新风独立处理系统在卷烟厂的应用及节能效果分析

胡 波，于鲁海，黄春艳，程 作，韦发林，王宝龙

1.贵州中烟工业有限公司基建技改管理部，贵阳市友谊路25号 550001

2.清华大学建筑技术科学系，北京市海淀区清华园1号 100084

近年来随着烟草行业的快速发展，卷烟工业企业每年产生较大生产能耗。针对此，国家烟草专卖局先后下发《关于烟草行业加强节能减排工作的实施意见》和《烟草行业年节能减排工作要点》，提出具体节能目标。在卷烟厂全年总能耗中，空调系统能耗占比30%～50%［1］，基本与生产能耗相当。其中，联合工房是卷烟厂使用空调的主要对象，其负荷特点为内部发热量大、人员密度小、湿负荷小、室内热湿比大，因此成为空调能耗的重点区域。而目前空调系统大多采用传统的一次回风处理技术，在热湿处理过程中存在冷热抵消、再热能耗高等问题。对于此问题，张竑斌等［2］对卷烟厂不同分区的空气处理流程以及一次回风系统中的冷热抵消现象进行了分析。曾宁等［3］提出了基于变风量的机器露点送风控制策略，有效降低了能耗，节省了费用。张竑斌等［4］提出了变风量二次回风系统及其控制策略，并指出相对于一次回风系统，二次回风系统需要降低冷水机组提供的冷冻水温度才能降低能耗。徐明等［5］研究发现机器露点送风的调节能力有限，且送风温度低、风量小，存在风道和风口凝水等问题，导致二次回风系统控制效果差，由于卷烟厂空调系统回风含尘量较大，还可能会造成二次污染。近年来新风独立处理系统在卷烟厂中的应用越来越多，主要采用温湿分控技术对新风和回风分别处理，新风承担所有湿负荷，室内回风承担所有显热负荷，该系统可消除再热，避免冷热抵消，实现节能30%左右［6-8］。有研究表明，卷烟厂室内温湿度高、新风比大，可以利用新风机组承担系统除湿负荷［9］。卷烟厂滤棒成型车间空调系统采用温湿分控模式后，与常规空气处理模式相比，节能效果可达37%［10］。因此，温湿度独立处理是一种高效节能的空气调节方法，适用于卷烟厂湿负荷小、室内发热量大的生产环境。建筑热环境设计模拟分析软件平台（简称DeST），可实现对建筑热环境、设备性能等进行全年逐时的动态模拟分析，是对建筑设计、供热通风、空气调节系统进行模拟预测和性能优化的一种软件工具［11］。为此，以贵定卷烟厂联合工房为对象，基于DeST模拟软件建立新风独立处理系统并对夏季空调能耗情况进行分析，以期提高新风独立系统在不同季节的应用合理性，降低卷烟厂空调系统能耗。

1 联合工房模拟参数

贵定卷烟厂联合工房呈“U”型布局，东西宽216 m，南北长199.15 m，建筑面积约48 040 m2，结构形式为混合结构建筑。该联合工房包括卷接包车间、制丝车间、贮丝车间、辅料高架库等，室内空气温湿度及最小新风量等设计参数见表1。

主要围护结构传热系数参照经验取值且满足《公共建筑节能设计标准》［12］，见表2。其中，窗户采用热性铝合金中空玻璃窗，屋顶采用混凝土面板加聚苯乙烯，外墙采用钢筋混凝土加膨胀聚苯板保温层，内墙采用加气混凝土墙体。此外，参考文献［9］确定主要车间室内设备及照明发热量，制丝车间80 W/m2，卷接包车间100 W/m2，其他车间均按14 W/m2计算。

表1 联合工房室内设计参数Tab.1 Indoor design parameters of major production building

表2 围护结构传热系数Tab.2 Thermal parameters of envelop enclosure

2 负荷分析

2.1 全年负荷特性

采用DeST模拟软件对全年冷热负荷进行模拟分析。由于贵定地区全年气候数据不够充分，故选取与贵定毗邻且纬度接近的贵阳作为全年气候基准，其典型年份全年日平均干球温度和含湿量见图1。可见，贵定属于夏热冬冷地区，全年气温基本在0 ℃以上。

图1 贵定地区典型年份全年气候数据Fig.1 Climate data of typical year in Guiding region

分析可见，贵定地区室外与室内温度相差不大，因此卷烟厂冷负荷主要来源于室内设备和照明发热量。根据收集到的气候数据及主要设定参数，得到卷烟厂联合工房全年负荷分布图，见图2。其中，正值表示热负荷，负值表示冷负荷。由于联合工房内部发热量较大，造成其冷负荷大于热负荷，且冷负荷持续时间较长，利用DeST软件计算可得联合工房冬季热负荷为3 089 kW，夏季冷负荷为3 788 kW。

2.2 新风独立系统与一次回风系统对比

由于联合工房加热、加湿工况可与夏季供冷分开处理，且夏季供冷量较大，因此本研究中主要对夏季冷负荷进行分析。由图3可见，传统一次回风系统中室外新风（W）与室内回风（N）混合至C1点后，被处理至盘管露点（L1），然后被加热至热湿比ε线上的O1点，再输送入室内；新风独立系统中，新风承担所有湿负荷，新风（W）被新风处理表冷盘管直接处理至机器露点（L2），当室内回风（N）被回风处理表冷盘管处理至N′点后，与L2点新风混合至O2点，沿着热湿比ε线输送入室内。

图2 卷烟厂联合工房全年负荷分布Fig.2 Annual heating and cooling loads of major production building in tobacco factory

图3 一次回风系统与新风独立处理系统工作原理对比Fig.3 Comparison of working principles between conventional recycling air system and independent fresh air processing system

在此过程中，采用式（1）和式（2）可计算出一次回风系统的实际能耗量，采用式（3）可计算出新风独立系统中机组实际能耗量。

式中：Qc、Qh分别为系统耗冷量和耗热量，kW；mf、mr分别为新风流量和回风流量，kg/s；hW为室外新风焓值，kJ/（kg干空气）；hL1为一次回风系统混风经过表冷器后空气焓值，kJ/（kg干空气）；hN为室内回风焓值，kJ/（kg干空气）；hO1为一次回风系统送风点送风焓值，kJ/（kg干空气）；hL2为新风独立系统的新风经过表冷器后空气焓值，kJ/（kg干空气）；hN'为新风独立系统的室内回风处理终状态点焓值，kJ/（kg干空气）；hO2为新风独立系统的送风状态点焓值，kJ/（kg干空气）。

若将两个系统的露点（O1点与O2点）视为相同，对比式（1）与式（3），则一次回风系统比新风独立系统多出一个能耗项mt（hO-hL），该能耗为一次回风系统的再热能耗，即总风量与送风、机器露点焓差的乘积，这也是一次回风系统存在冷热抵消的主要原因。

根据图2中数据对夏季负荷进行逐时分析，可以得到一次回风系统与新风独立系统的机组选型容量。选取两个系统相同的新风比作为设计依据，设定送风温度差为5 ℃，由于大多数车间未设置加湿处理，可认为热湿比ε线接近于垂直。整个系统所需冷量可分为两部分：一是除去室内冷负荷所需冷量，称为室内负荷耗冷量；二是将新风处理到室内状态点，即处理新风负荷所需冷量，称为新风负荷耗冷量。由于一次回风系统存在再热现象，机组需要额外付出一部分冷量去抵消再热量，这部分冷量称为再热等效耗冷量。

室内负荷耗冷量与新风负荷耗冷量之和，即为新风独立系统机组实际所需冷量，而室内负荷耗冷量、新风负荷耗冷量以及再热等效耗冷量之和，则为一次回风系统机组实际所需冷量。因此，选取最大所需冷量作为机组选型容量并对其进行划分。结果显示，一次回风系统机组选型容量为5 237 kW，其中室内负荷耗冷量2 661 kW，新风负荷耗冷量1 127 kW，再热等效耗冷量1 449 kW，再热占比为27.6%。而采用新风独立系统，机组选型容量为3 788 kW即可满足生产要求。

2.3 新风独立系统结构

结合贵定卷烟厂实际情况，设计了一种采用双温冷水机组的新风独立处理系统，包括高温和常规两种冷水机组，见图4。室内房间的回风经过回风风机和回风道进入回风空调箱，回风空调箱表冷器使用的是高温冷水机组所提供的高温冷冻水，冷冻水温度高于回风露点温度，多为16～20 ℃，回风经过回风空调箱表冷器后被等湿降温。新风经过新风道进入新风空调箱，新风空调箱使用的是常规冷水机组所提供的冷冻水，冷冻水温度低于新风露点温度，多为7 ℃，新风经过新风空调箱表冷器后被降温降湿。回风空调箱出口回风与新风空调箱出口新风混合后，经过送风机送入室内，通过控制新风量和新风除湿量，可以使新风承担室内所有湿负荷，并使回风与新风混合后的送风能够满足室内的状态点。

图4 双温冷水机组系统结构示意图Fig.4 Schematic diagram of structure of 2-temperature cooling water unit

新风在除去湿负荷的同时还能除去部分室内显热负荷，因此只要室内显热负荷大于新风所承担的显热负荷，即可保证新风独立系统正常运转，适用于卷烟厂室内湿负荷小而显热负荷大的生产状况。对于新风独立系统，采用双温冷水机组的能效高于常规冷水机组，并可避免一次回风系统的再热再湿问题，节能效果显著。

3 节能效果

取典型年份夏季6月1日—9月30日用于计算负荷，室内负荷取图2中数据，将双温冷水机组与常规冷水机组进行能耗对比测试。其中，常规冷水机组能效计算公式为：

式（4）～式（8）中：Qc、Qe分别为机组冷凝器放热量和制冷量，kW；m1、m2分别为机组冷却水流量和冷冻水流量，kg/s；tc1、tc2分别为机组冷却水进出水温度，℃；te1、te2分别为机组冷冻水进出水温度，℃；Q为机组额定制冷量，kW；η为机组负荷率，%；W为机组的输入功率，kW；COP（Coefficient of Performance）表示制热量或制冷量与输入功率的比值；20%表示测试误差。

对常规冷水机组不同负荷率下机组COP数据进行拟合，得到拟合曲线，见图5。对于高温冷水机组，供水温度在16～18 ℃之间，参考常规冷水机组12 ℃进水、7 ℃出水的原则，出水温度每增加1 ℃，机组COP提升约3%。高温冷水机组的出水温度平均比常规冷水机组高10 ℃左右，因此各负荷率下高温冷水机组的COP均按提升30%计算。

图5 常规冷水机组能效测试Fig.5 Coefficient of performance test of conventional cooling water unit

基于以上COP数据，采用两种方式进行夏季能耗对比。一是常规冷水机组，机组选型容量5 300 kW；二是双温冷水机组，即高温冷水机组+新风用常规冷水机组，高温冷水机组选型容量2 700 kW，常规冷水机组选型容量1 200 kW。其中，双温冷水机组能耗与节能量之和为方式一的实际能耗量。由图6可见，采用常规冷水机组，夏季能耗为108.6万kW·h；采用双温冷水机组，夏季能耗为68万kW·h，节能率达到37.3%。

图6 夏季两种方式机组能耗对比Fig.6 Comparison of energy consumption between two methods in summer

4 结论

基于贵定卷烟厂联合工房实际情况，采用DeST模拟软件设计了一种采用双温冷水机组的新风独立处理系统，能够将湿负荷与显热负荷解耦处理，利用新风承担所有湿负荷，利用回风承担室内显热负荷，有效解决了湿负荷小而显热负荷大、一次回风系统产生再热等问题。取典型年份6月1日—9月30日的夏季工况，将双温冷水机组与常规冷水机组进行能耗对比测试，结果表明：①一次回风系统机组选型容量为5 237 kW，新风独立系统机组选型容量为3 788 kW，降低再热负荷27.6%；②常规冷水机组的夏季能耗为108.6万kW·h，高温冷水机组+新风用常规冷水机组的双温冷水机组的夏季能耗为68万kW·h，节能率达到37.3%，有效提升了空调系统运行效率。因此，新风独立处理系统结合双温冷水机组对于节能减排效果显著。