工业建筑暖通系统节能路径探究

引言

“十四五”规划提出的我国单位GDP能耗降低13.5%体现了新时代我国对节能减排工作的重视。根据国家统计局历年数据，我国工业能源消费占全国一次能源消费的比例超过60%。 工业领域提高能源利用效率、降低能源消耗对降低我国能源消耗和保障能源安全具有重要的战略意义 ，同时也是建设资源节约型、环境友好型社会的必要保障。

随着我国经济的迅速发展，卷烟企业生产规模得到快速扩大，产品档次和质量也有了明显提高。与此同时，部分企业的厂房建筑规模也有所扩大。某易地技改的卷烟企业技改后的产能规模较技改前提高了15.94%，厂区占地面积和联合工房建筑面积均增加了2倍以上，联合工房的建筑空间体积增加了近7倍，且技改后的联合工房内的制丝车间和卷包车间等主要生产区域的温湿度控制标准有所提高，其中，夏季室内温度控制标准降低1℃，冬季室内温度控制标准提高1℃。除此之外，车间的粉尘浓度控制标准、车间照度标准也都有不同程度的降低或提高。总体来看，技改后卷烟企业在产能、建筑规模及生产装备水平等方面均有了较大提升，生产环境保障要求也有了明显提高，这些因素都对卷烟企业的能耗总量和能耗强度带来了较大影响。

卷烟企业的综合能耗主要由工艺设备能耗和生产车间的建筑能耗构成， 其中建筑能耗占比约为40%~55%，包括空调系统制冷能耗、空调系统供暖加湿能耗、通风和空调系统风机能耗、照明系统能耗、水泵及附属设备能耗和冷却设备（冷却塔等）能耗等。 因此，针对卷烟企业的建筑能耗开展节能研究对降低企业能耗强度具有重要意义。

传统工业建筑节能技术方案的制定主要依靠设计人员的工程经验，缺少综合节能目标的指引和量化数据的支撑，导致实际的运行节能效果往往并不十分理想。 本文将工程经验与计算机模拟手段相结合，采用“目标确定—措施分析—方案制定—工程实施—运行验证”的方法来制定、落实工业建筑节能方案，并以某卷烟企业为例进行详细阐述，以期为行业内其他企业的节能工作提供一定参考。

卷烟企业建筑节能研究思路

卷烟企业的建筑节能工作思路如下：

1）综合项目所在地气候特点、建设规模、工艺需求、设备布局、生产班制，同时结合行业绿色发展要求，科学合理地确定建筑节能目标。

2）根据建筑节能相关设计标准中的限值要求，采用能耗模拟软件建立项目建筑能耗基准模型，计算基准模型能耗（即不采取任何节能措施情况下的建筑能耗），分析工业建筑能耗构成及特点，确定节能潜力较大的用能系统，为节能技术措施的初步选择提供方向性指导。

3）结合工程经验，初步选择项目拟采用的各项节能技术措施，并开展各项节能技术措施的敏感性分析，即将初步拟定的节能技术措施分别单独应用于基准模型，并计算各项节能措施的节能率。

4）以节能目标为控制指标，结合工程经验，综合考虑节能效果、投资强度及运维复杂程度等多种因素，确定项目的建筑节能技术方案，并予以落实。

5）当技改项目建设完成并投产运行后，收集、分析各用能系统的实际运行数据，验证节能方案的实际节能效果。

卷烟企业建筑节能技术路径如图1所示。

卷烟企业建筑节能策略研究方法

为了量化分析节能技术措施对建筑能耗的影响，需要采用能耗模拟分析方法进行计算。由于建筑环境变化是众多因素所决定的一个复杂过程，因此只有采用计算机模拟计算的方法才能对全年8760h进行逐时动态能耗模拟， 计算室内温湿度随时间的变化、供暖空调系统的逐时能耗及建筑物全年环境控制所需的能耗。

目前各国尚在应用的能耗模拟分析软件非常多，国内较为主流的建筑能耗模拟软件为DeST、eQUEST、EnergyPlus和DesignBuilder。其中eQUEST因其计算误差小、操作页面友好等原因，在建筑能耗模拟计算领域被广泛应用。例如，柴国琳等人利用eQUEST能耗模拟软件分别对住宅、宾馆、商业3种不同类型的建筑进行了能耗模拟计算，模拟结果与实际情况契合度较高；Dulom利用eQUEST软件对位于南加利福尼亚大学的一座教学楼进行了能耗模拟计算，结果表明模拟数据与该建筑的实际运行数据相近。烟草行业部分技改项目建设过程中的能耗模拟计算也采用eQUEST软件，李莹等人采用eQUEST能耗模拟软件对联合工房的能耗进行了计算，分析了不同节能措施的节能效果；徐建燎等人利用eQUEST软件对某卷烟厂房建筑能耗进行了模拟计算，分析了不同生产班制下的节能效果。因此，本文也采用eQUEST软件对卷烟企业的建筑能耗进行模拟计算。

案例分析

以某卷烟厂三星级绿色工房技改项目为例。在项目立项阶段，综合考虑项目所在地的气候特点、建设规模、工艺需求、设备布局、生产班制等实际情况，结合YC/T 396—2011《烟草行业绿色工房评价标准》中三星级绿色工房的要求确定建筑节能目标。该标准针对卷烟企业的联合工房建筑能耗提出了明确的绝对值指标和相对值指标。在设计阶段，在满足节能控制目标的前提下，综合节能效果、投资强度、运维难度等多种因素，利用动态能耗模拟计算方法进行能耗模拟分析，以选择确定适合技改项目生产运行规律的节能方案。 在施工阶段，加强管理，落实设计方案。在运管阶段，利用能源计量数据统计实际建筑节能率，验证项目运行效果。

该项目位于长江流域，当地属于夏热冬冷气候区，于2007年立项申请易地技改，2019年技改完成。技改后设计产量为150万箱/a，工艺布局与生产设备均有较大变化，厂房建筑面积与体积有明显增加（联合工房建筑面积由6.7万m ² 变为19.9万m ² ）。如果不采取适当的节能措施，技改后其单位产量建筑能耗必然大幅度上升。因此立项之初，该企业按照YC/T 396—2011《烟草行业绿色工房评价标准》中三星级绿色工房的要求实施技改建设，该标准关于建筑能耗的要求如下：

1）夏热冬冷地区设计建筑能耗低于参照建筑计算值的81%；

2）设计产量下的建筑能耗以标准煤计（本文余同），夏热冬冷地区不高于1.37kg/万支烟。

该企业联合工房的建筑设计能耗应同时满足以上2个要求。要实现上述要求中的第1）条，建筑能耗设计计算值较参照建筑能耗计算值应降低19.0%，经初步模拟计算，参照建筑能耗计算值为1.72kg/万支烟，则设计建筑能耗计算值应不高于1.39kg/万支烟，无法满足上述要求中的第2）条。考虑到该项目在节能方面的示范引领作用，决定在满足三星级绿色工房节能要求的基础上再降低能耗，将单位产量建筑能耗目标设定为1.25kg/万支烟，则建筑设计能耗计算值较参照建筑能耗计算值（1.72kg/万支烟）应降低27.3%，即建筑节能率应达到27.3%。

确定节能目标之后，应根据项目所在地区的气象数据、工艺条件、建筑参数、各设备系统设计情况、生产班制等具体设计数据，借助eQUEST能耗模拟软件，建立基准建筑模型，利用动态能耗模拟分析方法，计算基准建筑的全年能耗及主要系统的分项能耗和相应比例，以便于从节能潜力较大的分项系统挖掘节能潜力。其中，基准建筑的围护结构参照GB 50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》对工业建筑的相关规定：外窗传热系数为3.5W/(m ² ·K)，遮阳系数为0.6；生产及仓储区域空调系统为一次回风全空气系统，生产辅房为新风加风机盘管系统。设备效率参照GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》中对节能设备的规定：照明功率密度为附录B中规定的现行值；工作制、空调设计参数、内发热量均按照待评项目设计状态数据取值。

建筑能耗中各分项系统能耗占比如表1所示。

由表1可知， 联合工房中通风空调系统风机运行能耗和空调系统供暖加湿能耗占比较大。 空调风机运行能耗较高主要是由于各生产车间空调送风量较大；供暖加湿能耗较大主要是由于车间内部相对湿度要求较高，主要生产区域全年空调加湿时间较长。

另外， 空调制冷能耗也占有较大比例 ，从全年空调制冷能耗的分布特点分析，由于卷烟厂工艺设备发热量很大，部分生产车间需要全年供冷，故过渡季和冬季也需开启冷水机组供冷。

针对以上联合工房能耗计算结果及分布特征，初步拟定科学合理、经济性较好、具有较强的可实施性的节能措施，以便最大限度地减少联合工房的运行能耗，降低运行费用。 通风空调系统风机能耗和空调系统供暖加湿能耗占比最大，意味着其节能潜力最大，应重点采取相应节能措施降低其能耗 ，如控制空调系统新风比、空调系统区域变风量、提高风机效率、提高锅炉热效率、余热加热锅炉补水等。此外，考虑到该企业制丝车间的排潮气体中存在较为丰富的余热资源，该部分余热可用于联合工房冬季空调系统的供暖加湿。对于占比较大的空调系统制冷能耗，可考虑采取提高冷水机组COP、优化冷水机组配置、提高水泵效率等措施。结合当地夏热冬冷地区的气候特点，在冬季厂区冷负荷减小时，可采用冷却塔直接供冷，即通过板式换热器由冷却水直接供冷，此时，制冷机组可不开启，只运行冷水泵、冷却水泵、冷却塔，充分利用室外自然冷源，减少制冷能耗。

针对降低照明系统能耗和空调水泵及附属设备能耗可分别采取降低照明功率密度和水泵变频等主要措施。除此之外，还可以考虑采取部分被动式建筑节能技术措施，如提高围护结构热工性能，设置外遮阳、自然通风等。

结合工程经验和技术成熟度，确定各项节能技术方案的技术参数，如表2所示。

通过eQUEST能耗模拟软件对各项节能技术措施进行节能率敏感性分析，计算结果见表3。

将上述节能措施的节能率进行排序，结果见图2。

由表3可见，采取提高围护结构热工性能、控制空调系统新风比2项节能措施之后，建筑能耗反而有所上升。造成围护结构传热系数越小能耗越大的原因主要是室内工艺设备发热量大且热源集中。空调系统能耗主要用来带走工艺设备的发热量，而围护结构热工性能的提高不利于室内热量向室外散发，增加了空调系统制冷能耗，虽然在冬季一定程度上降低了空调系统供暖能耗，但从综合效果分析，联合工房总能耗值随着围护结构传热系数的降低呈上升趋势。

此外，在过渡季和冬季通过加大新风比、增大室外新风量来带走室内散热，卷接包车间的空调制冷能耗大大降低。但是随着室外新风量的增大，为了满足卷接包车间相对湿度60%±5%的工艺生产要求，空调系统的加湿量也大幅度增加，加湿能耗上升明显。

根据表3的计算结果， 除提高围护结构热工性能和控制空调系统新风比2项节能措施外，其他节能措施均取得了一定的节能效果。 其中，空调区域变风量的节能率最高，使联合工房全年总建筑能耗降低5.77%，节约标准煤744t，对制冷、供暖、加湿、风机能耗都有显著降低的作用。

提高联合工房全空气空调系统中组合式空调机组的送、回风机效率可有效降低空调风系统的能耗 ，联合工房空调系统送、回风机效率提高至60%后，空调风机能耗有效降低，空调制冷能耗也得以降低，联合工房建筑能耗减少约484t标准煤，节能率达到3.75%。

采用空调冷水一级泵变流量系统，并采用水泵变频调节方案后，联合工房空调水泵能耗大大降低 ，空调系统制冷能耗及其他辅助设备能耗也有少许降低。空调冷水泵和空调冷却水泵的效率提高至80%后，空调水泵能耗有效降低，空调水泵能耗减少362t标准煤；另外，空调制冷能耗也略有降低，联合工房建筑能耗降低约2.81%。

采用提高冷水机组COP方案后，全年的空调制冷能耗大大降低，水泵、冷却塔等其他辅助设备能耗也得到有效降低。 将冷水机组COP提高至6.0后，联合工房全年总能耗降低2.35%左右，全年节约标准煤约303t。当冬季开启冷却塔直接供冷系统进行空调制冷后，冷水机组部分时间关闭，联合工房的供冷能耗降低，联合工房全年总能耗下降，全年节约标准煤约141t，总能耗降低1.64%左右。

采用降低照明功率密度的方案后，由照明系统产生的热负荷减少，全年空调供暖能耗稍有增加，但是，全年的照明能耗和空调供冷能耗降低更为明显，从全年总能耗分析，联合工房总能耗降低。联合工房全年总能耗降低4.61%左右，节约标准煤约595t。

从投资强度、运维难度等角度分析，部分措施对于卷烟企业的适用性较差。 比如，自然通风虽然无增量成本，但是自然通风会造成制丝车间内烟草异味逸散到室外，引起周边居民的不适，同时考虑到全年可利用自然通风的时间较短，节能效果不明显，因此最终决定不采用该项节能措施。此外，工艺排风热回收主要是回收制丝工艺排潮气体中的余热，用于联合工房制丝车间、预配贮叶房、贮叶房空调新风的预处理。采用余热回收利用方案后，联合工房全年建筑能耗下降了1.34%，有一定节能效果，但是该技术受到气候与产品因素的影响，技术成熟度较低，实施难度较大，且运行过程中需要专业人员进行运管，并定期对系统设备进行维修保养，运维难度和成本较高，因此综合考虑后，未采用该项节能技术措施。

综合考虑节能效果、投资强度、运维难度等因素后， 最终确定采用空调系统区域变风量、降低照明功率密度、水泵变频、提高水泵效率（80%）、提高风机效率（60%）、提高冷水机组COP、冷却塔直接供冷、优化冷水机组配置、余热加热锅炉补水、设置外遮阳等10项节能技术措施。

利用eQUEST能耗模拟软件在已有的能耗分析模型中加入确定的各项节能技术措施，模拟计算该技改项目的全年建筑能耗和各分项能耗，校核节能目标的落实情况。经过若干次迭代之后，确定各用能系统的计算边界条件。最后，经过归纳整理形成该技改项目的节能技术方案，并作为工程设计的基本依据。

综合应用以上各项节能措施建立联合工房目标建筑能耗计算模型，模拟计算结果表明，联合工房目标建筑综合节能率为27.32%，满足项目确定的27.3%的节能目标，统计结果见表4。

制定节能技术方案之后，在规划设计阶段与设计单位密切配合，确保各项节能技术措施落实到位。在施工图完成后，需要对图纸进行符合性评估，并提出修改意见，确保最终设计满足节能技术方案的要求，达到既定的节能目标。施工过程中，对项目的相关设备及材料采购工作提供建议，并协助项目进行产品甄选，确保采购的设备及材料满足节能要求。设备安装完毕后，监督设备的调试工作，确保设备、系统按照设计要求运行。

对该技改项目正式投产后一个完整年度的运行能耗数据进行收集整理和归类计算，并将技改后的建筑能耗与软件模拟预测值进行对比，结果见表5。

根据实际运行数据归类整理可得，该企业2020全年产量为134万箱卷烟，年度单位产量建筑能耗为1.13kg/万支烟，满足方案阶段制定的单位产量建筑能耗≤1.25kg/万支烟的目标。同时，2020年度单位产量建筑能耗较单位产量参照建筑能耗计算值下降比例达到34.3%，满足方案阶段制定的建筑节能率27.3%的目标。如果2020年的年产量增加至设计规模150万箱，其年度单位产量建筑能耗将进一步下降，因此可以肯定该企业的工业建筑实际节能效果达到设计目标。

结束语

“十一五”以来，烟草行业面临来自国家和行业自身节能减排的双重压力，尤其是技改后建筑规模的扩大，迫切需要通过更加有效的途径来控制卷烟工业企业的能源消耗。 本文提出了一种节能技术路径，即“目标确定—措施分析—方案制定—工程实施—运行验证”。 遵循该路径指导、实施、验证烟草行业工业建筑的节能工作，比传统的主要依靠工程经验的节能工作方法更具科学性，使得项目建设策划阶段节能目标清楚、规划设计阶段实施路径清晰、运行管理阶段节能效果持续优化。因此，上述节能路径在烟草行业内具有一定的推广、借鉴意义。