1. 中央空调系统组成
红烟中央空调系统为一次回风全空气系统，空气经过组合式空调机组集中处理送入生产车间，冷源由制冷系统制备的冷冻水提供，热源来源于蒸汽锅炉供给的蒸汽。
1.1 组合式空调机组
红烟联合工房共配置了29台工艺性组合式空调，其中27台双风机（送风机+回风机）空调保障生产车间恒温恒湿环境，2台单风机（送风机）空调用作制丝、卷包10KV配电间降温。主要功能段由回风机段、排风段、混风段、过滤段、表冷段、加热段、加湿段及送风段组成，以卷包空调KJ-1为例，组合式空调工艺流程如图1所示。

1.2 电控系统及网络配置
红烟新工厂联合工房工艺空调集控系统主要负责对所属区域空调机组设备和系统进行监控，以实现整个联合工房各空调区域的恒温恒湿自动控制、设备运行参数及状态监测、设备启停控制、节能优化运行等功能。主要被控设备包括：联合工房29台工艺性组合式空调机组，设置于联合工房空调机房内，为各车间环境进行温湿度控制，以保证正常的工艺生产条件。
联合工房29台工艺性空调机组控制系统按需配置西门子1500系列PLC控制器及西门子X100系列交换机用于交换本系统内设备数据。29台工艺性空调机组分配在6个空调机房，每台空调机组PLC控制柜配置1台15寸触摸屏， PLC控制主站通过ProfiNet通讯接口与全厂设备自控系统主干环网光纤交换机进行通讯，并将监控数据上传至监控计算机，实现监控、操作该区域内的空调设备。空调电控系统网络结构示意图如图2所示。

2. 单组空气处理器温湿度控制
2.1 生产车间负荷特性分析
烟厂各车间的主要负荷主要由生产设备、照明设备、生产原辅料、工作人员、围护结构及新风所产生。不同生产区域所产生的负荷有所差异，如卷接包车间、制丝车间，设备发热量大，夏季冷负荷的70%～80%主要来源于生产设备和照明，全年供冷时间较长。制丝车间储叶房常年需要保持27～32℃的恒温恒湿环境，全年表现为热负荷，制丝生产工艺产湿量大，经局部排风带走大部分，到生产流程末端，如掺配加香仍存在相对较多的湿负荷。联合工房其他区域大多是冷、热负荷共存，湿负荷主要来源于工作人员，湿负荷较小。
2.2 中央空调运行现状
卷烟工厂全年生产时间长、倒班制等特点。生产区域需要长时间保障恒温恒湿环境以确保生产环境满足生产工艺要求，这就导致中央空调系统及其相关的辅联设备全年运行时间长，功耗大的问题。中央空调运行过程中出现冷热抵消的对立工况。空气经表冷器降温除湿后，温度降到露点温度，然后经过蒸汽在加热或加湿后送入车间，先降温再加热，先除湿再加湿过程造成冷热抵消，能源浪费大。本地气候特点。生产车间冷负荷时间长，导致制冷系统运行时间长。由于空调制冷设备的容量是按夏季最大负荷选定的，全年冷负荷变化幅度大，制冷系统不能随负荷变化进行调节，导致制冷系统运行效率低。
2.3 单台组合式空调控制策略
通过监测空调机组对应车间区域实时加权平均工艺温湿度参数，对每个工况区域内制订出一个最合理、最节能的温湿度控制模型，自动调节各区温湿度控制回路。再通过嵌入当地室外气象参数数据库前馈控制，采用PID自适应控制、分程调节、送风温湿度串级调节等多种技术，保证全年各时刻的车间温湿度控制精度。相关调控原理如下：
2.3.1 PID自适应调节
空气处理器的作用是用来调节车间温湿度，当调节对象受外界干扰（房间的热湿负荷变化）时传感器检测数值传入控制器与设定值进行比较运算，发出控制指令控制执行机构调节水、汽阀及风阀开度，调节送风参数，达到控制房间温湿度稳定的目的，其控制原理如图3所示：

2.3.2 分程调节
空调系统属于大滞后系统，同时被控参数（车间温度、相对湿度）又存在相互关联的问题，温度的变化影响到相对湿度的变化。为确保对车间温湿度的均衡控制并实现节能运行，红烟新工厂将车间工艺空调和制冷系统作为一个有机整体来通盘考虑控制和节能问题。因此，红烟新工厂中央空调系统在控制层面不仅使用了常规的PID自适应控制，同时还在反馈调节的输出基础上引入了分程调节，最大限度避免了同一个控制参数的两个被控对象同时动作而产生对立工况。温度分程调节原理如图4所示：

2.3.3 串级调节
红烟生产车间面积大，工艺设备车热量大，车间温湿度在水平和垂直方向上均存在不均匀性，仅参考单一空气处理器的回风温湿度并不能完全代表车间内部温湿度参数。因此红烟异地技改时在车间的空调作用区同时布置多个室内温湿度传感器。然而，在空气处理器自控系统调节过程中，从执行机构（如表冷、加热、加湿阀）的动作发生变化到车间温湿度传感器感应出来，存在较大的滞后时间（约5～10分钟）。为防止因滞后时间导致的温湿度超调现象，避免空调送风中“飘风水”现象发生，在空调的温湿度调控环节采用了送风温湿度参数为中间变量进行串级控制，控制原理如图5（以相对湿度控制回路为例）：

3. 多台组合式空调机组联合调控一个大空间温湿度
相对老厂区来说，红烟新工厂占地面积更大，空调作用区域更广，仅卷包车间软、硬包区域的空调作用面积便达到8100m2和11340m2。对于卷包车间及储丝房等大空间区域，同时布置多台组合式空调机组联合调控已成为必然。
从设备布局方面来看，卷包车间10台工艺空调送风相互独立，各负责一片区域，相互间没有联通，也就是说多台空调机组的送风、回风系统彼此独立。当室内负荷变化时，采用定风量运行，一方面浪费风机电耗，另一方面空调机组在除湿季节会出现再热现象，造成冷热量抵消，浪费能源。为消除定风量运行的不足，我们在易地技改中采用采用变风量运行，就是风机采用变频调速控制，根据车间热负荷变化，改变风机转速和风量，确保每台空调都以同样的风速送风，车间内温湿度不会出现太大波动。
3.1  定风量、变风量运行能耗对比
联合工房工艺组合式空调机组名称、数量及风机总功率如表1所示：

3.1.1  定风量运行成本计算
上述29台工艺性空调机组送回风机总装机功率为3260kW，若按80%考虑轴功率，则送回风机轴功率总计：2608kW。假定全年工作日为280天，每天按三班制计算，工作时间为16小时，每KWH（度）电费按0.65元计算。则联合工房29台工艺性组合式空调机组的风机全年定风量运行电费约为：
M=280×16×2608×0.65=759.4万元
即29台工艺性组合式空调机组风机的一年定风量运行电费为759.4万元人民币。
3.1.2  变风量运行成本计算
风机转速（n）改变时，风机风量（L）和功率（N）有如下变化关系：

式中：n为风机转速；L为风机风量；P为风机压头
根据上述风机性能公式，当风机风量减少到原设计额定风量75%时，卷包车间10台空调同时变频调节，功率消耗减少到原设计功率42.2%。
异地技改中卷包车间10台工艺性变频组合式空调箱风机轴功率总计：1270 kw，当空调系统送风量减少到额定风量75%时，空调风机变频功率为：
W=1270×42.2%=535.9kw
同样将空调送风风量减少到额定风量的75%，采用减少风机台数的方式，空调风机功率为：w=1270×75%=952.5kw
3.1.3 小结
采用两种不同的方式同样将空调送风量较少到额定风量的75%，采用变频调节方式比增减机方式的功率减少为：416.6KW（952.5-535.9）。由此可见，采用变频调节方式比增减机组台数方式更节能。
4. 冷水机组群控
红河卷烟厂易地技改项目制冷机组主要负责为空调末端系统提供集中冷源，3台10KV 离心冷水机组、1台400V 离心冷水机组、5台冷冻水泵、4台冷却水泵、7座冷却塔、1台冷冻水分水器、3台冷却塔大集水箱、1台冷却塔小集水箱、1台冷冻水集水器、1台冷冻水自动补水排气定压装置、1台板式换热器等设备。本项目制冷站主要设备装机功率统计如表2：

由上表可见，动力中心制冷站投运行后将是红河卷烟厂动力设备能耗大户。因此，根据空调末端系统和工艺设备负荷的实际需求变化对冷冻站进行节能调节，不仅关系到红烟新工厂正常运营所需的车间温湿度参数的工艺保证，也关系到新工厂的运营成本，意义重大。
4.1 冷水机组能耗特性分析
从红河卷烟厂易地技改空调制冷系统各设备所占的能耗比例中可以看出，冷冻站中冷水机组的耗能最大，大约是冷冻水泵耗能的3.5倍以上，因此制冷站的节能控制方案应首先考虑如何降低冷水机组的能耗。红河卷烟厂易地技改项目采用4台离心式冷水机组。所有冷水机组均自带控制器，能根据冷冻供水温度需求进行能量自调节。以下对本项目所用的离心式冷水机组能耗特性进行分析。

当负荷需求发生变化时，常规的离心式冷水机组依靠压缩机的入口导流阀开度对制冷剂的流量进行调节，从而达到调节制冷量的目的，但是这种调节方法，存在较大的节流摩擦阻力损失。目前红烟在用的四台离心式冷水机组均为定频机组，采用导流阀调节存在节流损耗，其结构及调节原理如图7所示。

针对导流阀调节的不足，制冷机生产厂商（如 YORK、TRANE公司）推出如图8所示的变速驱动离心冷水机组。
该机组通过对压缩机电机进行变频调节，辅以入口导流阀最优开度控制来达到调节制冷剂流量的目的。由于减少甚至避免了摩擦损失，变速驱动离心冷水机组比定速离心冷水机组全年节能 30%以上。
从图9离心冷水机组能耗曲线可以看出，定速驱动冷水机组在 50%～100%负荷范围内能耗效率基本一样，60%～70%负荷时效率略高一点。变速驱动冷水机组则在 30%～40％ 负荷左右时效率最高，在100%满负荷时变速驱动冷水机组比定速驱动冷水机组的能耗效率略低。

以上的能耗特性对于制订冷水机组的台数节能控制意义非常重大，对于定速驱动冷水机组，在进行台数控制时应保证冷水机组尽量在 80％～100%（接近满负荷）负荷下运行，当并联运行的冷水机组的负荷小于50%时应考虑停止一台冷水机组的运行。而对于变速驱动冷水机组，在进行台数控制时应保证冷水机组尽量在 30%～40％左右负荷下运行。
4.2 冷冻供水温度对冷水机组能耗的影响
对于冷水机组而言，冷冻供水温度越低，冷水机组蒸发温度越低，冷水机组消耗功率越大。反之，冷冻供水温度越高，冷水机组消耗功率越小。

从图10中可以看出，冷冻供水温度每提高 1℃，离心式冷水机组的消耗功率降低 4%。因此，当空调末端侧对冷负荷的需求降低时，提高冷水机组的供水温度可以大大节省冷水机组的运行能耗。
图10 不同冷冻供水温度下冷水机组能耗曲线
4.3 冷却供水温度对冷水机组能耗的影响   
对于冷水机组而言，冷却水温度越低，冷水机组的冷凝压力越低，在一定的范围内可以起到提高冷水机组效率的作用。但当冷却水温度太低时，还可能低引起压缩机过载，并导致冷水机组因自保护动作而不能正常开机，一般冷水机组规定冷却水温度不能低于 12℃。不同冷却水温度对冷水机组能耗的影响曲线如图11所示:

从上图可以看出，对于定速冷水机组，当冷却水入口温度大于27℃时，冷水机组的能耗增加十分迅速，而在13℃～27℃范围内效率基本不变。对于变速驱动冷水机组随着冷却水温度的降低，其能耗成线性下降趋势，因此变速驱动冷水机组特别适合全年供冷场合。
4.4冷水机组变水温控制
按照目前红烟生产车间生产情况及制冷主机运行情况来看，车间冷负荷的变化波动是非常大的，夏季冷负荷大，冬春过渡季冷负荷小，当车间冷负荷需求变化时，制冷主机运行负荷能适应其变化才能达到节能运行的效果。综合上述冷冻水温变化对制冷机能耗的影响，当空调末端负荷变小时，提高冷冻供水温度可起到节省冷水机组能耗和改善空调末端表冷盘管换热效率的双重效果。
动力集控系统制冷系统目前已经实现制冷主机的变水温控制，自控系统通过对各空调车间空气露点温度需求计算和所有空调末端表冷阀开度监测进行综合分析、计算，判断空调末端系统对冷冻供水温度的需求状况，制定冷水机组冷冻供水温度设定值，控制原理如图12所示。

4.5 冷水机组群控策略
根据前面对冷水机组在不同负荷率下能耗特性的分析，红烟异地技改所涉及的4台离心冷水机组，满负荷运行效率高于部分负荷的运行效率。因此，对于4台离心冷水机组（N-1、N-2、N-3、N-4），采用最少运行台数法对冷水机组进行群控，以保证每台定速冷水机组尽量运行在 80％～100%负荷率状况下。为确保机组能效的最大发挥，红烟异地技改过程对4台离心式冷水机组的投运数量进行了如下控制：
实时监测各支路空调末端负荷（联合工房空调、联合工房辅房空调、动力中心空调负荷侧）冷冻水供回水温度（tsi、tri）、各支路冷冻水总管流量 Fi，计算出空调末端侧实际冷负荷需求Q。空调末端支路包括联合工房空调、联合工房辅房空调、动力中心空调支路等各系统支路。根据计算的空调末端总负荷需求Q来最终决定开停冷水机组的台数，并通过控制系统启停相应的联动设备。
Q=∑K*Fi*（tri - tsi）
式中：Q为空调末端侧的实际总冷负荷需求；
K为冷冻水的比热系数；
Fi为各空调末端（联合工房空调、联合工房辅房空调、动力中心空调）支路总管的冷冻水流量；
Tsi为冷冻水供水总管温度；
Tri为各空调末端（联合工房空调、联合工房辅房空调、动力中心空调）  支路总管的冷冻水回水温度。
根据计算结果Q和每台冷水机组的额定制冷量比较，在保证每台定速冷水机组运行在80％～100%负荷率前提下，就可确定冷水机组的开机台数。在台数控制时，规定每台冷水机组开机后至少运行30分钟，按自保护程序停机后再过30分钟方能启动以防止机组频繁启、停。
5. 冷却塔和制冷机联合供冷
出于有效利用室外低温条件的角度考虑，制冷站配置一套板式换热器与冷水机组并联，用于过渡季节实现冷却塔供冷。联合工房的卷包车间、制丝车间、滤棒成型车间等区域因工艺设备产热量较大，过渡季节或冬季需要空调系统供冷风。但由于春秋季节空气较为干燥，直接加大新风量来冷却会导致蒸汽加湿耗量加大，因此采用冷却塔供冷较为经济。

冷却塔与冷水机组联合供冷原理图如图13所示，在冷却塔供冷还是制冷机供冷的选用策略方面，我们加入了如下判断条件：
当室外空气湿球温度低于某个值（如 10℃时），冷却塔（或换热器二次侧） 出水温度低于空调末端系统的冷冻供水温度需求，此时控制系统切换到冷却塔供冷运行模式，反之则采用常规冷水机组供冷运行模式。
当冷却塔（或换热器二次侧）出水温度低于空调末端系统的冷冻回水温度时，冷却塔提供的冷水即可开始分担空调末端系统的冷负荷需求，以减少制冷站冷水机组的运行负荷，从而最大限度实现节能效果。
中央空调系统运行时，控制系统根据冷却塔的出水温度和空调末端系统回水温度进行对比，当冷却塔出水温度低于某个值时，板式换热器二次侧的出水温度开始小于空调末端系统的回水温度，此时冷却塔供冷开始投入运行，并与冷水机组联合为空调末端系统提供冷源。当板式换热器二次侧的出水温度低于空调末端系统的需求温度时冷水机组停止运行，空调机组的降温需求全部由冷却塔供冷。
通过以上对比，冷却塔与冷水机组联合供冷的运行方式使冷却塔供冷的能量利用率更高、节能效果更好。为方便切换冷却塔与冷水机组供冷，红烟异地技改时在板式换热器的一次侧设置了旁通管路和季节转换调节阀，并设置多台冷水机组的冷却水、冷冻水旁通回路及对应的季节转换阀，实现冷却塔在低负荷工况下运行，以获取更低的冷却塔出水温度和更长的冷却塔供冷时间。而当某台冷水机组停止运行时，循环冷却水经自控系统切换季节转换阀后，流经板式换热器的一次侧。多台冷却塔供冷时，多余的循环冷却水经板式换热器一次侧的旁通管路流回冷却塔。
6. 成效总结
基于以上各模块控制策略的综合运用，相比老工厂而言，新建成的红烟中央空调系统运行稳定，自动化、智能化控制水平较高，车间环境温湿度精准稳定控制在工艺指标范围内，制冷机组COP值稳定提升，系统综合能耗有效降低。
6.1 温湿度控制精度明显提升
红烟中央空调系统于2021年3月逐步投用，随着控制策略的进一步完善，中央空调系统运行稳定性及温湿度调控精度也在持续改善并稳步提升。

从以上两表看出，即使是在全年的典型月份（7月、10月），红烟新工厂生产区域温、湿度均能稳定调控在工艺要求范围内，且调控精度与老厂区相比有了明显提升（新厂区调控精度±0.5℃、±2%RH；老厂区调控精度±2℃、±5%RH）。
6.2 有效消除对立工况
从表3可知，七月份和十月份为典型的夏、秋季节，在整个期间内中央空调自控系统均能充分利用了室外低温条件，过程中能根据气候变化自动控调节新、回风门开度。尤其是在全年室外温度最高的七月份，其新风阀开度基本能维持在为最小开度（10%）。其次，相关空调机组在各季节温湿度控制执行机构动作合理，无冷热抵消现象发生，且在运行期间风机实现了变频节能运行控制，最大限度降低了能源消耗。
6.3 制冷机冷电比大幅提高
冷电比是工厂对动力车间制冷系统的重要考核指标，共设置了达标值、目标值、挑战值三个梯度的指标值，分别为30、31、32（单位：MJ/kW·h）。我们统计了从5月开始连续7个月的制冷系统运行数据如表5所示，每个月的冷电比都超过挑战值32，说明在制冷系统在智能群控模式下运行实现了较好的能效比。

7. 回顾与展望
通过对中央空调系统群控策略的分析与研究，红烟易地技改后中央空调系统设备的自动化、智能化控制水平已处于较好的水平，在保障车间生产环境温湿度以及节能降耗方面均取得一定成效。相信随着运行时间的增加及操作经验的不断总结，我们仍可找出中央空调系统存在的不足之处并进一步完善、改进。比如在高压微雾与蒸汽加湿的选择上，可以在不同的季节进行操作实践，总结出适合的切换条件并程序化，让控制系统自主切换而无需人为干涉，进而实现中央空调系统全智能化运转。
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