雙冷源溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)在卷煙廠的節(jié)能應(yīng)用分析

解偉鵬+馬黎軍

摘 要：為減少卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗和提高動(dòng)力中心運(yùn)行效率，對儲(chǔ)絲間空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，提出一種基于雙冷源的溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)。結(jié)果表明，采用雙冷源溫濕度獨(dú)立控制方法，避免了傳統(tǒng)空調(diào)再熱和再濕造成的能源浪費(fèi)問題，空調(diào)機(jī)組除濕能耗下降23.6%，蒸汽消耗量減少540kg/h。

關(guān)鍵詞：雙冷源；溫濕度；獨(dú)立控制；卷煙廠；儲(chǔ)絲間；節(jié)能

引言

卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)具有面積大、設(shè)備發(fā)熱量大、產(chǎn)濕量小和風(fēng)量大等特點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，空調(diào)設(shè)備的全年運(yùn)行能耗約占全廠總能耗的30%～50%[1]。因此，需要結(jié)合卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)尋找合適的節(jié)能方法和途徑。

本文根據(jù)儲(chǔ)絲間在卷煙生產(chǎn)過程中的重要作用，并考慮動(dòng)力中心運(yùn)行的合理性和節(jié)能性，將儲(chǔ)絲間空調(diào)系統(tǒng)從原有卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)中單獨(dú)分離出來，并提出一種雙冷源溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)，在確保煙絲質(zhì)量的條件下，可有效避免動(dòng)力中心在低效率狀態(tài)下運(yùn)行，以解決傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)存在的問題，從而提高空調(diào)系統(tǒng)的適應(yīng)性，并達(dá)到一定的節(jié)能效果。

1 問題分析

1.1 卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)及存在問題

相比于民用建筑空調(diào)，卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)具有熱負(fù)荷大，濕負(fù)荷小，熱濕比趨近正無窮大（+∞），空氣露點(diǎn)高等特點(diǎn)。由表1可知[1]，不同卷煙工藝流程的熱濕負(fù)荷特點(diǎn)及溫濕度環(huán)境要求各不相同。通常，動(dòng)力中心制冷站冷水供水溫度根據(jù)卷接包等恒溫恒濕車間冷水需求溫度進(jìn)行調(diào)控，其他車間溫濕度控制則通過調(diào)節(jié)表冷閥和再熱閥進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這就造成了表冷閥和再熱閥開度調(diào)節(jié)頻繁，表冷器和加熱器換熱效率降低，再熱再濕現(xiàn)象嚴(yán)重等問題。

1.2 儲(chǔ)絲間卷煙生產(chǎn)工藝特點(diǎn)及存在問題

卷煙工藝流程依次為煙葉處理、葉絲加工、梗絲加工、摻配加香、膨脹煙絲、卷接和包裝等[2]。通常，為保證煙絲水分與溫度均勻穩(wěn)定，香精混合充分和滲透均勻，制好的煙絲需在儲(chǔ)絲間存放一段時(shí)間后再進(jìn)行卷接和包裝。在實(shí)際生產(chǎn)中為保證煙絲的產(chǎn)品質(zhì)量，儲(chǔ)絲間空調(diào)設(shè)備需常年運(yùn)行，但由于工藝生產(chǎn)調(diào)配、節(jié)假日、停產(chǎn)檢修等客觀因素，大部分車間停工的情況下，動(dòng)力中心還需開啟制冷機(jī)、鍋爐等系統(tǒng)用于維持儲(chǔ)絲間的溫濕度，致使動(dòng)力中心完全處于大馬拉小車狀態(tài)，運(yùn)行效率處于很低狀態(tài)，同時(shí)還需要安排相應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)人員進(jìn)行值班管理，造成了人力、物力上的浪費(fèi)。

2 儲(chǔ)絲間常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)處理方法

基于以上分析，對某卷煙廠儲(chǔ)絲房空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造升級，以解決相關(guān)問題。該儲(chǔ)絲間采用集中式空調(diào)系統(tǒng)，冷源由集中制冷站提供冷水，熱源由鍋爐房提供飽和蒸汽。空調(diào)系統(tǒng)采用典型的一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，空氣由組合式空調(diào)機(jī)組集中處理后送入各車間。

由于卷煙工藝生產(chǎn)要求恒溫恒濕環(huán)境，該儲(chǔ)絲間全年溫濕度設(shè)計(jì)參數(shù)為：溫度28±2℃，相對濕度70±5%，空調(diào)設(shè)計(jì)送風(fēng)量100000m3/h，新風(fēng)比20%，并配置有西門子S7-300PLC控制器，空調(diào)機(jī)組各功能段如圖1所示。

該空調(diào)系統(tǒng)采用表冷器進(jìn)行冷卻和除濕，即先將空氣降溫到飽和狀態(tài)達(dá)到露點(diǎn)溫度后再繼續(xù)降溫進(jìn)行除濕。由于采用了熱濕耦合處理的方式，為了滿足除濕需求，冷源溫度受到室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度的限制，通常為7～9℃，而若只是進(jìn)行排除余熱的過程，只需要溫度為15～18℃的冷源就可滿足要求。因此，導(dǎo)致占空調(diào)總負(fù)荷一半以上的顯熱負(fù)荷（約占空調(diào)總負(fù)荷的50%～70%）本可采用高溫冷源（15～18℃）排走熱量冷卻與除濕（約占空調(diào)總負(fù)荷的30%～50%）一起共用低溫冷源（7～9℃）進(jìn)行處理，造成能量利用品位上的浪費(fèi)，限制了自然冷源的利用和制冷設(shè)備效率的提高[3]。

此外，由于儲(chǔ)絲間相對密閉，夏季空調(diào)冷負(fù)荷較小[4]，空調(diào)系統(tǒng)對空氣進(jìn)行表冷除濕后，還需經(jīng)過再加熱和再加濕過程才能使空氣達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，造成冷熱抵消及除濕加濕抵消問題嚴(yán)重，進(jìn)一步造成了能源的浪費(fèi)和損失。

傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)夏季空氣處理焓濕圖如圖2所示，各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)如表2所示。

3 溫濕度獨(dú)立控制設(shè)計(jì)方案

考慮到儲(chǔ)絲間和動(dòng)力中心運(yùn)行的合理性和節(jié)能性，對儲(chǔ)絲間空調(diào)系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計(jì)，原有水路管路均作廢，并在利用原有室內(nèi)空調(diào)機(jī)組的基礎(chǔ)上，增加一套新風(fēng)機(jī)組和高/低溫蒸發(fā)冷卻式冷熱水機(jī)組，利用低溫冷源承擔(dān)空調(diào)潛熱負(fù)荷（對新風(fēng)進(jìn)行降溫除濕），利用高溫冷源承擔(dān)空調(diào)顯熱負(fù)荷。

3.1 冷熱源方案

相比風(fēng)冷熱泵機(jī)組，蒸發(fā)冷卻式冷熱水機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用有較大幅度的降低，具有更明顯的節(jié)能優(yōu)勢，故本項(xiàng)目冷熱源采用蒸發(fā)冷卻式冷熱水機(jī)組[5]。其中，選用2臺(tái)低溫蒸發(fā)冷卻式渦旋冷熱水機(jī)組，夏季供回水溫度為7℃/12℃，冬季供回水溫度為45℃/40℃，單臺(tái)制冷量為152kW，制熱量為70kW，COP為4.22；選用1臺(tái)高溫蒸發(fā)冷卻式渦旋冷熱水機(jī)組，夏季供回水溫度為15℃/20℃，冬季供回水溫度為45℃/40℃，制冷量為115kW，制熱量為41kW，COP為4.71。

3.2 空氣處理方案

儲(chǔ)絲車間原有室內(nèi)空調(diào)機(jī)組不作變動(dòng)，新增加一套新風(fēng)機(jī)組，空調(diào)機(jī)組功能段圖詳見圖3。新風(fēng)機(jī)組低溫表冷器的冷凍水供回水溫度7℃/12℃，新風(fēng)由新風(fēng)機(jī)組進(jìn)行深度除濕后通過新風(fēng)管道送入對應(yīng)的室內(nèi)空調(diào)機(jī)組，新風(fēng)與回風(fēng)混合后通過高溫表冷器（冷凍水供回水溫度15℃/20℃）等濕冷卻至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，然后送入車間空調(diào)區(qū)域。

1新風(fēng)段；2初中效過濾段；3表冷器段；4送風(fēng)段

（a）新風(fēng)機(jī)組

1回風(fēng)段；2分流段；3新回風(fēng)混合段；4初中效過濾段；5表冷器段；

6加熱器段；7加濕段；8送風(fēng)段

（b）室內(nèi)空調(diào)機(jī)組

空調(diào)系統(tǒng)溫濕度獨(dú)立控制夏季空氣處理焓濕圖如圖4所示，各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)如表3所示。

4 節(jié)能效果分析

儲(chǔ)絲間夏季空調(diào)送風(fēng)溫差為4℃，總額定送風(fēng)量為100000m3/h，新風(fēng)比20%。下面分別給出傳統(tǒng)處理方式和溫濕度獨(dú)立控制的總能耗分析對比：

4.1 傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)總能耗

結(jié)合圖2和表2，從空調(diào)系統(tǒng)熱平衡關(guān)系分析，空調(diào)機(jī)組所需冷量包括：室內(nèi)冷負(fù)荷、新風(fēng)冷負(fù)荷和再熱冷負(fù)荷三部分。其中：

室內(nèi)冷負(fù)荷為：Q1=ρq（hN-hO）=1.2×100000÷3600×（71.0-65.5）=183.3kW

式中：Q1-室內(nèi)冷負(fù)荷，kW；？籽-空氣密度，kg/m3，取1.2kg/m3[6]；q-機(jī)組額定送風(fēng)量，m3/h；hN-室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)空氣焓值，kJ/kg；hO-送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)空氣焓值，kJ/kg。

新風(fēng)冷負(fù)荷為：Q2=ρq（hC-hN）=1.2×100000÷3600×（74.5-71.0）=116.7kW

式中：Q2-新風(fēng)冷負(fù)荷，kW；hC-新回風(fēng)混合后狀態(tài)點(diǎn)空氣焓值，kJ/kg。

再熱冷負(fù)荷為：Q3=ρq（hS-hL）=1.2×100000÷3600×（53.0-47.7）=176.7kW

式中：Q3-再熱冷負(fù)荷，kW；hS-再熱后狀態(tài)點(diǎn)空氣焓值，kJ/kg；hL-混風(fēng)除濕后狀態(tài)點(diǎn)空氣焓值，kJ/kg。

則空調(diào)機(jī)組所需總冷量為：QCT=Q1+Q2+Q3=476.7kW

式中：QCT-總的冷負(fù)荷，即空調(diào)機(jī)組所需總冷量，kW。

空調(diào)機(jī)組所需總加濕量（即濕負(fù)荷）為：W=ρq（dO-dL）=1.2×100000×（16.2-11.7）÷1000=540kg/h

式中：W-總的濕負(fù)荷，即空調(diào)機(jī)組所需總加濕量，kW；dO-送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)空氣含濕量，g/kg干；dL-新回風(fēng)混合后狀態(tài)點(diǎn)空氣含濕量，g/kg干。

4.2 溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)總能耗

結(jié)合圖4和表3，利用新風(fēng)機(jī)組將新風(fēng)處理到低于室內(nèi)空氣的含濕量，新風(fēng)機(jī)組（低溫冷源）承擔(dān)新風(fēng)冷負(fù)荷、全部潛熱冷負(fù)荷和部分室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷。而室內(nèi)空調(diào)機(jī)組換熱器（高溫冷源）僅承擔(dān)一部分室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)等濕冷卻，從而改善室內(nèi)空調(diào)機(jī)組衛(wèi)生條件和防止水患。其中：

新風(fēng)機(jī)組對新風(fēng)處理所需冷量（新風(fēng)冷負(fù)荷、全部潛熱冷負(fù)荷和部分室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷）：QX=20%ρq（hW-hL）=1.2×100000÷3600×（88.3-47.7）=270.7kW

式中：QX-新風(fēng)處理所需冷量，kW；20%-新風(fēng)比；hW-室外新風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)空氣焓值，kJ/kg；hL-室外新風(fēng)除濕后狀態(tài)點(diǎn)空氣焓值，kJ/kg。

室內(nèi)空調(diào)機(jī)組對空氣進(jìn)行降溫處理所需冷量（部分室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷）：QS=ρq（hC-hO）=1.2×100000÷3600×（68.3-65.5）=93.3kW

則總冷量為：QWS=QX+QS=364.0kW

式中：QWS-總的冷負(fù)荷，即空調(diào)機(jī)組所需總的冷量，kW。

綜上所述，采用溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)可有效避免再熱和再濕的能源浪費(fèi)，除濕節(jié)能效率為：η=（QCT-QWS）/QCT×100%=（476.7-364.0）/476.7×100%=23.6%，蒸汽節(jié)約540kg/h。

5 結(jié)論

對儲(chǔ)絲間空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，解決了卷煙廠工藝生產(chǎn)調(diào)配、節(jié)假日、停產(chǎn)檢修情況下動(dòng)力中心運(yùn)行效率低下，人力、物力浪費(fèi)嚴(yán)重的問題?？照{(diào)系統(tǒng)采用雙冷源溫濕度獨(dú)立控制方法，通過控制處理后的新風(fēng)含濕量和新回風(fēng)混合后的送風(fēng)溫度，就可精確控制室內(nèi)的溫濕度，有效解決了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)再熱、再濕問題的存在，空調(diào)機(jī)組制冷除濕能耗下降23.6%，蒸汽消耗量減少540kg/h。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：解偉鵬（1986，8-），男，學(xué)歷：本科，主要從事空調(diào)自控系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行工作。