案例|华业阳光:节约电量27.1%,空气源热泵+中温太阳能烟草烘干系统介绍

时间:2020-12-29 15:22来源:国家光热联盟

  “空气源热泵+中温太阳能烟草烘干系统”项目由中国科学院理化技术研究所、北京华业阳光新能源有限公司实施。该项目在“节能杯”第五届空气源热泵系统设计大赛中荣获“空气源热泵干燥最佳应用奖”。

  项目概况

  该目位于河南省漯河市,于2014年8月份施工完成,是利用中温CPC太阳能集热器与空气源热泵烘干机组结合,给新型烟草烤房供热,太阳能温度不足时,切换至空气源热泵供热,系统运行全部采用全自动控制。

  设备配置概况:
 
  (1) 该系统采用了33组新型CPC太阳能集热器,约100㎡;
  (2) 该系统供热部分采用了三个蓄热水箱并联的设计,分别为1吨、2吨、5吨,每个水箱储存不同温度的热水;
  (3)该系统末端散热部分采用了烟草干燥专用风机盘管;
  (4)辅助能源部分使用了高温型空气源热泵。
  烟叶烘烤的基本要求:
  河南地区烟叶烘烤一般在每年的 7-9 月,烟叶烘烤季节气温高,一个完整的烘烤周期约为 6-8 天。密集烘烤工艺总体上称为三段:变黄、定色、干筋三个阶段。
  变黄阶段:烟叶变黄,并适量脱水。这一阶段,烤房的烘烤室内温度较低,排湿量较大。先将温度逐渐升高到 36-38℃,使湿球温度比干球温度低 1-2.5℃,直到80%的烟叶变黄,再将温度升高到 40-42℃,使湿球温度保持在 36-37℃。整个阶段时间在 60 个小时左右,这个阶段有变片、凋萎两个步骤。
  定色阶段:使烟叶进一步干燥,将烟叶黄色固定下来,同时注意避免褐变。在这个阶段,温度相对较高。首先,温度从 42 摄氏度缓慢上升到 46-48℃,排出的水分不断增加,使烟筋完全变黄,钩子的边缘卷到小鼓上,然后温度上升到 54-55℃,并保持足够的时间使烟叶形成大的形状。鼓。在整个烤烟过程中,固定期水分排放量最大,湿球温度控制在 37-38℃,定色过程中,加热速率根据黄化期烟叶的黄化速率确定。对黄变率快的烟叶,应迅速加热、快速除湿、快速固色;对黄变率慢的烟叶,应缓慢加热、缓慢除湿、缓慢固色。在固定烟叶颜色的过程中,要避免干球温度的急剧上升和下降,促进烤烟烟叶的香气,防止烤烟变质。整个阶段时间在 32 个小时左右,这个阶段有变筋、干片两个步骤。
  干筋阶段:逐步提高烤烟房的温度至 65-68℃,这一阶段主要是叶脉的脱水干燥,排湿量很小,可以减少新鲜空气,节约能源,提高烘烤温度。将湿球温度维持在39-42℃,以防止湿球温度过高或湿球温度过低引起的烤烟现象,不利于改善烟叶颜色。在干筋期后期,烟叶的主脉应全部为树干,并准确停火。整个过程大约持续 24小时。这个阶段只有干筋一个步骤。
  设计方案
  本项目是与中科院理化所合作的新型工业应用项目,安装约100平米CPC太阳能集热器,使用三个储热水箱,分别为1吨、2吨、5吨,每个水箱储存不同温度的热水,给新型烟草烤房供热,太阳能温度不足时,切换至空气源热泵供热,系统运行全部采用全自动控制。
  主要控制原理:
  1、集热温差循环:
  集热器与储热水箱采用温差循环收集热量,储热水箱内的水温达到90℃(可调)为止。 
  2、换热温差循环:
  当1吨水箱达到60℃(可调)时,且与2吨水箱温差达到设定要求是启动换热温差循环,温差降低至设定值是停止运行;当1吨水箱达不到60℃(可调)时,不启动换热温差循环。2吨水箱与5吨水箱的换热方式同上。
  3、自动上水:
  首次上水时打开电磁阀M1、M2、M3自动补水至水箱满水位(可调),而后进入换热温差循环阶段;若用水过程中水位下降至水箱水位2/3处(可调),这时水箱换热循环水泵P3、P4将停止工作,同时打开电磁阀自动补水至储热水箱满水位(可调)。
  4、防过热:
  1吨储热水箱90℃(可调),2吨储热水箱内水温80℃(可调)时,5吨储热水箱70℃(可调)时进入过热保护状态,温度下降5℃(可调)恢复运行。
  使用效果
  1、系统耗电量监控
  从图中可以看出,在烤烟的前期和后期,耗电量比较小,而中间耗电量比较大。一个原因是前后期太阳能光照条件好,热泵较少启用,另外中间属于大量排湿阶段,烤房内热负荷比较大。
  2、太阳能的节能效果
  以第烘烤实验为基础,假定只采用热泵为供热源,通过已有数据反推计算出,在相同条件下热泵烘烤的耗电量。经计算,烤房内平均热负荷为12.04KW(算数平均值),热泵工作平均COP为3.10(根据前述不同阶段热负荷调和平均处理),烤房内风机功率2KW,这样可以计算出如果单独由热泵供热,系统平均功耗为5.88KW。烘烤实验持续时间为188h,则热泵系统总耗电量为1106.2KWh。而太阳能烘烤系统实际耗电量为806KWh,说明采用了太阳能系统能够节约电量为300.2KWh,相当于节约27.1%的电量。
  依据上述数据,实验期间太阳能保证率64%左右
  用户评价
  使用太阳能、空气源热泵技术供热的新型烤房节能、环保效果明显,经济效益高,投资回收期短,给用户能带来良好的经济收益。整个系统的运行无传统干燥器(燃油、燃气或电加热)中可能存在的易燃、易爆、中毒、短路等危险,是一种绝对安全可靠的干燥系统。
  太阳能-热泵烘干机上可设置好相应的烘干温度、湿度以及烘干时间,烘干机就会自动开始运转。全过程不再需要人为控制,烘干机会自动调整烘干房内的温度、湿度,保证烘干出来的烟叶颜色均匀、油分充足,最终把烟叶烤熟、烤黄、烤香,实现内在品质与外观质量的统一。干燥系统升温灵活、温度均匀,烤后烟叶成熟度好、颜色鲜、叶面叶背色度均匀一致,烟叶颜色均匀度好、组织结构疏松、油分足,杂色烟比例小。
  附:项目背景介绍
  为最大限度减少燃煤污染物排放,推进全省烟叶烤房电代煤工作,2020年4月,河南省发布《全省烟叶烤房电代煤工作三年行动计划》:从2020年开始,用三年时间,全省27903座烟叶连片燃煤烤房完成电代煤改造,其中2020年完成改造任务的40%并新建电能烤房1000座,2021年完成改造任务的40%,2022年完成改造任务的20%。
  随后,河南省许昌市、平顶山市、三门峡市、南阳市陆续展开电能烤房招标工作:2020年6月2日,许昌市襄城县第一批设备采购,预算金额41740000元,建设、改造烤房610座;2020年6月17 日,许昌市襄城县第二批设备采购,预算金额83550000元,建设、改造烤房1785座;2020年7月2日,平顶山市采购项目,预算金额3010.8万元,建设、改造烤房498座;2020年7月11日,三门峡市采购项目,预算金额984万元,新建烤房120座;2020年7月21日,邓州市采购项目,预算金额187万元,建设、改造烤房35座;2020年7月29日,南阳市内乡县采购项目,预算金额2,420,113.53元;2020年8月27日,三门峡市卢氏县采购项目,预算资金3840000元,新建烤房60座;2020年9月15日,平顶山市采购项目(二次),预算金额870.8万元,建设、改造烤房158座。
  30亿市场规模,三年时间完成,27903座,河南省烟叶烤房电代煤工作可谓大刀阔斧、浩浩荡荡。至于何种技术形式最为适宜,最能在偏远丘岗山区烟区适用,还有待进一步验证。而本方案采取的空气源热泵+中温太阳能形式,在节能性、适用性,以及使用效果方面均表现卓越,值得进一步推广。

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