双冷源温湿度独立控制系统在卷烟厂的节能应用分析

解伟鹏+马黎军

摘 要：为减少卷烟厂空调系统运行能耗和提高动力中心运行效率，对储丝间空调系统进行改造，提出一种基于双冷源的温湿度独立控制空调系统。结果表明，采用双冷源温湿度独立控制方法，避免了传统空调再热和再湿造成的能源浪费问题，空调机组除湿能耗下降23.6%，蒸汽消耗量减少540kg/h。

关键词：双冷源；温湿度；独立控制；卷烟厂；储丝间；节能

引言

卷烟厂空调系统具有面积大、设备发热量大、产湿量小和风量大等特点，根据相关文献，空调设备的全年运行能耗约占全厂总能耗的30%～50%[1]。因此，需要结合卷烟厂空调系统的特点寻找合适的节能方法和途径。

本文根据储丝间在卷烟生产过程中的重要作用，并考虑动力中心运行的合理性和节能性，将储丝间空调系统从原有卷烟厂空调系统中单独分离出来，并提出一种双冷源温湿度独立控制空调系统，在确保烟丝质量的条件下，可有效避免动力中心在低效率状态下运行，以解决传统空调系统存在的问题，从而提高空调系统的适应性，并达到一定的节能效果。

1 问题分析

1.1 卷烟厂空调系统特点及存在问题

相比于民用建筑空调，卷烟厂空调系统具有热负荷大，湿负荷小，热湿比趋近正无穷大（+∞），空气露点高等特点。由表1可知[1]，不同卷烟工艺流程的热湿负荷特点及温湿度环境要求各不相同。通常，动力中心制冷站冷水供水温度根据卷接包等恒温恒湿车间冷水需求温度进行调控，其他车间温湿度控制则通过调节表冷阀和再热阀进行实现，这就造成了表冷阀和再热阀开度调节频繁，表冷器和加热器换热效率降低，再热再湿现象严重等问题。

1.2 储丝间卷烟生产工艺特点及存在问题

卷烟工艺流程依次为烟叶处理、叶丝加工、梗丝加工、掺配加香、膨胀烟丝、卷接和包装等[2]。通常，为保证烟丝水分与温度均匀稳定，香精混合充分和渗透均匀，制好的烟丝需在储丝间存放一段时间后再进行卷接和包装。在实际生产中为保证烟丝的产品质量，储丝间空调设备需常年运行，但由于工艺生产调配、节假日、停产检修等客观因素，大部分车间停工的情况下，动力中心还需开启制冷机、锅炉等系统用于维持储丝间的温湿度，致使动力中心完全处于大马拉小车状态，运行效率处于很低状态，同时还需要安排相应的运行维护人员进行值班管理，造成了人力、物力上的浪费。

2 储丝间常规空调系统处理方法

基于以上分析，对某卷烟厂储丝房空调系统进行改造升级，以解决相关问题。该储丝间采用集中式空调系统，冷源由集中制冷站提供冷水，热源由锅炉房提供饱和蒸汽。空调系统采用典型的一次回风全空气系统，空气由组合式空调机组集中处理后送入各车间。

由于卷烟工艺生产要求恒温恒湿环境，该储丝间全年温湿度设计参数为：温度28±2℃，相对湿度70±5%，空调设计送风量100000m3/h，新风比20%，并配置有西门子S7-300PLC控制器，空调机组各功能段如图1所示。

该空调系统采用表冷器进行冷却和除湿，即先将空气降温到饱和状态达到露点温度后再继续降温进行除湿。由于采用了热湿耦合处理的方式，为了满足除湿需求，冷源温度受到室内空气露点温度的限制，通常为7～9℃，而若只是进行排除余热的过程，只需要温度为15～18℃的冷源就可满足要求。因此，导致占空调总负荷一半以上的显热负荷（约占空调总负荷的50%～70%）本可采用高温冷源（15～18℃）排走热量冷却与除湿（约占空调总负荷的30%～50%）一起共用低温冷源（7～9℃）进行处理，造成能量利用品位上的浪费，限制了自然冷源的利用和制冷设备效率的提高[3]。

此外，由于储丝间相对密闭，夏季空调冷负荷较小[4]，空调系统对空气进行表冷除湿后，还需经过再加热和再加湿过程才能使空气达到送风状态点，造成冷热抵消及除湿加湿抵消问题严重，进一步造成了能源的浪费和损失。

传统空调系统夏季空气处理焓湿图如图2所示，各状态点参数如表2所示。

3 温湿度独立控制设计方案

考虑到储丝间和动力中心运行的合理性和节能性，对储丝间空调系统单独设计，原有水路管路均作废，并在利用原有室内空调机组的基础上，增加一套新风机组和高/低温蒸发冷却式冷热水机组，利用低温冷源承担空调潜热负荷（对新风进行降温除湿），利用高温冷源承担空调显热负荷。

3.1 冷热源方案

相比风冷热泵机组，蒸发冷却式冷热水机组运行费用有较大幅度的降低，具有更明显的节能优势，故本项目冷热源采用蒸发冷却式冷热水机组[5]。其中，选用2台低温蒸发冷却式涡旋冷热水机组，夏季供回水温度为7℃/12℃，冬季供回水温度为45℃/40℃，单台制冷量为152kW，制热量为70kW，COP为4.22；选用1台高温蒸发冷却式涡旋冷热水机组，夏季供回水温度为15℃/20℃，冬季供回水温度为45℃/40℃，制冷量为115kW，制热量为41kW，COP为4.71。

3.2 空气处理方案

储丝车间原有室内空调机组不作变动，新增加一套新风机组，空调机组功能段图详见图3。新风机组低温表冷器的冷冻水供回水温度7℃/12℃，新风由新风机组进行深度除湿后通过新风管道送入对应的室内空调机组，新风与回风混合后通过高温表冷器（冷冻水供回水温度15℃/20℃）等湿冷却至送风状态点，然后送入车间空调区域。

1新风段；2初中效过滤段；3表冷器段；4送風段

（a）新风机组

1回风段；2分流段；3新回风混合段；4初中效过滤段；5表冷器段；

6加热器段；7加湿段；8送风段

（b）室内空调机组

空调系统温湿度独立控制夏季空气处理焓湿图如图4所示，各状态点参数如表3所示。

4 节能效果分析

储丝间夏季空调送风温差为4℃，总额定送风量为100000m3/h，新风比20%。下面分别给出传统处理方式和温湿度独立控制的总能耗分析对比：

4.1 传统空调系统总能耗

结合图2和表2，从空调系统热平衡关系分析，空调机组所需冷量包括：室内冷负荷、新风冷负荷和再热冷负荷三部分。其中：

室内冷负荷为：Q1=ρq（hN-hO）=1.2×100000÷3600×（71.0-65.5）=183.3kW

式中：Q1-室内冷负荷，kW；？籽-空气密度，kg/m3，取1.2kg/m3[6]；q-机组额定送风量，m3/h；hN-室内状态点空气焓值，kJ/kg；hO-送风状态点空气焓值，kJ/kg。

新风冷负荷为：Q2=ρq（hC-hN）=1.2×100000÷3600×（74.5-71.0）=116.7kW

式中：Q2-新风冷负荷，kW；hC-新回风混合后状态点空气焓值，kJ/kg。

再热冷负荷为：Q3=ρq（hS-hL）=1.2×100000÷3600×（53.0-47.7）=176.7kW

式中：Q3-再热冷负荷，kW；hS-再热后状态点空气焓值，kJ/kg；hL-混风除湿后状态点空气焓值，kJ/kg。

则空调机组所需总冷量为：QCT=Q1+Q2+Q3=476.7kW

式中：QCT-总的冷负荷，即空调机组所需总冷量，kW。

空调机组所需总加湿量（即湿负荷）为：W=ρq（dO-dL）=1.2×100000×（16.2-11.7）÷1000=540kg/h

式中：W-总的湿负荷，即空调机组所需总加湿量，kW；dO-送风状态点空气含湿量，g/kg干；dL-新回风混合后状态点空气含湿量，g/kg干。

4.2 温湿度独立控制空调系统总能耗

结合图4和表3，利用新风机组将新风处理到低于室内空气的含湿量，新风机组（低温冷源）承担新风冷负荷、全部潜热冷负荷和部分室内显热冷负荷。而室内空调机组换热器（高温冷源）仅承担一部分室内显热冷负荷，实现等湿冷却，从而改善室内空调机组卫生条件和防止水患。其中：

新风机组对新风处理所需冷量（新风冷负荷、全部潜热冷负荷和部分室内显热冷负荷）：QX=20%ρq（hW-hL）=1.2×100000÷3600×（88.3-47.7）=270.7kW

式中：QX-新风处理所需冷量，kW；20%-新风比；hW-室外新风状态点空气焓值，kJ/kg；hL-室外新风除湿后状态点空气焓值，kJ/kg。

室内空调机组对空气进行降温处理所需冷量（部分室内显热冷负荷）：QS=ρq（hC-hO）=1.2×100000÷3600×（68.3-65.5）=93.3kW

则总冷量为：QWS=QX+QS=364.0kW

式中：QWS-总的冷负荷，即空调机组所需总的冷量，kW。

综上所述，采用温湿度独立控制空调系统可有效避免再热和再湿的能源浪费，除湿节能效率为：η=（QCT-QWS）/QCT×100%=（476.7-364.0）/476.7×100%=23.6%，蒸汽节约540kg/h。

5 结论

对储丝间空调系统进行单独设计，解决了卷烟厂工艺生产调配、节假日、停产检修情况下动力中心运行效率低下，人力、物力浪费严重的问题。空调系统采用双冷源温湿度独立控制方法，通过控制处理后的新風含湿量和新回风混合后的送风温度，就可精确控制室内的温湿度，有效解决了传统空调系统再热、再湿问题的存在，空调机组制冷除湿能耗下降23.6%，蒸汽消耗量减少540kg/h。

参考文献

[1]张小芬，郜义军，李先庭，等.卷烟厂空调系统及节能研究现状[J].暖通空调，2011，41（11）：107-113.

[2]于建军.卷烟工艺学（第二版）[M].北京：中国农业出版社，2009：155-157.

[3]刘晓华，江亿，张涛，等.温湿度独立控制空调系统（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2013：4-5.

[4]王德吉，廉洁，王志国，等.基于单冷源空调系统的温湿度独立控制方法[J].烟草科技，2015，48（7）：86-91.

[5]石玉香.板管蒸发式冷凝热水机组在某办公综合楼空调冷热源选型的应用[J].节能，2014，1：56-58.

[6]YC/T24-1995卷烟厂空调机组[S].

作者简介：解伟鹏（1986，8-），男，学历：本科，主要从事空调自控系统调试与运行工作。