新風獨立處理系統在卷煙廠的應用及節能效果分析

胡 波，于魯海，黃春艷，程 作，韋發林，王寶龍

1.貴州中煙工業有限公司基建技改管理部，貴陽市友誼路25號 550001

2.清華大學建筑技術科學系，北京市海淀區清華園1號 100084

近年來隨著煙草行業的快速發展，卷煙工業企業每年產生較大生產能耗。針對此，國家煙草專賣局先后下發《關于煙草行業加強節能減排工作的實施意見》和《煙草行業年節能減排工作要點》，提出具體節能目標。在卷煙廠全年總能耗中，空調系統能耗占比30%～50%［1］，基本與生產能耗相當。其中，聯合工房是卷煙廠使用空調的主要對象，其負荷特點為內部發熱量大、人員密度小、濕負荷小、室內熱濕比大，因此成為空調能耗的重點區域。而目前空調系統大多采用傳統的一次回風處理技術，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］對卷煙廠不同分區的空氣處理流程以及一次回風系統中的冷熱抵消現象進行了分析。曾寧等［3］提出了基于變風量的機器露點送風控制策略，有效降低了能耗，節省了費用。張竑斌等［4］提出了變風量二次回風系統及其控制策略，并指出相對于一次回風系統，二次回風系統需要降低冷水機組提供的冷凍水溫度才能降低能耗。徐明等［5］研究發現機器露點送風的調節能力有限，且送風溫度低、風量小，存在風道和風口凝水等問題，導致二次回風系統控制效果差，由于卷煙廠空調系統回風含塵量較大，還可能會造成二次污染。近年來新風獨立處理系統在卷煙廠中的應用越來越多，主要采用溫濕分控技術對新風和回風分別處理，新風承擔所有濕負荷，室內回風承擔所有顯熱負荷，該系統可消除再熱，避免冷熱抵消，實現節能30%左右［6-8］。有研究表明，卷煙廠室內溫濕度高、新風比大，可以利用新風機組承擔系統除濕負荷［9］。卷煙廠濾棒成型車間空調系統采用溫濕分控模式后，與常規空氣處理模式相比，節能效果可達37%［10］。因此，溫濕度獨立處理是一種高效節能的空氣調節方法，適用于卷煙廠濕負荷小、室內發熱量大的生產環境。建筑熱環境設計模擬分析軟件平臺（簡稱DeST），可實現對建筑熱環境、設備性能等進行全年逐時的動態模擬分析，是對建筑設計、供熱通風、空氣調節系統進行模擬預測和性能優化的一種軟件工具［11］。為此，以貴定卷煙廠聯合工房為對象，基于DeST模擬軟件建立新風獨立處理系統并對夏季空調能耗情況進行分析，以期提高新風獨立系統在不同季節的應用合理性，降低卷煙廠空調系統能耗。

1 聯合工房模擬參數

貴定卷煙廠聯合工房呈“U”型布局，東西寬216 m，南北長199.15 m，建筑面積約48 040 m2，結構形式為混合結構建筑。該聯合工房包括卷接包車間、制絲車間、貯絲車間、輔料高架庫等，室內空氣溫濕度及最小新風量等設計參數見表1。

主要圍護結構傳熱系數參照經驗取值且滿足《公共建筑節能設計標準》［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，內墻采用加氣混凝土墻體。此外，參考文獻［9］確定主要車間室內設備及照明發熱量，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 聯合工房室內設計參數Tab.1 Indoor design parameters of major production building

表2 圍護結構傳熱系數Tab.2 Thermal parameters of envelop enclosure

2 負荷分析

2.1 全年負荷特性

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

圖1 貴定地區典型年份全年氣候數據Fig.1 Climate data of typical year in Guiding region

分析可見，貴定地區室外與室內溫度相差不大，因此卷煙廠冷負荷主要來源于室內設備和照明發熱量。根據收集到的氣候數據及主要設定參數，得到卷煙廠聯合工房全年負荷分布圖，見圖2。其中，正值表示熱負荷，負值表示冷負荷。由于聯合工房內部發熱量較大，造成其冷負荷大于熱負荷，且冷負荷持續時間較長，利用DeST軟件計算可得聯合工房冬季熱負荷為3 089 kW，夏季冷負荷為3 788 kW。

2.2 新風獨立系統與一次回風系統對比

由于聯合工房加熱、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荷進行分析。由圖3可見，傳統一次回風系統中室外新風（W）與室內回風（N）混合至C1點后，被處理至盤管露點（L1），然后被加熱至熱濕比ε線上的O1點，再輸送入室內；新風獨立系統中，新風承擔所有濕負荷，新風（W）被新風處理表冷盤管直接處理至機器露點（L2），當室內回風（N）被回風處理表冷盤管處理至N′點后，與L2點新風混合至O2點，沿著熱濕比ε線輸送入室內。

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

圖3 一次回風系統與新風獨立處理系統工作原理對比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）可計算出一次回風系統的實際能耗量，采用式（3）可計算出新風獨立系統中機組實際能耗量。

式中：Qc、Qh分別為系統耗冷量和耗熱量，kW；mf、mr分別為新風流量和回風流量，kg/s；hW為室外新風焓值，kJ/（kg干空氣）；hL1為一次回風系統混風經過表冷器后空氣焓值，kJ/（kg干空氣）；hN為室內回風焓值，kJ/（kg干空氣）；hO1為一次回風系統送風點送風焓值，kJ/（kg干空氣）；hL2為新風獨立系統的新風經過表冷器后空氣焓值，kJ/（kg干空氣）；hN'為新風獨立系統的室內回風處理終狀態點焓值，kJ/（kg干空氣）；hO2為新風獨立系統的送風狀態點焓值，kJ/（kg干空氣）。

若將兩個系統的露點（O1點與O2點）視為相同，對比式（1）與式（3），則一次回風系統比新風獨立系統多出一個能耗項mt（hO-hL），該能耗為一次回風系統的再熱能耗，即總風量與送風、機器露點焓差的乘積，這也是一次回風系統存在冷熱抵消的主要原因。

根據圖2中數據對夏季負荷進行逐時分析，可以得到一次回風系統與新風獨立系統的機組選型容量。選取兩個系統相同的新風比作為設計依據，設定送風溫度差為5 ℃，由于大多數車間未設置加濕處理，可認為熱濕比ε線接近于垂直。整個系統所需冷量可分為兩部分：一是除去室內冷負荷所需冷量，稱為室內負荷耗冷量；二是將新風處理到室內狀態點，即處理新風負荷所需冷量，稱為新風負荷耗冷量。由于一次回風系統存在再熱現象，機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。

室內負荷耗冷量與新風負荷耗冷量之和，即為新風獨立系統機組實際所需冷量，而室內負荷耗冷量、新風負荷耗冷量以及再熱等效耗冷量之和，則為一次回風系統機組實際所需冷量。因此，選取最大所需冷量作為機組選型容量并對其進行劃分。結果顯示，一次回風系統機組選型容量為5 237 kW，其中室內負荷耗冷量2 661 kW，新風負荷耗冷量1 127 kW，再熱等效耗冷量1 449 kW，再熱占比為27.6%。而采用新風獨立系統，機組選型容量為3 788 kW即可滿足生產要求。

2.3 新風獨立系統結構

結合貴定卷煙廠實際情況，設計了一種采用雙溫冷水機組的新風獨立處理系統，包括高溫和常規兩種冷水機組，見圖4。室內房間的回風經過回風風機和回風道進入回風空調箱，回風空調箱表冷器使用的是高溫冷水機組所提供的高溫冷凍水，冷凍水溫度高于回風露點溫度，多為16～20 ℃，回風經過回風空調箱表冷器后被等濕降溫。新風經過新風道進入新風空調箱，新風空調箱使用的是常規冷水機組所提供的冷凍水，冷凍水溫度低于新風露點溫度，多為7 ℃，新風經過新風空調箱表冷器后被降溫降濕。回風空調箱出口回風與新風空調箱出口新風混合后，經過送風機送入室內，通過控制新風量和新風除濕量，可以使新風承擔室內所有濕負荷，并使回風與新風混合后的送風能夠滿足室內的狀態點。

圖4 雙溫冷水機組系統結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of 2-temperature cooling water unit

新風在除去濕負荷的同時還能除去部分室內顯熱負荷，因此只要室內顯熱負荷大于新風所承擔的顯熱負荷，即可保證新風獨立系統正常運轉，適用于卷煙廠室內濕負荷小而顯熱負荷大的生產狀況。對于新風獨立系統，采用雙溫冷水機組的能效高于常規冷水機組，并可避免一次回風系統的再熱再濕問題，節能效果顯著。

3 節能效果

取典型年份夏季6月1日—9月30日用于計算負荷，室內負荷取圖2中數據，將雙溫冷水機組與常規冷水機組進行能耗對比測試。其中，常規冷水機組能效計算公式為：

式（4）～式（8）中：Qc、Qe分別為機組冷凝器放熱量和制冷量，kW；m1、m2分別為機組冷卻水流量和冷凍水流量，kg/s；tc1、tc2分別為機組冷卻水進出水溫度，℃；te1、te2分別為機組冷凍水進出水溫度，℃；Q為機組額定制冷量，kW；η為機組負荷率，%；W為機組的輸入功率，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。

對常規冷水機組不同負荷率下機組COP數據進行擬合，得到擬合曲線，見圖5。對于高溫冷水機組，供水溫度在16～18 ℃之間，參考常規冷水機組12 ℃進水、7 ℃出水的原則，出水溫度每增加1 ℃，機組COP提升約3%。高溫冷水機組的出水溫度平均比常規冷水機組高10 ℃左右，因此各負荷率下高溫冷水機組的COP均按提升30%計算。

圖5 常規冷水機組能效測試Fig.5 Coefficient of performance test of conventional cooling water unit

基于以上COP數據，采用兩種方式進行夏季能耗對比。一是常規冷水機組，機組選型容量5 300 kW；二是雙溫冷水機組，即高溫冷水機組+新風用常規冷水機組，高溫冷水機組選型容量2 700 kW，常規冷水機組選型容量1 200 kW。其中，雙溫冷水機組能耗與節能量之和為方式一的實際能耗量。由圖6可見，采用常規冷水機組，夏季能耗為108.6萬kW·h；采用雙溫冷水機組，夏季能耗為68萬kW·h，節能率達到37.3%。

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

4 結論

基于貴定卷煙廠聯合工房實際情況，采用DeST模擬軟件設計了一種采用雙溫冷水機組的新風獨立處理系統，能夠將濕負荷與顯熱負荷解耦處理，利用新風承擔所有濕負荷，利用回風承擔室內顯熱負荷，有效解決了濕負荷小而顯熱負荷大、一次回風系統產生再熱等問題。取典型年份6月1日—9月30日的夏季工況，將雙溫冷水機組與常規冷水機組進行能耗對比測試，結果表明：①一次回風系統機組選型容量為5 237 kW，新風獨立系統機組選型容量為3 788 kW，降低再熱負荷27.6%；②常規冷水機組的夏季能耗為108.6萬kW·h，高溫冷水機組+新風用常規冷水機組的雙溫冷水機組的夏季能耗為68萬kW·h，節能率達到37.3%，有效提升了空調系統運行效率。因此，新風獨立處理系統結合雙溫冷水機組對于節能減排效果顯著。