雙冷源溫濕度獨立控制系統在卷煙廠的節能應用分析

解偉鵬+馬黎軍

摘 要：為減少卷煙廠空調系統運行能耗和提高動力中心運行效率，對儲絲間空調系統進行改造，提出一種基于雙冷源的溫濕度獨立控制空調系統。結果表明，采用雙冷源溫濕度獨立控制方法，避免了傳統空調再熱和再濕造成的能源浪費問題，空調機組除濕能耗下降23.6%，蒸汽消耗量減少540kg/h。

關鍵詞：雙冷源；溫濕度；獨立控制；卷煙廠；儲絲間；節能

引言

卷煙廠空調系統具有面積大、設備發熱量大、產濕量小和風量大等特點，根據相關文獻，空調設備的全年運行能耗約占全廠總能耗的30%～50%[1]。因此，需要結合卷煙廠空調系統的特點尋找合適的節能方法和途徑。

本文根據儲絲間在卷煙生產過程中的重要作用，并考慮動力中心運行的合理性和節能性，將儲絲間空調系統從原有卷煙廠空調系統中單獨分離出來，并提出一種雙冷源溫濕度獨立控制空調系統，在確保煙絲質量的條件下，可有效避免動力中心在低效率狀態下運行，以解決傳統空調系統存在的問題，從而提高空調系統的適應性，并達到一定的節能效果。

1 問題分析

1.1 卷煙廠空調系統特點及存在問題

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

1.2 儲絲間卷煙生產工藝特點及存在問題

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定，香精混合充分和滲透均勻，制好的煙絲需在儲絲間存放一段時間后再進行卷接和包裝。在實際生產中為保證煙絲的產品質量，儲絲間空調設備需常年運行，但由于工藝生產調配、節假日、停產檢修等客觀因素，大部分車間停工的情況下，動力中心還需開啟制冷機、鍋爐等系統用于維持儲絲間的溫濕度，致使動力中心完全處于大馬拉小車狀態，運行效率處于很低狀態，同時還需要安排相應的運行維護人員進行值班管理，造成了人力、物力上的浪費。

2 儲絲間常規空調系統處理方法

基于以上分析，對某卷煙廠儲絲房空調系統進行改造升級，以解決相關問題。該儲絲間采用集中式空調系統，冷源由集中制冷站提供冷水，熱源由鍋爐房提供飽和蒸汽。空調系統采用典型的一次回風全空氣系統，空氣由組合式空調機組集中處理后送入各車間。

由于卷煙工藝生產要求恒溫恒濕環境，該儲絲間全年溫濕度設計參數為：溫度28±2℃，相對濕度70±5%，空調設計送風量100000m3/h，新風比20%，并配置有西門子S7-300PLC控制器，空調機組各功能段如圖1所示。

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

此外，由于儲絲間相對密閉，夏季空調冷負荷較小[4]，空調系統對空氣進行表冷除濕后，還需經過再加熱和再加濕過程才能使空氣達到送風狀態點，造成冷熱抵消及除濕加濕抵消問題嚴重，進一步造成了能源的浪費和損失。

傳統空調系統夏季空氣處理焓濕圖如圖2所示，各狀態點參數如表2所示。

3 溫濕度獨立控制設計方案

考慮到儲絲間和動力中心運行的合理性和節能性，對儲絲間空調系統單獨設計，原有水路管路均作廢，并在利用原有室內空調機組的基礎上，增加一套新風機組和高/低溫蒸發冷卻式冷熱水機組，利用低溫冷源承擔空調潛熱負荷（對新風進行降溫除濕），利用高溫冷源承擔空調顯熱負荷。

3.1 冷熱源方案

相比風冷熱泵機組，蒸發冷卻式冷熱水機組運行費用有較大幅度的降低，具有更明顯的節能優勢，故本項目冷熱源采用蒸發冷卻式冷熱水機組[5]。其中，選用2臺低溫蒸發冷卻式渦旋冷熱水機組，夏季供回水溫度為7℃/12℃，冬季供回水溫度為45℃/40℃，單臺制冷量為152kW，制熱量為70kW，COP為4.22；選用1臺高溫蒸發冷卻式渦旋冷熱水機組，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

儲絲車間原有室內空調機組不作變動，新增加一套新風機組，空調機組功能段圖詳見圖3。新風機組低溫表冷器的冷凍水供回水溫度7℃/12℃，新風由新風機組進行深度除濕后通過新風管道送入對應的室內空調機組，新風與回風混合后通過高溫表冷器（冷凍水供回水溫度15℃/20℃）等濕冷卻至送風狀態點，然后送入車間空調區域。

1新風段；2初中效過濾段；3表冷器段；4送風段

（a）新風機組

1回風段；2分流段；3新回風混合段；4初中效過濾段；5表冷器段；

6加熱器段；7加濕段；8送風段

（b）室內空調機組

空調系統溫濕度獨立控制夏季空氣處理焓濕圖如圖4所示，各狀態點參數如表3所示。

4 節能效果分析

儲絲間夏季空調送風溫差為4℃，總額定送風量為100000m3/h，新風比20%。下面分別給出傳統處理方式和溫濕度獨立控制的總能耗分析對比：

4.1 傳統空調系統總能耗

結合圖2和表2，從空調系統熱平衡關系分析，空調機組所需冷量包括：室內冷負荷、新風冷負荷和再熱冷負荷三部分。其中：

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

式中：Q1-室內冷負荷，kW；？籽-空氣密度，kg/m3，取1.2kg/m3[6]；q-機組額定送風量，m3/h；hN-室內狀態點空氣焓值，kJ/kg；hO-送風狀態點空氣焓值，kJ/kg。

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

式中：Q2-新風冷負荷，kW；hC-新回風混合后狀態點空氣焓值，kJ/kg。

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

式中：Q3-再熱冷負荷，kW；hS-再熱后狀態點空氣焓值，kJ/kg；hL-混風除濕后狀態點空氣焓值，kJ/kg。

則空調機組所需總冷量為：QCT=Q1+Q2+Q3=476.7kW

式中：QCT-總的冷負荷，即空調機組所需總冷量，kW。

空調機組所需總加濕量（即濕負荷）為：W=ρq（dO-dL）=1.2×100000×（16.2-11.7）÷1000=540kg/h

式中：W-總的濕負荷，即空調機組所需總加濕量，kW；dO-送風狀態點空氣含濕量，g/kg干；dL-新回風混合后狀態點空氣含濕量，g/kg干。

4.2 溫濕度獨立控制空調系統總能耗

結合圖4和表3，利用新風機組將新風處理到低于室內空氣的含濕量，新風機組（低溫冷源）承擔新風冷負荷、全部潛熱冷負荷和部分室內顯熱冷負荷。而室內空調機組換熱器（高溫冷源）僅承擔一部分室內顯熱冷負荷，實現等濕冷卻，從而改善室內空調機組衛生條件和防止水患。其中：

新風機組對新風處理所需冷量（新風冷負荷、全部潛熱冷負荷和部分室內顯熱冷負荷）：QX=20%ρq（hW-hL）=1.2×100000÷3600×（88.3-47.7）=270.7kW

式中：QX-新風處理所需冷量，kW；20%-新風比；hW-室外新風狀態點空氣焓值，kJ/kg；hL-室外新風除濕后狀態點空氣焓值，kJ/kg。

室內空調機組對空氣進行降溫處理所需冷量（部分室內顯熱冷負荷）：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-總的冷負荷，即空調機組所需總的冷量，kW。

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

5 結論

對儲絲間空調系統進行單獨設計，解決了卷煙廠工藝生產調配、節假日、停產檢修情況下動力中心運行效率低下，人力、物力浪費嚴重的問題。空調系統采用雙冷源溫濕度獨立控制方法，通過控制處理后的新風含濕量和新回風混合后的送風溫度，就可精確控制室內的溫濕度，有效解決了傳統空調系統再熱、再濕問題的存在，空調機組制冷除濕能耗下降23.6%，蒸汽消耗量減少540kg/h。

參考文獻

[1]張小芬，郜義軍，李先庭，等.卷煙廠空調系統及節能研究現狀[J].暖通空調，2011，41（11）：107-113.

[2]于建軍.卷煙工藝學（第二版）[M].北京：中國農業出版社，2009：155-157.

[3]劉曉華，江億，張濤，等.溫濕度獨立控制空調系統（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2013：4-5.

[4]王德吉，廉潔，王志國，等.基于單冷源空調系統的溫濕度獨立控制方法[J].煙草科技，2015，48（7）：86-91.

[5]石玉香.板管蒸發式冷凝熱水機組在某辦公綜合樓空調冷熱源選型的應用[J].節能，2014，1：56-58.

[6]YC/T24-1995卷煙廠空調機組[S].

作者簡介：解偉鵬（1986，8-），男，學歷：本科，主要從事空調自控系統調試與運行工作。