２０１６年第３期（总第４４卷第３０１期） ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７３—７２３７．２０１６．０３．０３１ 建筑节能 ■工业建筑节能与减排 基于纺织空调风系统运行能耗的优化分析水 曹双华， 王双亮， 孟伟 ２０００９３） （上海理工大学环境与建筑学院，上海摘要： 针对纺织空调风系统，从运行能耗最优化角度出发，建立主要耗能设备的能耗优化模型。结合实 际某细纱车间冷负荷数据、室外气候条件及耗能设备配置，运用ＭＡＴＬＡＢ软件进行优化求解。 旨在获得某一工况条件下风系统最小运行能耗及相应的风量、水量参数，为节能提供指导作用。 关键词： 纺织空调；风系统；优化模型 中图分类号：ＴＵ８３１ 文献标志码： Ａ 文章编号： １６７３—７２３７（２０１６）０３．０１２９．０４ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ＣＡＯ Ｓｈｕａｎｇ－ｈｕａ，ＷＡＮＧ Ｓｈｕａｎｇ－ｌｉａｎｇ，ＭＥＮＧ Ｗｅｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｅｘｔｉｌｅ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｉｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｉｎ ｅｎｅｒｙ ｃｏｎｓｕｍｉｇｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｅｎｅｒｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｇｉｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ． Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｗｏｒｋｓｈｏｐ’Ｓ ｃｏｏｌｉｎｇ ｌｏａｄ，ｏｕｔｄｏｏｒ ｃｌｉｍａｔｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎｅｒｙ ｃｏｎ－ ｇｓｕｍｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃｏｎｉｆｇｕｒｔｉａｏｎ，ＭＡ ＴＬＡＢ ｓｏｉｗａｒｆｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ａｉｒ ｓｙｓｔｅｍ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｗｉｎｄ，ｗａｔｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ｃｅｒｔｉａｎ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｃｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｘｔｉｌｅ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ；ａｉｒ ｓｙｓｔｅｍ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ Ｏ 引言 最小运行能耗，最大限度挖掘空调系统节能潜力。 纺织业是一个高能耗产业，高能耗带来的高成本 严重削弱了纺织企业的竞争力。空气调节及除尘系统 １ 系统形式 本文研究的对象是某细纱车间空调风系统，如图１ 所示。室外新风经过过滤处理后，与车间回风一次混 合后，经过喷淋室喷水处理，然后再与回风进行二次 作为纺织厂必不可少的系统之一，据统计，其耗电量 占企业总耗电量的３０％左右【ｌ１。如何最大限度地降低 纺织空调运行能耗成为广大学者及工程师广泛研究的 课题。近年来，企业间从合理确定车间温湿度基数 、 更改空调负荷计算方法Ｉ ５】、合理利用回风［６］、合理组织 气流组织 、为风机及水泵加装变频器［８］、使用自动控 混合，送人车间。根据车间温湿度设定值、车间负荷 以及室外条件不同，调节新风量、喷淋水温、喷淋水 量、送回风量以及回风再用量，使车间温湿度达到设定 值。车间回风有２个来源，其一是细纱机车尾排风，此 部分风量为定值，风机定频运转；另一部分则是车间地 沟回风，此部分风量根据送风量变化进行变频调节。 对于同一室内外条件及车间负荷，可以通过多种 调节方法，使室内温湿度达到设定值，但不同的调节 方法引起的风机及水泵运行能耗各不相同。如何确定 制系统代替人工调节［９１、使用新型节能设备［ Ｏｌ等方面 人手，对纺织空调系统进行节能改造并取得了不错的 节能效果。由于纺织空调风系统主要耗能设备是风机 及水泵，本文从纺织空调风系统运行能耗最小化角度出 发，通过数学机理分析，以室内温湿度设定值、室内负荷 以及室外参数指标为变量建立了能耗优化模型，探讨了 在满足室内温湿度要求及卫生要求环境下，空调风系统 收稿日期：２０１５—０８．１１；修回日期：２０１５—０９．０９ 最佳的风量、喷淋水量值，使风机及水泵总运行能耗 最低，是本文的关键点。 ２优化模型 ＋基金项目：沪江基金资助项目ｆＤ１４００３） 为了能够计算某一条件下，空调风系统运行能耗 曹双华，等：基于纺织空调风系统运行能耗的优化分析 新风 排风 排风 图１ 细纱车间空调风系统示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆＳｐｉｎｎｉｎｇ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ 最优值，有必要建立风系统总的运行能耗目标函数。本 文建立了以新风量、回风量、排风量、喷淋水温等参数 为优化变量，风系统运行能耗为目标函数的优化模型。 ２．１ 泵与风机能耗模型 为简化计算及分析，泵与风机能耗按相似率计算。 根据风机相似率，有： Ｑ０： （１） ＝二 （２） Ｎ＿ （３） ７７０＝＝叼 （４） 式中：ｎ为转速比，即风机当前转速与额定转速比值； ｐ。为风机额定流量，ｍ３／ｓ； Ｐ０为风机额定压头，Ｐａ； 为风机额定运行状态下效率； ｐ为风机当前转速下流量，ｍ３／ｓ； Ｐ为风机当前转速下压头，Ｐａ； ７７为风机当前转速运行状态下效率。 对于送风机而言，送风量Ｇ 计算公式如下： Ｇ ：旦 ｔｎ－－ｔ。 （５） 。 Ｇ（６） １ ＋Ｇ２＋Ｇ Ｇ Ｇ ， “一“ 一 Ｇ Ｇ （７） Ｇ Ｇ Ｇｌ＋Ｇ２ （８） 式中：Ｑｆ为车间负荷，ｋＷ； Ｇ ，Ｇ：，Ｇ ，Ｇ 分别是一次回风、二次回风、新风和 送风量，ｋｇ／ｓ； Ｇ ，Ｇ 分别是车尾排风再用量和车间回风再用 量，ｋｇ／ｓ； ｔ’，ｏ ， 分别为车间焓值、送风状态点焓值、车 尾排风焓值和车间回风焓值，ｋＪ／ｋｇ； 为车尾排风再用风量及车间地沟回风再用风 混合后焓值，ｋＪ／ｋｇ。 对于细纱车尾排风机而言，其风量为定值，记为 Ｇ 。对于地沟回风机而言，其风量Ｇ 计算如下： Ｇ尸Ｇ 一Ｇｍ＿ （９） Ｇ ＝Ｏ．０３Ｇ （１０） 式中：Ｇ ，Ｇ 分别为车间地沟回风量和车间正压排风 量，ｋｇ／ｓ。 ２．２喷淋室热工模型 为了计算喷淋水泵能耗，需要计算喷淋水量。对 于一定空气处理过程和喷水室结构参数，全热交换效 率叼和通用热交换效率叼 根据经验总结，可得到如下 拟合关系式［１２］： ７７＝１一 · · （１１） ｓ１－ｔ １ 叼，＿１一 二 ·秽 ｘｎ （１２） ｔｌ－ｔｓｌ 式中：ｔ ，ｔ：分别为经喷淋室处理前、后空气干球温 度，℃； ｔ ｔ 分别为经喷淋室处理前、后空气湿球温 度，℃； ｆ ｔ以分别为喷淋水初、终温，℃； 为经过喷淋室空气质量流速，ｋｇ／（ｍ２·ｓ）； 为水汽比，喷淋水量与喷淋处理空气量的比 值，ｋｇ／ｋｇ； ４，Ａ ，ｍ，ｍ ， ， 为系数，根据喷淋室结构查表 或实测数据通过回归方法得到。 同时，根据空气放出（或吸收）的热量应等于该喷 水室中水吸收（或放出）的热量可得： １一 ２ ’ｃ（ －ｔ １） （１３） 式中：ｉｌ，ｉ 分别为经喷淋室处理前、后空气焓值，ｋＪ／ｋｇ； Ｃ为水的比热，取４．１９ ｋＪ／（ｋｇ·Ｋ）。 根据式（１１）～（１３），即可根据喷淋室处理空气的 初、终状态以及空气流速，求得喷淋水量及喷淋水温。 ２．３ 建立能耗优化模型 对于图１所示的空调风系统运行能耗最优化，就是 在满足车间内卫生条件以及相应温湿度条件下，保证系 统稳定运行，减少动力消耗，尽可能地节能。综合考虑风 机、水泵、喷淋室热工模型，建立能耗目标函数如下： ｍｉｎ（∑ ∑ 唧） ｉｎ（∑ｉ＝１ （ｘ ￣ｉＯ）＂ ） ｉ＝１，２，…， （１４） 式中： 为第ｉ台风机（水泵）额定功率，ｋＷ； 为第ｉ台风机（水泵）额定流量，１１１ ／ｓ； 曹双华，等：基于纺织空调风系统运行能耗的优化分析 为第ｉ台风机（水泵）实际流量，ｍ３／ｓ。 为了保证空调风系统正常运行，需要对一些优化 变量值进行约束。约束条件：ｆ１）限定所有变量在其可 以调节范围内；（２）满足风量平衡；（３）满足能量守恒。 基于以上分析，关于风系统运行能耗优化问题归 结为求解上述带有约束条件的非线性规划问题，优化 变量为新风量、一次回风量、二次回风量、喷淋水温、 喷淋水量、车间地沟回风量以及回风再用量大小。为 了求解优化变量值，本文利用ＳＱＰ算法… 具有超线性 收敛的同时，还具有一定的全局收敛性的特点，对所 建优化模型进行求解。ＳＱＰ算法计算流程图如图２ 所示，对于函数 ），若存在ｄ∈Ｒ 且ｄ≠０， ０，使 得． ０＋ ０），ＶＯｔ∈（０， ，则称ｄ为函数 ）在点 。处的下降方向。这里利用ｗｏｌｆｑ￣精确方法获得搜 索步长 ，使得函数满足ｆ（ｘ ＋ｏｒ ｄｋ）≤ ）。非精确搜索 方法对于解非线性优化问题具有效率高、节省计算量 的特点。当搜索优化得到相邻２个极值点之间距离充 分时，即 ｌｊ勺时，可以认为优化达到最优点。 图２ ＳＱＰ算法流程图 Ｆｉｇ．２ Ｆｌｏｗ—ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆＳＱＰ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ３优化计算分析 以枣庄某细纱车间为例，该车间空调面积３ ０９０ ｍ ， 温度设定值为２８℃，相对湿度设定值为６０％。车间细 纱短车６４台，装机功率１５ ｋＷ，每台设备车尾排风量 为３ ９６０ ｍ３／ｈ，照明负荷为１５ Ｗ／ｍ 。根据２０１５年７￣Ｊ 某日室外温湿度参数，如表１所示，计算得车间冷负 荷如表２所示。 车间空调系统配置如下：送风机４台，每台额定 风量９５ ０００ ｍ ／１１，额定功率为２２ ｋＷ；细纱车尾排风机 ２台，每台额定风量１２６ ７２０ ｍ３／ｈ，额定功率为３７ ｋｗ； 表１室外温湿度参数 Ｔａｂｌｅ １ Ｏｕｔｄｏｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 车间冷负荷／ｋＷ 车间地沟回风机１台，额定风量１１５ １６０ ｍ３／ｈ，额定功 率为３０ ｋＷ；喷淋水泵２台，每台额定水量１８０ ｍ３／ｈ， 额定功率为２２ ｋＷ；冷冻水供水温度为８℃。风机 和水泵通过调节工作频率来调节风量及水量。为保证 喷淋室喷淋雾化效果，喷淋水泵运行频率调节区间为 『３５ Ｈｚ，５０ Ｈｚ］。车间回风机最小运行风量为额定风量 ２０％。为了满足室内工作人员新风需求，最小新风比为 ３％。细纱车尾排风温升取５℃，地沟回风温升取２℃。通 过 飘林宝至结构，查得ｒ／＝０．７４５· ０· 嘶，叼 ＝０．７５５·ｖｏ ＂／ｚ ， 喷淋室终状态点饱和度取９５％。 通过ＭＡＴＬＡＢ软件，对该车间空调风系统运行能 耗进行优化运算，结果如表３所示。 表３优化计算结果 Ｔａｂｌｅ ３ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ 目前，大多数纺织空调系统在调节车间温湿度过 程中，遵循以下几个原则： ｆ１）只要室外空气参数适宜，则充分利用新风；若 车间回风或机器排风焓值低于空气焓值，在满足洁净 度的条件下，则充分利用回风或机器排风。 （２）在调节车间湿度过程中，若车间相对湿度偏 ｌ １３１ 曹双华，等：基于纺织空调风系统运行能耗的优化分析 低，优先加大喷淋风阀开度；若车间相对湿度仍偏低， 风系统运行能耗。 （３）相对于传统调节方式，根据优化模型计算所得 参数更有助于节能。 ４结论 则加大喷淋水量；若仍不满足条件，则加大送风量。 （３）对于采用二次回风的空调系统，若送风量处于 最小值时，车间温度偏低，相对湿度偏大，可以采用利 用二次回风提高送风状态点焓值。 根据以上原则，计算得到空调风系统运行能耗如 表４所示。 表４传统调节方式能耗 Ｔａｂｌｅ ４ Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ 该能耗优化模型仅考虑细纱车间空调风系统运行 能耗，没有将冷源能耗及冷水输送能耗纳入考虑范围。 从纺织空调风系统运行能耗最小化角度出发，针对特 定的耗能设备配置建立能耗优化模型，优化结果为以 后工程人员进行控制策略改进提供一个参考作用。 能耗模型优化结果是针对某一温湿度设定值及 特定的设备选型条件下得到的，对于不同的室内温湿 度设定值以及不同的设备配置条件，也可以采用同样 的优化方法，本文只是提供了一个优化方向。 参考文献： ［１］－Ｅ继征．把纺织空调的能耗降下来［Ｎ］．中国纺织报，２００９．０５—０６（００６）． ［２］周沫．浅析纺织厂空调节能途径［Ｊ］．广西纺织科技，２０１０，（２）：７２．７３． ［３］李刚，王迎辉，赵红旗，等助织厂空调节能探析［Ｊ］．低温与超导，２００９， （１０）：６５－７２． ［４］王小垅纺织厂空调节能分析及措施叨广西纺织科技．２０１０，（１）：６７．６８． （５］黄翔．纺织空调除尘技术手册［Ｍ］ Ｅ京：中国纺织出版社，２００３． ［６］孙春芳．纺织空调节能降耗探讨［Ｊ］．上海纺织科技，２０１ １，（４）：６Ｏ一６ １． ［７】杜柳柳，沈恒根，娄可宾，等．浅谈纺织厂空调的节能措施与应用［ｃ］／／ ２０１ ｌ全国棉纺织企业节电技术研讨会论文集，２０１ １：７７．８ １． ［８］李凌松．纺纱厂空调系统解决方案及节能情况分析［Ｃ］／／２００９全国纺 织空调除尘新技术及应用研讨会论文集，２００９：１９２—１９６． ［９］彭传新，赵慧娟，王爱萍．ＰＬＣ和变频器在纺织空调系统中的应用［Ｊ］． 棉纺织技术，２００９，（４）：６Ｏ一６２． 通过表３及表４计算结果可以看出： （１）在当前温湿度设定值及车间负荷条件下，在保 证送风机最小风量运行时，可以通过利用二次回风，调 节送风状态点，达到节能的目的； ［１Ｏ］赵阳，颜苏芊，孙晓冬．纺织企业空调系统节能技术措施［Ｊ］．棉纺织技 术，２０１４，（７）：７５—７８． ［１ １］张奇 ｝线性约束条件下ＳＱＰ算法的研究［Ｄ］．青岛：青岛大学，２００８． ［１２］周义德．纺织空调除尘节能技术［Ｍ］ Ｅ京：中国纺织出版社，２００９． 作者简介：王双亮（１９９２），男，安徽人，硕士研究生，主要研究建筑设 备集成系统运行控制及建筑节能等（ａｑ１２３４．ｈａｐｐｙ＠１６３．ｃｏｍ）。 （２）合理利用车间回风和机器车尾排风，能够减少 （上接第１２５页）过程中轻拿轻放，防止碎裂。当尺寸不 符时，应将砌块拉回加工场地，用专用机械切割，不得 用瓦刀或榔头在现场敲击砌块。 （２）加工场地应有防止扬尘和切割机械噪音的措 施。加工切割的ＡＡＣ废料应及时拉回工厂，回收利用。 每天可砌筑２０ ｍ 。在砌筑之前采用ＢＩＭ技术，将所 有墙体排版编码，现场砌筑时有的放矢，提高了施工 进度和精度，减少了错误、浪费和建筑垃圾。 （３）杭州市西湖区杭政储出【２００９】５３号地块的排 屋和商铺外墙采用本工法的ＡＡＣ砌块砌筑，其节能测 试、防渗漏、空鼓、开裂和加载等较以往ＡＡＣ砌体建 筑有明显改善。 参考文献： ８效益和实例 （１）ＡＡＣ砌块单位面积墙体质量约９ｌ ，小于加 气混凝土砌块、空心砖、ＧＲＣ条板等，单位面积墙体 造价较低，轻质高强，经济实惠，同时，减轻建筑重量， 降低基础和结构处理费用。在防水措施得到有效保证 的情况下，本工法ＡＡＣ墙体荷载利用系数能达到９０％ ［１】浙江省标准设计站．２０１０浙Ｇ３３，蒸压砂加气混凝土（ＡＡｃ）板构造详 图［ｓ］．浙江：中国计划出版社． 【２】浙江省标准设计站．２０１０浙Ｇ３４，蒸压砂加气混．凝土（ＡＡｃ）砌块构造 详图［ｓ］．浙江：中国计划出版社． 以上，而粘土砖仅为３０％。ＡＡＣ自由加载墙与普通页 岩砖墙一样能自由加载，而且表面网膜防水措施得当， 能满足冻融收缩要求。 （２）ＡＡＣ砌块定尺精确，安装轻便，一名熟练工人 １３２ １ 作者简介： 陆建辉（１９６９），男，江苏启东人，本科毕业于同济大学工民 建专业，后就读于香港理工大学并获得国际房地产硕士学位，高级工 程师，研究方向：施工技术、项目管理、建筑经济（ｊｅｉｓｏｎｌｕ＠１２６．ｃｏｒｎ）。