中央空調系統是卷煙廠生產車間工藝溫濕度環境保證的重要設施,同時也是卷煙廠運行的能耗大戶。據統計[ 1 ] ,工藝性中央空調制冷系統的運行能耗約占卷煙廠全年總運行能耗的40%。隨著我國煙草行業“十一五”技術改造的實施,卷煙廠生產車間逐步向大空間的聯合工房形式發展,生產工藝設備不斷更新、建筑結構及外飾面改變、燃氣(油)鍋爐替代燃煤鍋爐等,卷煙廠工藝性中央空調制冷系統的運行成本逐漸加大。因此,空調制冷系統的節能降耗已成為卷煙行業實現《煙草工業企業能源消耗》標準及建筑綠色工業廠房的重要措施之一。卷煙廠生產工藝對室內溫濕度環境有一定的精度要求[ 2 ] ,根據《卷煙廠設計規范》(YC /T9 - 2006)及部分卷煙廠的生產實踐,卷煙廠生產車間的室內設計溫度為[ 22 ℃ (冬) ～25 ℃ (夏) ] ±2℃, 相對濕度為60% (全年) ±5%RH。根據文獻[ 1 ]對我國部分卷煙廠能耗數據統計分析可知,卷煙廠的卷接包、濾棒成型、膨脹煙絲、制絲等車間工藝設備產熱量較大,在我國大部分卷煙廠(華中、華南、華東地區) ,冬季可能存在供冷需求。冷卻塔供冷(又稱免費供冷)是空調制冷系統節能降耗的一種形式[ 325 ] ,適用于過渡季或冬季,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場合。當室外空氣濕球溫度低于某值時,關閉冷水機組,以冷卻塔的循環冷卻水直接或間接地向空調末端系統供冷,可以減少高能耗的冷水機組運行時間,節能效果顯著。目前卷煙廠空調系統在冬季、過渡季節運行的節能研究主要是最大限度地使用新風冷源、風機變頻控制以及合理使用冷霧加濕[ 627 ] 。本文以浙江中煙工業有限責任公司杭州制造部“十一五”易地技術改造項目為例,說明在現有冷凍站系統上如何配置冷卻塔供冷系統,并對冷卻塔在過渡季、冬季供冷運行模式下的熱工性能及節能效果進行計算分析。卷煙廠生產車間冷卻塔冬季供冷節能技術研究
1 杭州市室外氣象條件分析
根據文獻[ 8 ]提供的杭州市標準年氣象參數數據庫,杭州市標準年室外空氣濕球溫度的全年變化趨勢和各級濕球溫度發生頻數見圖1、圖2。假設卷煙廠車間冬季送風溫度為18 ℃,根據空調末端系統表冷盤管的熱換特性, 18 ℃送風溫度對應的冷凍水供水溫度在13 ℃左右。因此,對于卷煙廠生產車間的冬季供冷需求,冷凍站提供13 ℃左右的冷水是可以滿足要求的。一般情況下,額定工況下冷卻塔的出水溫度比空氣濕球溫度高2～3 ℃[ 5 ] 。本文以室外空氣濕球溫度10 ℃作為分界線,對冷卻塔的供冷時機進行分析,以保證冷卻水經板式換熱器后間接地為空調末端系統提供13℃的冷水。
當室外空氣濕球溫度低于或等于10 ℃時,啟動冷 
卻塔供冷運行模式; 當室外空氣濕球溫度高于10 ℃
時,由冷水機組供冷。由圖1可見,杭州市在1, 2, 3,
12月份以及11月份的部分時間適合冷卻塔供冷運行
模式;由圖2可見,杭州市全年室外濕球溫度小于10
℃的時間達3079 h ( 128. 3 d) ; 由表1 可見,杭州市
2003～2006年室外空氣濕球溫度月平均值與杭州市
標準年氣象數據分析基本一致。
2 制冷站及冷卻塔冬季供冷系統設計
浙江中煙工業有限公司杭州制造部“十一五”易地技術改造項目,由聯合工房、綜合辦公樓、動力中心站房、綜合庫等組成。其中制,冷站位于動力中心站房內,為聯合工房各生產車間工藝性空調末端系統集中提供冷源。制冷站設有6臺離心式冷水機組,單臺制冷能力5274 kW,配有冷凍水泵和冷卻水循環水泵各6臺,在動力中心屋頂設有6座冷卻塔及其冷卻水系統。根據以往的運行經驗數據,冬季卷煙生產車間的空調冷負荷約為制冷站總裝機制冷能力的15% ～30%左右,因此,可配置2臺板式熱交換器及旁通管路系統,用于冷卻塔冬季供冷運行模式,每臺板式熱交換器的設計換熱能力等于單臺冷機的制冷能力( 5274 kW) ,單臺板式熱交換器及旁通管路供冷系統見圖3。每臺板式熱交換器一、二次側的設計溫差為1. 0～1. 5 ℃,一次側(冷凍水)流量為1 000 m3 /h,二次側(冷卻水)流量為1 250 m3 /h。冷卻塔冬季供冷運行工況的冷卻水設計出水溫度為12 ℃,板式換熱器二次側至空調末端系統的設計供水溫度為13 ℃。系統進入冬季運行工況時,當控制系統判斷室外空氣濕球溫度小于或等于10 ℃時,由常規的冷水機組供冷模式切換到冷卻塔供冷模式,并開啟和關閉對應
管路上的季節轉換電動蝶閥。兩種供冷模式切換后,冷凍站系統中的水泵、冷卻塔等設備仍照常運行。
3 冷卻塔在冬季供冷工況時的熱工性能
冷卻塔一般按夏季工況為冷水機組散熱進行設備選型,夏季工況下冷卻水進出水設計溫度分別為37 ℃和32 ℃,杭州市夏季空調設計干球溫度為35. 7 ℃,濕球溫度為28. 5 ℃。當冷卻塔用于冬季供冷時,其出水溫度按上述分析為12 ℃,冬季冷卻塔供冷運行模式下仍利用現有的冷卻塔和冷凍水泵設備,因此冷卻水流量和冷卻塔風量保持不變。以下對冷卻塔在冬季供冷工況下的熱工性能和板式換熱器的選型進行計算分析。假定板式換熱器與冷水機組采用一對一并聯旁通形式連接,板式換熱器一、二次側單位時間的換熱量等于冷水機組的額定制冷能力(5274 kW) ,以取代冬季供冷模式下冷水機組的運行。冷卻塔運行時,水和空氣在冷卻塔內部進行熱量交換,并滿足以下能量平衡式:QW =LW ×CW ×( tw1 - tw2 ) (1)QA =G ×( i2 - i1 ) (2)QW =QA (3)式中: QW ———循環水在冷卻塔中的每秒換熱量( kW ) ;0A ———空氣在冷卻塔中的每秒換熱量( kW) ; LW ———冷卻塔循環水流量( kg/ s) ; CW ———水的定壓比熱( 4. 186 kJ /kg·℃) ;w1 , tw2 ———冷卻塔循環水進出水溫度( ℃) ; G———冷卻塔通風量( kg/ s) ; i2 , i1 ———冷卻塔空氣進出口焓值( kJ /kg干空氣) 。冷卻塔的水- 空氣熱交換能力按夏季工況進行設計選型。假定額定工況下冷水機組的COP值為5. 6,若維持相同的制冷能力,可以計算出夏季額定工況下冷卻塔帶走的熱量(QW 或QA )是冬季供冷模式下帶走熱量(Q’W或Q’A)的1. 18倍。圖4是冷卻塔在夏季工況和冬季供冷工況下水- 空氣熱交換的焓濕圖,其中A→B表示夏季工況下空氣通過冷卻塔時熱濕處理過程, C→D表示夏季工況下循環水溫的變化過程,A’→B’表示冬季供冷工況下空氣通過冷卻塔時熱濕處理過程, C’→D’表示冬季供冷工況下循環水溫的變化過程。
上述分析時假定空氣經過冷卻塔的出風達到最佳
熱交換下的狀態點,即相對濕度為90% ,出風干球溫
度為冷卻水的進水溫度,以此判斷冷卻塔是否能滿足
冬季供冷工況下的熱交換能力。圖4所示焓濕圖中的
冬季冷卻塔進風參數采用杭州地區3月份的月平均干
球溫度(10. 8 ℃)和月平均濕球溫度(8. 0 ℃) ,其他月
份冷卻塔的進風參數見表2。根據公式( 1) 、( 2) ,可
計算出冬季供冷工況時各月份冷卻塔最大可能的換熱
能力QAm ax (冷卻塔最大出力能力) ,見表2。
由表2可見,冬季供冷運行模式下,冷卻塔的出力
能力明顯低于夏季工況下的出力能力,并且單臺冷卻
塔不能滿足換熱量的需求(Q’A
m ax ) ,其原因在
于冬季工況下空氣流經冷卻塔的焓差明顯小于夏季工
況的焓差。因此,利用冷卻塔進行冬季供冷時,在與單
臺冷水機組輸出相同供冷量的情況下,應開啟多臺冷
卻塔運行才能達到同樣的供冷效果。為此,在進行制
冷站的冷卻水管路系統設計時,多臺冷卻塔及冷卻水
泵之間應并聯設計,以保證冷卻塔冬季供冷運行工況
時充分利用冷卻塔的資源。
4 節能效果
根據上述分析可知,冬季冷卻塔供冷運行工況下,
為保證單臺板式換熱器的換熱能力達到一臺冷水機組
的制冷能力水平,應開啟2臺冷卻塔和2臺冷卻水循
環泵同時運行。
假定冷水機組額定工況下的COP值為5. 6,冷水
機組在冬季工況時采用變水溫節能運行模式,供水溫度為13 ℃,與額定工況(供水溫度7 ℃)相比,每提高1 ℃壓縮機節能3. 5%;所有設備的運行軸功率按裝機功率的90%計算; 杭州地區冬季冷卻塔供冷時間為128. 3 d,每天運行18 h,工業用電成本按0. 8元/kWh計算。冬季冷水機組變水溫運行模式與冷卻塔供冷運行模式的能耗對比見表3。由表3可見,杭州制造部冬季采用冷卻塔供冷模式,節能效果可提高60%以上,其中節能預測是按冬季開1臺冷水機組計算的,根據以往運行經驗,冬季應開2臺冷水機組才能滿足生產車間需求。因此,冬季
采用冷卻塔供冷模式, 每年可節約用電2. 59 ×106kWh,約207萬元。整個制冷系統增加了2臺高效板式熱交換器、季節轉換閥件、旁通管路等,投資160萬元, 1年內即可收回投資成本。由于在冬季工況下冷卻塔的換熱能力小于夏季工況,因此,在設計制冷站系統時,建議多臺冷卻塔、冷卻水泵及對應的管路系統應采用并聯形式,以便在冷卻塔供冷時期充分利用所有冷卻塔的資源,獲取冷卻塔冬季供冷的最佳效果。
