新風(fēng)獨(dú)立處理系統(tǒng)在卷煙廠的應(yīng)用及節(jié)能效果分析

胡 波，于魯海，黃春艷，程 作，韋發(fā)林，王寶龍

1.貴州中煙工業(yè)有限公司基建技改管理部，貴陽市友誼路25號 550001

2.清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系，北京市海淀區(qū)清華園1號 100084

近年來隨著煙草行業(yè)的快速發(fā)展，卷煙工業(yè)企業(yè)每年產(chǎn)生較大生產(chǎn)能耗。針對此，國家煙草專賣局先后下發(fā)《關(guān)于煙草行業(yè)加強(qiáng)節(jié)能減排工作的實(shí)施意見》和《煙草行業(yè)年節(jié)能減排工作要點(diǎn)》，提出具體節(jié)能目標(biāo)。在卷煙廠全年總能耗中，空調(diào)系統(tǒng)能耗占比30%～50%［1］，基本與生產(chǎn)能耗相當(dāng)。其中，聯(lián)合工房是卷煙廠使用空調(diào)的主要對象，其負(fù)荷特點(diǎn)為內(nèi)部發(fā)熱量大、人員密度小、濕負(fù)荷小、室內(nèi)熱濕比大，因此成為空調(diào)能耗的重點(diǎn)區(qū)域。而目前空調(diào)系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的一次回風(fēng)處理技術(shù)，在熱濕處理過程中存在冷熱抵消、再熱能耗高等問題。對于此問題，張竑斌等［2］對卷煙廠不同分區(qū)的空氣處理流程以及一次回風(fēng)系統(tǒng)中的冷熱抵消現(xiàn)象進(jìn)行了分析。曾寧等［3］提出了基于變風(fēng)量的機(jī)器露點(diǎn)送風(fēng)控制策略，有效降低了能耗，節(jié)省了費(fèi)用。張竑斌等［4］提出了變風(fēng)量二次回風(fēng)系統(tǒng)及其控制策略，并指出相對于一次回風(fēng)系統(tǒng)，二次回風(fēng)系統(tǒng)需要降低冷水機(jī)組提供的冷凍水溫度才能降低能耗。徐明等［5］研究發(fā)現(xiàn)機(jī)器露點(diǎn)送風(fēng)的調(diào)節(jié)能力有限，且送風(fēng)溫度低、風(fēng)量小，存在風(fēng)道和風(fēng)口凝水等問題，導(dǎo)致二次回風(fēng)系統(tǒng)控制效果差，由于卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)回風(fēng)含塵量較大，還可能會造成二次污染。近年來新風(fēng)獨(dú)立處理系統(tǒng)在卷煙廠中的應(yīng)用越來越多，主要采用溫濕分控技術(shù)對新風(fēng)和回風(fēng)分別處理，新風(fēng)承擔(dān)所有濕負(fù)荷，室內(nèi)回風(fēng)承擔(dān)所有顯熱負(fù)荷，該系統(tǒng)可消除再熱，避免冷熱抵消，實(shí)現(xiàn)節(jié)能30%左右［6-8］。有研究表明，卷煙廠室內(nèi)溫濕度高、新風(fēng)比大，可以利用新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)系統(tǒng)除濕負(fù)荷［9］。卷煙廠濾棒成型車間空調(diào)系統(tǒng)采用溫濕分控模式后，與常規(guī)空氣處理模式相比，節(jié)能效果可達(dá)37%［10］。因此，溫濕度獨(dú)立處理是一種高效節(jié)能的空氣調(diào)節(jié)方法，適用于卷煙廠濕負(fù)荷小、室內(nèi)發(fā)熱量大的生產(chǎn)環(huán)境。建筑熱環(huán)境設(shè)計模擬分析軟件平臺（簡稱DeST），可實(shí)現(xiàn)對建筑熱環(huán)境、設(shè)備性能等進(jìn)行全年逐時的動態(tài)模擬分析，是對建筑設(shè)計、供熱通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行模擬預(yù)測和性能優(yōu)化的一種軟件工具［11］。為此，以貴定卷煙廠聯(lián)合工房為對象，基于DeST模擬軟件建立新風(fēng)獨(dú)立處理系統(tǒng)并對夏季空調(diào)能耗情況進(jìn)行分析，以期提高新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)在不同季節(jié)的應(yīng)用合理性，降低卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)能耗。

1 聯(lián)合工房模擬參數(shù)

貴定卷煙廠聯(lián)合工房呈“U”型布局，東西寬216 m，南北長199.15 m，建筑面積約48 040 m2，結(jié)構(gòu)形式為混合結(jié)構(gòu)建筑。該聯(lián)合工房包括卷接包車間、制絲車間、貯絲車間、輔料高架庫等，室內(nèi)空氣溫濕度及最小新風(fēng)量等設(shè)計參數(shù)見表1。

主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)參照經(jīng)驗(yàn)取值且滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》［12］，見表2。其中，窗戶采用熱性鋁合金中空玻璃窗，屋頂采用混凝土面板加聚苯乙烯，外墻采用鋼筋混凝土加膨脹聚苯板保溫層，內(nèi)墻采用加氣混凝土墻體。此外，參考文獻(xiàn)［9］確定主要車間室內(nèi)設(shè)備及照明發(fā)熱量，制絲車間80 W/m2，卷接包車間100 W/m2，其他車間均按14 W/m2計算。

表1 聯(lián)合工房室內(nèi)設(shè)計參數(shù)Tab.1 Indoor design parameters of major production building

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)Tab.2 Thermal parameters of envelop enclosure

2 負(fù)荷分析

2.1 全年負(fù)荷特性

采用DeST模擬軟件對全年冷熱負(fù)荷進(jìn)行模擬分析。由于貴定地區(qū)全年氣候數(shù)據(jù)不夠充分，故選取與貴定毗鄰且緯度接近的貴陽作為全年氣候基準(zhǔn)，其典型年份全年日平均干球溫度和含濕量見圖1?？梢姡F定屬于夏熱冬冷地區(qū)，全年氣溫基本在0 ℃以上。

圖1 貴定地區(qū)典型年份全年氣候數(shù)據(jù)Fig.1 Climate data of typical year in Guiding region

分析可見，貴定地區(qū)室外與室內(nèi)溫度相差不大，因此卷煙廠冷負(fù)荷主要來源于室內(nèi)設(shè)備和照明發(fā)熱量。根據(jù)收集到的氣候數(shù)據(jù)及主要設(shè)定參數(shù)，得到卷煙廠聯(lián)合工房全年負(fù)荷分布圖，見圖2。其中，正值表示熱負(fù)荷，負(fù)值表示冷負(fù)荷。由于聯(lián)合工房內(nèi)部發(fā)熱量較大，造成其冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷，且冷負(fù)荷持續(xù)時間較長，利用DeST軟件計算可得聯(lián)合工房冬季熱負(fù)荷為3 089 kW，夏季冷負(fù)荷為3 788 kW。

2.2 新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)與一次回風(fēng)系統(tǒng)對比

由于聯(lián)合工房加熱、加濕工況可與夏季供冷分開處理，且夏季供冷量較大，因此本研究中主要對夏季冷負(fù)荷進(jìn)行分析。由圖3可見，傳統(tǒng)一次回風(fēng)系統(tǒng)中室外新風(fēng)（W）與室內(nèi)回風(fēng)（N）混合至C1點(diǎn)后，被處理至盤管露點(diǎn)（L1），然后被加熱至熱濕比ε線上的O1點(diǎn)，再輸送入室內(nèi)；新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)中，新風(fēng)承擔(dān)所有濕負(fù)荷，新風(fēng)（W）被新風(fēng)處理表冷盤管直接處理至機(jī)器露點(diǎn)（L2），當(dāng)室內(nèi)回風(fēng)（N）被回風(fēng)處理表冷盤管處理至N′點(diǎn)后，與L2點(diǎn)新風(fēng)混合至O2點(diǎn)，沿著熱濕比ε線輸送入室內(nèi)。

圖2 卷煙廠聯(lián)合工房全年負(fù)荷分布Fig.2 Annual heating and cooling loads of major production building in tobacco factory

圖3 一次回風(fēng)系統(tǒng)與新風(fēng)獨(dú)立處理系統(tǒng)工作原理對比Fig.3 Comparison of working principles between conventional recycling air system and independent fresh air processing system

在此過程中，采用式（1）和式（2）可計算出一次回風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際能耗量，采用式（3）可計算出新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)中機(jī)組實(shí)際能耗量。

式中：Qc、Qh分別為系統(tǒng)耗冷量和耗熱量，kW；mf、mr分別為新風(fēng)流量和回風(fēng)流量，kg/s；hW為室外新風(fēng)焓值，kJ/（kg干空氣）；hL1為一次回風(fēng)系統(tǒng)混風(fēng)經(jīng)過表冷器后空氣焓值，kJ/（kg干空氣）；hN為室內(nèi)回風(fēng)焓值，kJ/（kg干空氣）；hO1為一次回風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)點(diǎn)送風(fēng)焓值，kJ/（kg干空氣）；hL2為新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)的新風(fēng)經(jīng)過表冷器后空氣焓值，kJ/（kg干空氣）；hN'為新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)的室內(nèi)回風(fēng)處理終狀態(tài)點(diǎn)焓值，kJ/（kg干空氣）；hO2為新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)焓值，kJ/（kg干空氣）。

若將兩個系統(tǒng)的露點(diǎn)（O1點(diǎn)與O2點(diǎn)）視為相同，對比式（1）與式（3），則一次回風(fēng)系統(tǒng)比新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)多出一個能耗項(xiàng)mt（hO-hL），該能耗為一次回風(fēng)系統(tǒng)的再熱能耗，即總風(fēng)量與送風(fēng)、機(jī)器露點(diǎn)焓差的乘積，這也是一次回風(fēng)系統(tǒng)存在冷熱抵消的主要原因。

根據(jù)圖2中數(shù)據(jù)對夏季負(fù)荷進(jìn)行逐時分析，可以得到一次回風(fēng)系統(tǒng)與新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)的機(jī)組選型容量。選取兩個系統(tǒng)相同的新風(fēng)比作為設(shè)計依據(jù)，設(shè)定送風(fēng)溫度差為5 ℃，由于大多數(shù)車間未設(shè)置加濕處理，可認(rèn)為熱濕比ε線接近于垂直。整個系統(tǒng)所需冷量可分為兩部分：一是除去室內(nèi)冷負(fù)荷所需冷量，稱為室內(nèi)負(fù)荷耗冷量；二是將新風(fēng)處理到室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)，即處理新風(fēng)負(fù)荷所需冷量，稱為新風(fēng)負(fù)荷耗冷量。由于一次回風(fēng)系統(tǒng)存在再熱現(xiàn)象，機(jī)組需要額外付出一部分冷量去抵消再熱量，這部分冷量稱為再熱等效耗冷量。

室內(nèi)負(fù)荷耗冷量與新風(fēng)負(fù)荷耗冷量之和，即為新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)機(jī)組實(shí)際所需冷量，而室內(nèi)負(fù)荷耗冷量、新風(fēng)負(fù)荷耗冷量以及再熱等效耗冷量之和，則為一次回風(fēng)系統(tǒng)機(jī)組實(shí)際所需冷量。因此，選取最大所需冷量作為機(jī)組選型容量并對其進(jìn)行劃分。結(jié)果顯示，一次回風(fēng)系統(tǒng)機(jī)組選型容量為5 237 kW，其中室內(nèi)負(fù)荷耗冷量2 661 kW，新風(fēng)負(fù)荷耗冷量1 127 kW，再熱等效耗冷量1 449 kW，再熱占比為27.6%。而采用新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)，機(jī)組選型容量為3 788 kW即可滿足生產(chǎn)要求。

2.3 新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合貴定卷煙廠實(shí)際情況，設(shè)計了一種采用雙溫冷水機(jī)組的新風(fēng)獨(dú)立處理系統(tǒng)，包括高溫和常規(guī)兩種冷水機(jī)組，見圖4。室內(nèi)房間的回風(fēng)經(jīng)過回風(fēng)風(fēng)機(jī)和回風(fēng)道進(jìn)入回風(fēng)空調(diào)箱，回風(fēng)空調(diào)箱表冷器使用的是高溫冷水機(jī)組所提供的高溫冷凍水，冷凍水溫度高于回風(fēng)露點(diǎn)溫度，多為16～20 ℃，回風(fēng)經(jīng)過回風(fēng)空調(diào)箱表冷器后被等濕降溫。新風(fēng)經(jīng)過新風(fēng)道進(jìn)入新風(fēng)空調(diào)箱，新風(fēng)空調(diào)箱使用的是常規(guī)冷水機(jī)組所提供的冷凍水，冷凍水溫度低于新風(fēng)露點(diǎn)溫度，多為7 ℃，新風(fēng)經(jīng)過新風(fēng)空調(diào)箱表冷器后被降溫降濕。回風(fēng)空調(diào)箱出口回風(fēng)與新風(fēng)空調(diào)箱出口新風(fēng)混合后，經(jīng)過送風(fēng)機(jī)送入室內(nèi)，通過控制新風(fēng)量和新風(fēng)除濕量，可以使新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)所有濕負(fù)荷，并使回風(fēng)與新風(fēng)混合后的送風(fēng)能夠滿足室內(nèi)的狀態(tài)點(diǎn)。

圖4 雙溫冷水機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of 2-temperature cooling water unit

新風(fēng)在除去濕負(fù)荷的同時還能除去部分室內(nèi)顯熱負(fù)荷，因此只要室內(nèi)顯熱負(fù)荷大于新風(fēng)所承擔(dān)的顯熱負(fù)荷，即可保證新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，適用于卷煙廠室內(nèi)濕負(fù)荷小而顯熱負(fù)荷大的生產(chǎn)狀況。對于新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)，采用雙溫冷水機(jī)組的能效高于常規(guī)冷水機(jī)組，并可避免一次回風(fēng)系統(tǒng)的再熱再濕問題，節(jié)能效果顯著。

3 節(jié)能效果

取典型年份夏季6月1日—9月30日用于計算負(fù)荷，室內(nèi)負(fù)荷取圖2中數(shù)據(jù)，將雙溫冷水機(jī)組與常規(guī)冷水機(jī)組進(jìn)行能耗對比測試。其中，常規(guī)冷水機(jī)組能效計算公式為：

式（4）～式（8）中：Qc、Qe分別為機(jī)組冷凝器放熱量和制冷量，kW；m1、m2分別為機(jī)組冷卻水流量和冷凍水流量，kg/s；tc1、tc2分別為機(jī)組冷卻水進(jìn)出水溫度，℃；te1、te2分別為機(jī)組冷凍水進(jìn)出水溫度，℃；Q為機(jī)組額定制冷量，kW；η為機(jī)組負(fù)荷率，%；W為機(jī)組的輸入功率，kW；COP（Coefficient of Performance）表示制熱量或制冷量與輸入功率的比值；20%表示測試誤差。

對常規(guī)冷水機(jī)組不同負(fù)荷率下機(jī)組COP數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到擬合曲線，見圖5。對于高溫冷水機(jī)組，供水溫度在16～18 ℃之間，參考常規(guī)冷水機(jī)組12 ℃進(jìn)水、7 ℃出水的原則，出水溫度每增加1 ℃，機(jī)組COP提升約3%。高溫冷水機(jī)組的出水溫度平均比常規(guī)冷水機(jī)組高10 ℃左右，因此各負(fù)荷率下高溫冷水機(jī)組的COP均按提升30%計算。

圖5 常規(guī)冷水機(jī)組能效測試Fig.5 Coefficient of performance test of conventional cooling water unit

基于以上COP數(shù)據(jù)，采用兩種方式進(jìn)行夏季能耗對比。一是常規(guī)冷水機(jī)組，機(jī)組選型容量5 300 kW；二是雙溫冷水機(jī)組，即高溫冷水機(jī)組+新風(fēng)用常規(guī)冷水機(jī)組，高溫冷水機(jī)組選型容量2 700 kW，常規(guī)冷水機(jī)組選型容量1 200 kW。其中，雙溫冷水機(jī)組能耗與節(jié)能量之和為方式一的實(shí)際能耗量。由圖6可見，采用常規(guī)冷水機(jī)組，夏季能耗為108.6萬kW·h；采用雙溫冷水機(jī)組，夏季能耗為68萬kW·h，節(jié)能率達(dá)到37.3%。

圖6 夏季兩種方式機(jī)組能耗對比Fig.6 Comparison of energy consumption between two methods in summer

4 結(jié)論

基于貴定卷煙廠聯(lián)合工房實(shí)際情況，采用DeST模擬軟件設(shè)計了一種采用雙溫冷水機(jī)組的新風(fēng)獨(dú)立處理系統(tǒng)，能夠?qū)褙?fù)荷與顯熱負(fù)荷解耦處理，利用新風(fēng)承擔(dān)所有濕負(fù)荷，利用回風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷，有效解決了濕負(fù)荷小而顯熱負(fù)荷大、一次回風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生再熱等問題。取典型年份6月1日—9月30日的夏季工況，將雙溫冷水機(jī)組與常規(guī)冷水機(jī)組進(jìn)行能耗對比測試，結(jié)果表明：①一次回風(fēng)系統(tǒng)機(jī)組選型容量為5 237 kW，新風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)機(jī)組選型容量為3 788 kW，降低再熱負(fù)荷27.6%；②常規(guī)冷水機(jī)組的夏季能耗為108.6萬kW·h，高溫冷水機(jī)組+新風(fēng)用常規(guī)冷水機(jī)組的雙溫冷水機(jī)組的夏季能耗為68萬kW·h，節(jié)能率達(dá)到37.3%，有效提升了空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率。因此，新風(fēng)獨(dú)立處理系統(tǒng)結(jié)合雙溫冷水機(jī)組對于節(jié)能減排效果顯著。