基于TRNSYS的茯磚茶生產(chǎn)工藝能源系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保特性研究

杜江凌 南曉紅 王贊社 寧旭昊

(1 西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710055；2 西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院 西安 710049；3 浙江西安交通大學(xué)研究院 杭州 311200)

我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)、栽培、利用茶葉的國家。涇陽茯磚茶因能長(zhǎng)出有利于人體健康的“金花菌”，深受人們喜愛。[1]“金花菌”生產(chǎn)的關(guān)鍵在于茯磚茶的發(fā)酵工藝。目前研究表明，溫度、濕度是控制發(fā)酵的最主要因素。經(jīng)過發(fā)酵工藝的茯磚茶，在去除多余水分的同時(shí)，需形成茶葉的不同感官品質(zhì)[2]，所以要在保證“金花菌”不被破壞的前提下，為茯磚茶提供一個(gè)高溫低濕的環(huán)境，對(duì)茯磚茶進(jìn)行干燥。

近年來，隨著消費(fèi)者健康意識(shí)的增加，茶葉加工技術(shù)向綠色環(huán)保、低耗節(jié)能發(fā)展。利用煤炭、木材等傳統(tǒng)能源加工已經(jīng)不能滿足茯磚茶工藝清潔化、標(biāo)準(zhǔn)化、連續(xù)化乃至智能化的發(fā)展要求[2]?？諝庠礋岜靡蚬?jié)能環(huán)保、熱效率高的特性而備受重視。在空氣源熱泵的能耗研究領(lǐng)域中，曲明璐等[3]對(duì)復(fù)疊式空氣源熱泵在相變蓄能除霜的過程中的能耗進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，可采取優(yōu)化室外機(jī)結(jié)構(gòu)、減小室外換熱器體積及使融化水盡快從室外換熱器壁面排走等措施來提高除霜效率；Jin Baohong等[4]對(duì)不同室外氣象參數(shù)下茯磚茶烘房的節(jié)能運(yùn)行策略進(jìn)行研究，分析得到半封閉式熱泵系統(tǒng)比封閉式熱泵系統(tǒng)的能量效率高30.8%～55.8%。Duan Quancheng等[5]對(duì)隧道式食品烘房熱泵干燥系統(tǒng)與熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的能耗進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，與熱風(fēng)干燥系統(tǒng)相比，熱泵干燥系統(tǒng)的能耗降低32.55%，節(jié)能作用顯著。靳成成等[6]對(duì)采用變回水溫度控制策略的空氣源熱泵機(jī)組的能耗進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，變回水溫度工況與傳統(tǒng)采用定12 ℃回水溫度的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比，COP由3.99提高至4.39。

日漸上升的銷量對(duì)茶葉的品質(zhì)有了更高的要求。研究不同的茯磚茶發(fā)酵、干燥生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用中系統(tǒng)的適用性與節(jié)能減排特性具有一定的指導(dǎo)意義。本文從咸陽某茯磚茶廠實(shí)際使用的空氣源熱泵系統(tǒng)出發(fā)，建立了對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型以及TRNSYS仿真模型，研究了全年各典型工況下茯磚茶烘房溫濕度穩(wěn)定性，確定現(xiàn)有空氣源熱泵系統(tǒng)對(duì)不同季節(jié)茯磚茶發(fā)酵、干燥工藝的適用性；在空氣源熱泵系統(tǒng)的適用季節(jié)，對(duì)照該生產(chǎn)廠房早期使用的燃?xì)忮仩t系統(tǒng)全年運(yùn)行特性，對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保特性進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)構(gòu)造與工作模式

某茯磚茶烘房位于陜西咸陽，為研究能夠產(chǎn)業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)型茯磚茶生產(chǎn)烘房，該烘房位于兩層生產(chǎn)廠房二樓內(nèi)，廠房二層建筑面積為1 908.5 m2，烘房全年無太陽輻射，尺寸為11.35 m×3.85 m×3.50 m(長(zhǎng)×寬×高)，且四面無窗。烘房的建筑模型如圖1所示。

1送風(fēng)孔板；2茶磚；3茶磚貨架；4回風(fēng)風(fēng)管；5送風(fēng)風(fēng)機(jī)；6空氣源熱泵機(jī)組；7靜壓箱。圖1 烘房模型Fig.1 Drying room model

根據(jù)茯磚茶的生產(chǎn)工藝以及相關(guān)研究[7]，在茯磚茶發(fā)酵過程中，“金花菌”的生長(zhǎng)需要恒溫恒濕的環(huán)境，干燥過程中為防止茯磚茶水分散失過快造成外表面殼化，使茶磚內(nèi)部水分無法散失而出現(xiàn)“金花菌”霉化現(xiàn)象，工藝上采用梯度升溫的方法來保證茯磚茶的質(zhì)量。烘房室內(nèi)溫濕度設(shè)定值上下限如圖2所示，其中發(fā)酵期為13 d，干燥期為12 d。

圖2 茶磚生產(chǎn)工藝溫濕度設(shè)定值與上下限Fig.2 Setting and upper and lower limits of temperature and humidity in tea brick production process

茯磚茶空氣源熱泵發(fā)酵、干燥系統(tǒng)由空氣源熱泵機(jī)組、濕膜加濕器以及茯磚茶烘房三部分組成，如圖3所示。通過獨(dú)立的濕度控制過程與制熱過程的相互配合，實(shí)現(xiàn)烘房?jī)?nèi)溫濕度的獨(dú)立控制，維持茯磚茶發(fā)酵和干燥兩個(gè)階段的環(huán)境需求。濕度控制過程由回風(fēng)加濕和新風(fēng)除濕兩個(gè)獨(dú)立的過程構(gòu)成，當(dāng)控制器檢測(cè)到(工藝設(shè)定值-回風(fēng)濕度)>10%時(shí)，開啟濕膜加濕器，對(duì)回風(fēng)進(jìn)行加濕處理，反之，當(dāng)(工藝設(shè)定值-回風(fēng)濕度)<0時(shí)，控制器會(huì)關(guān)閉濕膜加濕器，回風(fēng)直接進(jìn)入空氣源熱泵機(jī)組，此時(shí)回風(fēng)將分為兩部分，一部分通過板式顯熱交換器，與新風(fēng)進(jìn)行顯熱交換后通過排風(fēng)風(fēng)機(jī)排出熱泵機(jī)組；另一部分回風(fēng)與預(yù)熱后的新風(fēng)混合，由于新風(fēng)的含濕量較低，與回風(fēng)混合后可有效降低回風(fēng)的含濕量，從而達(dá)到除濕的目的。制熱過程是通過將經(jīng)過濕度處理的送風(fēng)氣流與空氣源熱泵系統(tǒng)的冷凝器接觸，使送風(fēng)氣流吸熱升溫，達(dá)到發(fā)酵、干燥所需要的送風(fēng)溫度后送至烘房之中。系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。

1送風(fēng)孔板；2靜壓箱；3回風(fēng)口；4回風(fēng)風(fēng)管；5濕膜加濕器；6板式顯熱交換器；7送風(fēng)風(fēng)機(jī)；8空氣過濾器；9冷凝器；10蒸發(fā)器；11節(jié)流閥；12壓縮機(jī)；13送風(fēng)風(fēng)管；14空氣源側(cè)風(fēng)機(jī)。圖3 空氣源熱泵系統(tǒng)原理Fig.3 Principle of air-source heat pump system

表1 主要設(shè)備參數(shù)Tab.1 Main equipment parameters

2 TRNSYS模型的建立

TRNSYS中搭建的系統(tǒng)是基于各部件的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行的仿真模擬計(jì)算，通過建立設(shè)備模塊之間的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)信號(hào)、能量、物質(zhì)的傳遞。在仿真計(jì)算過程中保證各部件的數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確至關(guān)重要。

1)空氣源熱泵模型

空氣源熱泵在系統(tǒng)中主要功能為加熱送風(fēng)氣流，在制熱工況時(shí)，TRNSYS軟件根據(jù)熱泵空氣源側(cè)入口空氣溫度、負(fù)荷側(cè)入口空氣溫度和流量，調(diào)用由用戶提供的數(shù)據(jù)文件中的制熱量和功率，得出熱泵機(jī)組冷凝器側(cè)空氣出口溫度，具體計(jì)算公式如下。

空氣源熱泵制熱工況下空氣側(cè)吸熱量：

Qa=QAHP-Pcom

(1)

空氣源熱泵制熱工況下冷凝器側(cè)出口空氣溫度：

(2)

式中：QAHP為空氣源熱泵制熱量，kJ/h；Pcom為空氣源熱泵功耗，kJ/h；Qa為空氣源熱泵蒸發(fā)器從空氣源側(cè)提取的熱量，kJ/h；Ta,in、Ta,out分別為冷凝器側(cè)進(jìn)、出口空氣溫度，℃；mair為冷凝器側(cè)換熱介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/h；cp,a為空氣的定壓比熱容, kJ/(kg·K)。

2)顯熱交換器模型

顯熱交換器可將排風(fēng)中的能量加以回收利用，提高能量利用效率達(dá)到節(jié)能目的。該模型通過顯熱換熱效率對(duì)能量回收量進(jìn)行控制。

新風(fēng)側(cè)顯熱換熱量：

Qfr,sens=mfrcp,a(Tfr,out-Tfr,in)

(3)

排風(fēng)側(cè)顯熱換熱量：

Qex,sens=mexcp,a(Tex,in-Tex,out)

(4)

理論最大顯熱交換量：

Qsens,max=cmin(Tex,in-Tfr,in)

(5)

顯熱換熱效率：

(6)

式中：mex、mfr分別為顯熱交換器中排風(fēng)和新風(fēng)的質(zhì)量流量，kg/h；cmin為最小熱容，kJ/(h·K)；Tfr,in、Tfr,out分別為顯熱交換器中新風(fēng)進(jìn)出口空氣溫度，℃；Tex,in、Tex,out分別為顯熱交換器中排風(fēng)進(jìn)出口空氣溫度，℃；Qfr,sens為送風(fēng)側(cè)顯熱換熱量，kJ/h；Qex,sens為排風(fēng)側(cè)顯熱換熱量，kJ/h；Qsens,max為理論最大顯熱交換量，kJ/h；εsens為顯熱換熱效率，[0,1]。

3)加濕器模型

加濕器的出口空氣狀態(tài)由能量平衡方程確定，在加濕過程中，其熱損失忽略不計(jì)，控制器可將相對(duì)濕度自動(dòng)控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

加濕器出口空氣焓值：

(7)

式中：hair,out為加濕器出口空氣焓值，kJ/kg；hair,in為加濕器入口空氣焓值，kJ/kg；hH2O,in為循環(huán)水進(jìn)口焓值，kJ/kg；hH2O,out為循環(huán)水出口焓值，kJ/kg；mH2O為循環(huán)水質(zhì)量流量，kg/h；mair為加濕空氣質(zhì)量流量，kg/h。

仿真模型中所使用的TRNSYS模塊編號(hào)如表2所示。

表2 仿真模型中使用的模塊Tab.2 Module used in the simulation model

2.1 系統(tǒng)模型的搭建

確定選取的模塊后，依據(jù)系統(tǒng)流程連接各模塊，完成各模塊的參數(shù)設(shè)定與外部文件的導(dǎo)入。根據(jù)廠家數(shù)據(jù)，溫度控制器的反應(yīng)精度約為20 s，故將模擬時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為20 s，每30 min讀取一次溫濕度數(shù)據(jù)。模擬起止時(shí)間對(duì)應(yīng)茯磚茶發(fā)酵、干燥工藝的起止時(shí)間。

在系統(tǒng)建模時(shí)進(jìn)行如下假設(shè)：1)循環(huán)空氣狀態(tài)參數(shù)發(fā)生改變，各部件均不存在傳熱；2)空氣定壓比熱為常數(shù)，不隨溫度發(fā)生變化；3)忽略空氣輸送設(shè)備和管道的散熱影響[8]。

圖4為茯磚茶發(fā)酵、干燥空氣源熱泵系統(tǒng)TRNSYS仿真流程圖。

圖4 空氣源熱泵烘房TRNSYS仿真模型Fig.4 TRNSYS simulation model of air-source heat pump oven

2.2 TRNSYS模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證TRNSYS模型建立的正確性，本文從烘房溫濕度與能耗兩方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。于2021年1月28至2月7日在某陜西咸陽茯磚茶生產(chǎn)廠房進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試茯磚茶經(jīng)定型工藝后入烘房在發(fā)酵期期間的各項(xiàng)參數(shù)。其中入烘房茶磚為已定型符合生產(chǎn)要求的茶磚，分別為單塊1.40 kg，尺寸為235 mm×135 mm×45 mm，烘房滿貨架狀態(tài)下可容納4 320塊。烘房?jī)?nèi)發(fā)酵初始設(shè)定溫度為13 ℃，相對(duì)濕度為55.4%。實(shí)測(cè)過程從1月28日19∶00開始記錄至2月7日07∶00結(jié)束，共10 d，儀器每30 min讀取一次數(shù)據(jù)。

溫濕度測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示，測(cè)點(diǎn)分別按照烘房長(zhǎng)度與高度方向布置。由于烘房?jī)?nèi)的貨架沿長(zhǎng)度方向?qū)ΨQ擺放，且烘房?jī)?nèi)的送風(fēng)風(fēng)管與回風(fēng)風(fēng)管也沿長(zhǎng)度方向?qū)ΨQ布置，所以溫濕度記錄儀器在烘房一側(cè)的貨架進(jìn)行布置擺放。烘房?jī)?nèi)共擺放5個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn)，沿長(zhǎng)度方向布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5(a)所示，按照烘房的前(x=1.7 m)、中(x=6.8 m)、后(x=10.2 m)方位進(jìn)行布置，3個(gè)測(cè)點(diǎn)均布置在貨架中層(z=1.6 m)；在2號(hào)測(cè)點(diǎn)所處的貨架上，沿高度方向布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5(b)所示，沿中間貨架(x=6.8 m)下側(cè)(z=0.6 m)、中層(z=1.6 m)與上層(z=2.6 m)進(jìn)行布置。此外，烘房門口的溫濕度記錄儀用于記錄烘房外環(huán)境溫濕度。

圖5 實(shí)驗(yàn)溫濕度測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)Fig.5 Experimental temperature and relative humidity measuring point layout (unit：mm)

測(cè)試與模擬情況下的烘房溫濕度波動(dòng)情況如圖6(a)所示，其中模擬溫度與測(cè)試溫度最大相對(duì)誤差為14.00%，平均相對(duì)誤差為2.84%；相對(duì)濕度最大相對(duì)誤差為14.90%，平均相對(duì)誤差為6.20%。其中烘房?jī)?nèi)溫度測(cè)試值與模擬值之間相對(duì)誤差較小，因?yàn)榭諝庠礋岜脵C(jī)組控制在設(shè)定溫度±2 ℃以內(nèi)啟停運(yùn)行，故溫度模擬值與測(cè)試值較為貼合。烘房相對(duì)濕度在設(shè)備運(yùn)行過程中受濕度控制精度、溫度控制以及烘房?jī)?nèi)茶磚散濕量等多方面因素影響，同時(shí)，由濕空氣性質(zhì)可知，在維持空氣含濕量不變情況下僅改變溫度其相對(duì)濕度也會(huì)發(fā)生變化，所以烘房相對(duì)濕度變化原因較為復(fù)雜，但可以看出溫度和相對(duì)濕度模擬值與測(cè)試值變化趨勢(shì)一致，且兩者平均相對(duì)誤差均小于15%，可以認(rèn)為仿真計(jì)算與測(cè)試中的烘房溫濕度變化趨于一致，即仿真計(jì)算中模型對(duì)于烘房?jī)?nèi)部環(huán)境反映精確性得到驗(yàn)證。

圖6 模擬與測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison between simulation and test results

同時(shí)，關(guān)注設(shè)備動(dòng)態(tài)運(yùn)行能耗，測(cè)試與模擬過程中烘房日耗電量的變化如圖6(b)所示，其中模擬與測(cè)試烘房日累計(jì)耗電量動(dòng)態(tài)變化中最大相對(duì)誤差為35.60%，平均相對(duì)誤差為6.52%，總耗電量相對(duì)誤差為6.52%。其中部分狀態(tài)模擬與測(cè)試值相對(duì)誤差較大，原因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行過程中各設(shè)備之間的啟?？刂坡?lián)動(dòng)較復(fù)雜，在模擬過程中對(duì)設(shè)備啟停控制過程做相應(yīng)簡(jiǎn)化，同時(shí)模擬采用日平均化茶磚散濕速率，兩種因素共同造成模擬與實(shí)際設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)存在差異進(jìn)而造成耗電量誤差。模擬能耗與測(cè)試耗電量變化規(guī)律較為吻合，且總耗電量相對(duì)誤差小于15%，可以認(rèn)為仿真計(jì)算與測(cè)試中的設(shè)備用能變化趨勢(shì)一致，即仿真計(jì)算中模型對(duì)于設(shè)備運(yùn)行耗能反應(yīng)精確性得到驗(yàn)證。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱泵烘房全年溫濕度動(dòng)態(tài)結(jié)果分析

工藝性空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行期間達(dá)到節(jié)能環(huán)保效果的前提是保證工藝能夠達(dá)到要求，所以應(yīng)確定系統(tǒng)在全周期運(yùn)行狀態(tài)是否能達(dá)到要求。一批茯磚茶完成發(fā)酵、干燥的工藝時(shí)間約為1個(gè)月，為確定該熱泵系統(tǒng)在全年不同季節(jié)運(yùn)行的可行性。在滿庫狀態(tài)下，選擇1、4、7、10月四個(gè)月份為不同季節(jié)的典型代表月，分析在典型月期間，烘房?jī)?nèi)溫濕度的動(dòng)態(tài)變化狀況。典型月份對(duì)應(yīng)的季節(jié)與工藝日期如表3所示。

表3 TRNSYS全年模擬過程典型月對(duì)應(yīng)時(shí)間表Tab.3 Typical month schedule for TRNSYS annual simulation process

茯磚茶烘房在各典型月的溫濕度動(dòng)態(tài)變化如圖7所示。茯磚茶烘房在1、4、10月的溫度波動(dòng)均在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，但在7月發(fā)酵期期間，溫度狀態(tài)在多數(shù)時(shí)間超過溫度設(shè)定上限。在夏季，根據(jù)TRNSYS負(fù)荷模型的計(jì)算結(jié)果，平均熱負(fù)荷為3.5 kW，負(fù)荷值較小，由焓濕圖計(jì)算可得，7月發(fā)酵期間送風(fēng)的設(shè)計(jì)風(fēng)量為3 161.51 m3/h，而空氣源熱泵系統(tǒng)在定風(fēng)量運(yùn)行狀態(tài)下的額定風(fēng)量為7 400 m3/h。實(shí)際風(fēng)量為熱泵定風(fēng)量運(yùn)行工況送風(fēng)量的42.7%。由式(7)可知[9]，當(dāng)送風(fēng)溫差為定值且送風(fēng)的質(zhì)量流量過大時(shí)，會(huì)造成烘房得熱量過高，升溫速度上升，從而導(dǎo)致烘房?jī)?nèi)溫度超過設(shè)定上限。同時(shí)，出現(xiàn)溫度升高的狀況時(shí)，烘房無法及時(shí)排出余熱，也是導(dǎo)致烘房溫度持續(xù)升高的原因。

(8)

式中：MS為送入房間的風(fēng)量，kg/s；QC為房間的全熱負(fù)荷，kW；hR、hs分別為室內(nèi)空氣和送風(fēng)狀態(tài)的比焓，kJ/kg。

由圖7還可知，茯磚茶烘房在1、4、10月的相對(duì)濕度波動(dòng)均在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，但在7月干燥期期間，相對(duì)濕度在部分時(shí)間超過設(shè)定上限。這是由于咸陽地區(qū)夏季室外空氣的含濕量較高，而茯磚茶干燥工藝期間需要提供一個(gè)高溫低濕的環(huán)境，引入新風(fēng)已經(jīng)無法起到除濕效果。所以，該空氣源熱泵系統(tǒng)在夏季運(yùn)行狀態(tài)較差，不適用于茯磚茶在夏季的工藝過程。

圖7 典型月全周期烘房溫度、相對(duì)濕度的變化Fig.7 Variations of oven temperature and relative humidity in typical months

3.2 茯磚茶發(fā)酵、干燥能源系統(tǒng)節(jié)能與環(huán)境效益指標(biāo)對(duì)比

早期茯磚茶發(fā)酵、干燥過程中，能源系統(tǒng)多以燃?xì)忮仩t為熱源。寧旭昊[10]對(duì)該生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)早期使用的顯熱回收一次回風(fēng)燃?xì)忮仩t發(fā)酵、干燥系統(tǒng)的全年運(yùn)行特性進(jìn)行了研究。由3.1節(jié)熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行可行性分析結(jié)果可知，7月熱泵系統(tǒng)烘房溫濕度波動(dòng)不滿足工藝要求。因此，本文通過對(duì)比優(yōu)化后的熱泵系統(tǒng)與優(yōu)化前的燃?xì)忮仩t系統(tǒng)在1、4、10月的發(fā)酵、干燥全周期仿真結(jié)果，對(duì)節(jié)能環(huán)保效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1)烘房系統(tǒng)能耗節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用一次能源消耗量和一次能源利用率對(duì)兩系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能評(píng)價(jià)。一次能源消耗量Q指各系統(tǒng)中消耗燃?xì)鉄崃颗c電量總和轉(zhuǎn)換為一次能耗的能量，一次能源利用率PER[11]指系統(tǒng)輸出能量與一次能耗的比值。一次能源利用率越高，表示系統(tǒng)節(jié)能性越好。

一次能源消耗量：

(9)

(10)

(11)

一次能源利用率：

(12)

式中：Q1、Q2分別為熱泵系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)冷、熱源一次能源消耗量，kW；QHi為烘房負(fù)荷，kW；Bb為標(biāo)煤消耗量，kg；Qb為標(biāo)煤收到基低位發(fā)熱量，取29 308 kJ/kg[12]；ηt，i為燃?xì)鉅t熱效率；ηe為大型燃煤電站供電效率，0.38～0.40[13]，取0.39；ηp為輸配電效率，0.93～0.94[13]，取0.94；WASHP,i為空氣源熱泵系統(tǒng)冷熱源功耗，kW·h；WB,i為鍋爐系統(tǒng)冷熱源功耗，kW·h；QB,i為鍋爐系統(tǒng)燃?xì)夂臒崃?，kW。

2)烘房系統(tǒng)能耗節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比分析

根據(jù)式(9)～式(11)進(jìn)行計(jì)算，兩系統(tǒng)典型月標(biāo)煤消耗量及一次能源利用率的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩系統(tǒng)典型月標(biāo)煤消耗量及一次能源利用率Fig.8 Converted standard coal quantity and primary energy utilization rate of the two systems in typical months

熱泵系統(tǒng)在1、4、10月的Bb分別為890.93、759.18、764.32 kg，PER分別為0.72、0.53、0.67；鍋爐系統(tǒng)在1、4、10月的Bb分別為1 875.43、1 703.49、1 856.37 kg，PER分別為0.34、0.23、0.27。熱泵系統(tǒng)的平均Bb是鍋爐系統(tǒng)的44.42%，平均PER是鍋爐系統(tǒng)的2.29倍。在茯磚茶發(fā)酵、干燥生產(chǎn)過程中，相比于熱泵系統(tǒng)，鍋爐系統(tǒng)的一次能源消耗量大，且PER小，在節(jié)能方面熱泵系統(tǒng)優(yōu)于鍋爐系統(tǒng)。

3)烘房系統(tǒng)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比分析

各系統(tǒng)所消耗能量折合為一次能源包括煤和天然氣，環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)與消耗標(biāo)煤量和天然氣量及其氣體污染物排放因子相關(guān)。其中標(biāo)煤的CO2排放因子、SO2排放因子、NOx排放因子分別為2.461、0.024、0.007 6 kg/kg標(biāo)煤。天然氣的CO2排放因子、SO2排放因子、NOx排放因子分別為1.95、0.000 4和0.001 871 kg/m3[14]。結(jié)合圖8兩系統(tǒng)典型月Bb及PER的計(jì)算結(jié)果，鍋爐系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的污染氣體排放量如圖9所示。

圖9 兩系統(tǒng)典型月污染物排放量Fig.9 Pollutant emissions of the two systems in typical months

兩種系統(tǒng)中，鍋爐系統(tǒng)的CO2排放量在1、4、10月均大于熱泵系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)在1、4、10月的平均CO2排放量是鍋爐系統(tǒng)的34.13%,差異較大。2020年9月22日，中國在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上提出將力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)[15]。在茯磚茶發(fā)酵、干燥工藝中，相比于燃?xì)忮仩t，空氣源熱泵可顯著降低一次能源消耗，提高PER，從而顯著降低碳排放，成為推進(jìn)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的有效途徑。

SO2和NOx是形成霧霾的主要原因。在兩種系統(tǒng)中，熱泵系統(tǒng)在1、4、10月的平均SO2排放量是鍋爐系統(tǒng)的44.1%，平均NOx排放量是鍋爐系統(tǒng)的40.6%。綜上所述，在茯磚茶發(fā)酵、干燥過程的節(jié)能環(huán)保方面，熱泵系統(tǒng)優(yōu)于燃?xì)忮仩t系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用TRNSYS瞬態(tài)模擬軟件，建立了咸陽某茯磚茶廠烘房實(shí)際使用的空氣源熱泵系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)該系統(tǒng)在全年各季節(jié)典型代表月茯磚茶生產(chǎn)過程中的能耗與烘房溫濕度變化進(jìn)行了仿真研究。基于仿真結(jié)果，對(duì)比研究了該系統(tǒng)在可運(yùn)行季節(jié)與同一生產(chǎn)廠房采用燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)保特性，得到如下結(jié)論：

1)夏季空氣源熱泵烘房溫濕度不滿足工藝要求。在夏季發(fā)酵期期間，烘房負(fù)荷較小，且此時(shí)送風(fēng)的質(zhì)量流量過大，烘房無法及時(shí)排出余熱，造成烘房升溫速度上升，導(dǎo)致溫度狀態(tài)在多數(shù)時(shí)間超過溫度設(shè)定上限。同時(shí)，由于咸陽地區(qū)夏季室外空氣的含濕量較高，夏季干燥期采用新風(fēng)除濕方案無法達(dá)到除濕效果，造成相對(duì)濕度狀態(tài)在部分時(shí)間超過相對(duì)濕度設(shè)定上限。

2)熱泵系統(tǒng)在1、4、10月的平均標(biāo)煤消耗量是鍋爐系統(tǒng)的44.42%，平均一次能源應(yīng)用率是鍋爐系統(tǒng)的2.29倍。在茯磚茶發(fā)酵、干燥過程的節(jié)能方面，熱泵系統(tǒng)優(yōu)于燃?xì)忮仩t系統(tǒng)。

3)熱泵系統(tǒng)在1、4、10月的平均CO2、SO2、NOx排放量分別為鍋爐系統(tǒng)的34.13%，、44.10%、40.60%。在茯磚茶發(fā)酵、干燥過程的環(huán)保方面，熱泵系統(tǒng)優(yōu)于燃?xì)忮仩t系統(tǒng)。

該研究對(duì)茯磚茶烘房生產(chǎn)工藝節(jié)能減排及標(biāo)準(zhǔn)化烘房的推廣和示范具有借鑒和指導(dǎo)意義。

本文受浙江省自然科學(xué)基金(LQY19E060001)和西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2020KJRC0061)資助。(The project was supported by the Zhejiang Provincial Natural Science Foundation (No. LQY19E060001) and Xi′an Science and Technology Planning Project (No. 2020KJRC0061).)