是很大。

冷却塔供冷是空调制冷系统节能降耗的另一种形式［5－7］，适用于过渡季或冬季室外空气湿球温度较低的场合。当室外空气湿球温度低于某个值时，关闭冷水机组，以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调末端系统供冷，以减少高能耗的冷水机组运行时间。可以说，冬季冷却塔供冷技术既能解决当前大面积卷烟厂联合工房的冬季降温问题，又能避免利用加大空调新风降温方法带来的温湿度不稳定而间接影响工艺和加大蒸汽量的缺点，具有在卷烟企业大力推广应用的潜力。但与冬季加大空调系统新风比技术相比，两种技术从节省能耗方面的比较在已有的研究中尚未见报道。因此，需要将冬季加大新风比技术与冬季冷却塔供冷技术的适用性进行对比分析，以确定节能的冬季供冷模式。

杭州卷烟厂冬季供冷模式的选择

1生产车间冬季供冷负荷模拟

浙江中烟杭州卷烟厂“十一五”易地技改的联合工房是一栋2层的建筑，联合工房平面呈成“U”字形布局，东西长453．8m，南北宽375．45m，占地面积127100m2，总建筑面积179750m2。利用eQUEST软件建筑能耗模拟软件，通过设置围护结构热工性能参数、内扰、生产班制等条件，即可以得到联合工房各车间全年的逐时冷负荷，如图1所示。根据杭州市湿球温度的变换规律，可以看出，每年的1月～3月以及11月～12月室外湿球温度较低，这段时间具有利用冷却塔供冷的潜力。因此，后续重点按时间段每年的1月～3月以及11月～12月为冬季考察联合工房的逐时空调系统冷负荷。上图给出的冬季联合工房的逐时空调总负荷。可以看出，冬季联合工房的峰值约为9595kW。并且可知，联合工房冬季(1月～3月以及11月～12月)供冷区域主要集中在卷接包车间、制丝车间、滤棒成型车间、掺兑区及喂丝间。分析原因，主要是因为卷接包车间、制丝车间、滤棒成型车间等车间设备发热量大，而掺兑区和喂丝间等生产车间为建筑内区，通过围护结构的传热量小，冬季需开启空调系统制冷。根据文献［8］提供的杭州市标准年气象参数数据库，杭州市标准年室外空气湿球温度的全年变化趋势图如下图2所示。可以看出，杭州市每年的1月～3月以及11月～12月的室外湿球温度较低，这段时间具有利用自然冷源，如室外温度较低的新风或者由冷却塔产生的冷水实现节能的潜力。因此，本文将每年的1月～3月以及11月～12月作为冬季时段来考察卷烟厂冬季供冷模式的选择问题。由模拟结果可知，冬季联合工房的冷负荷峰值约为9595kW。并且可以确定联合工房冬季(1月～3月以及11月～12月)供冷区域主要集中在卷接包车间、制丝车间、滤棒成型车间、掺兑区及喂丝间等区域。分析其原因，主要是因为卷接包车间、制丝车间、滤棒成型车间等生产车间设备发热量大，而掺兑区和喂丝间等生产车间为建筑内区，通过围护结构的传热量小。

2冷却塔供冷与可调新风比节能效果对比分析

前已述及，冷却塔供冷和冬季可调新风比是两种利用自然冷源的技术，此处将从理论上分析两种技术的节能效果。冬季可调新风比的运行策略是:由于室外气象参数总是在不断变化的，新风量的调节需要对室内外参数进行不断的监测和比较，才能确定实时新风量的大小。新风量调节采用焓值控制，即当冬季(1月～3月以及11月～12月)室外新风焓值小于室内焓值时，则加大新风比例，自动计算新回风混合点位置。同前述冬季空调负荷模拟一样，采用建筑能耗模拟软件分别计算两种方案的蒸汽耗量和电力耗量，并按照统一标准以标煤进行折算，即可以对比分析两种方案的节能效果。模拟计算结果表明，卷接包车间、制丝车间、滤棒成型车间、喂丝间、掺兑区等生产车间采用加大新风比措施后，冬季空调系统耗冷量降低，但加湿耗汽量增加。将上述各车间冬季的耗冷量和耗热量进行统计分析，即可以得到卷烟厂冬季采用可调新风比方案和冷却塔供冷方案节能效果的对比情况，如表1所示。由表1的统计结果可以看出，卷接包、制丝、滤棒成型、喂丝间、掺兑区等车间采用可调新风比措施后，与冷却塔供冷相比，冬季空调系统节约冷源侧制冷电能1000MWh，但增加加湿用干蒸汽耗量5572吨，按照烟草行业综合能耗统一折算口径，冬季空调系统总能耗(包括蒸汽以及冷源侧电力消耗)约增加594吨标准煤。这可能主要是因为卷接包、制丝等车间对湿度要求较高(如卷接包车间湿度控制范围为60±5%、制丝车间湿度控制范围为65～75%)，加大新风量虽然能使空调供冷能耗有所下降，但随之带来的加湿能耗增加，反而导致冬季空调总能耗有所增加。与此同时，考虑到冬季加大新风比可能会带来车间的空调温湿度也随室外气候的波动而波动，温湿度稳定性差，从而会影响了卷烟生产的工艺环境的稳定性。因此，从技术经济两方面统筹考虑，卷烟厂车间冬季采用冷却塔供冷技术比可调新风比技术更具适用性。

3冷却塔供冷与冷水机组供冷节能效果对比分析

冬季冷却塔供冷方式与冷水机组供冷方式相比，两者电耗的差别是，后者比前者多了一项冷水机组本身的电耗(为简化分析，假设冷却塔供冷采用间接方式，可近似认为两者的冷冻水泵、冷却水泵以及冷却塔风扇的电耗近似相同)。因此，只要统计冬季冷却塔供冷系统承担的空调逐时冷负荷，并假设这些负荷由冷水机组承担，按一定的制冷COP即可以定量折算冷水机组的电耗。统计可知，卷烟厂冷却塔供冷系统承担的空调总冷量约为7，403，300kWh。杭州卷烟厂的冷水机组额定工况下COP约为5．6，通常来讲，当冷冻水出口温度升高，或者冷却水进水温度下降时，冷水机组制冷COP会有所增加［9］，此处按COP等于6．5(估计)计算冬季冷水机组的电耗。因此，若承担上述总冷量，冷水机组电耗为7，403，300/6．5=1，138，969kWh。此也即为冬季冷却塔供冷方式比冷水机组供冷方式理论上节约的电量。

4杭州卷烟厂冬季供冷模式的选择

根据上述定量比较分析，认为卷烟厂三种冬季供冷模式中，冷却塔供冷模式是最为节能和适用的一种模式，浙江中烟杭州卷烟厂在生产车间冬季供冷模式上最终选择了冷却塔供冷的模式。

杭州卷烟厂冬季冷却塔供冷系统实际运行效果评价

浙江中烟杭州卷烟厂冬季冷却塔供冷系统于2011年12月正式起用，不但经过第三方检测，证明该冷却塔供冷系统运行情况良好，还对系统在运行时段内的运行数据进行了实时监测和记录，这为评价冬季冷却塔供冷系统的实际运行效果奠定了数据基础。图3给出的是卷烟厂冬季冷却塔供冷系统水温的逐时监测值(监测期:2011年12月24日到2012年3月6日)。统计来看，对冷冻侧，冷冻水的平均供水温度为9．1℃，这说明卷烟厂冷却塔系统在运行期间提供的冷冻水参数完全能满足空调系统需求。而平均冷冻水的回水温度为12．7℃，冷冻水供回水温差大约为3．6℃。对冷却侧，冷却水的平均回水温度(即冷却塔出水)为8．2℃，冷却水的平均供水温度(即冷却塔进水)为10．2℃，冷却水供回水温差大约为2．0℃。相比而言，冷却水供回水温差较小，这可以通过冷却水泵变频来降低冷却水流量以进一步挖掘节能潜力。

卷烟厂冬季冷却塔供冷系统供冷量的监测值如下图3所示(监测期:2011年12月24日到2012年3月6日)。由统计来看，在该运时段内，系统供冷量总计为4，488，414kWh。因此，可以计算出在该运行期内(2011年12月24日到2012年3月6日)，冷却塔供冷系统相比冷水机组供冷方式节约的电量总计为690，525kWh(按COP等于6．5)。工业用电成本按0．8元/kWh计算，则系统节约的电费约为55万元。此外，根据用电量的实际记录，在上述运行时段内，卷烟厂冷却塔供冷系统(含冷冻水泵、冷却水泵以及冷却塔风扇)的总电耗为425，052kWh。因此，若为冷水机组供冷方式，其系统(含冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵以及冷却塔风扇)总电耗约为1，115，577kWh，则冷却塔供冷系统的节能率为690，525/1，115，577=61．9%。

本文进一步利用冷源系统能效系数指标对冷却塔供冷和冷水机组供冷两种方案进行对比。所谓冷源系统能效系数，是指冷源系统单位时间供冷量与冷水机组、冷水泵、冷却水泵和冷却塔风机单位时间耗能的比值［10］。此处给出卷烟厂冬季冷却塔与冷水机组供冷方式的季节冷源系统能效系数(即由运行期内总计的空调系统供冷量和冷源电耗计算得到)，如下表2所示。由表中可以看出，冬季冷却塔供冷的季节冷源系统能效系数高达10．6，达到冷水机组供冷的2．5倍之多，这说明卷烟厂的冷却塔供冷系统具备优异的能源转换效率。

结论

(1)通过定性和定量比较分析表明，在卷烟厂三种冬季供冷模式，即冷水机组供冷、加大空调新风比以及冷却塔供冷中，冷却塔供冷模式是最为节能的一种模式，在冬季室外气象条件符合要求的时间段，应合理采用冷却塔供冷模式。

(2)实测结果表明，浙江中烟杭州卷烟厂的冬季冷却塔供冷系统运行效果良好，在监测期内(2011年12月24日到2012年3月6日)，与冷水机组供冷相比，总计节约电量约为69万度，节能率为61．9%，季节冷源系统能效系数达10．6，取得了较为显著的节能效果。本文研究对于卷烟厂生产车间冬季供冷模式的选择具有一定的指导和参考意义。