周安仁,汪劍榮,馬智泉,李為林
(1. 國網(wǎng)浙江長興縣供電有限公司,浙江 湖州 313100;2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,浙江 杭州 310014;3. 鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)
近年來,發(fā)展鄉(xiāng)村特色產(chǎn)業(yè)成為中國鄉(xiāng)村發(fā)展的基本原則之一[1]。茶葉生產(chǎn)作為中國許多鄉(xiāng)村的特色產(chǎn)業(yè),是各茶葉產(chǎn)地的重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)。另一方面,隨著鄉(xiāng)村電氣化工作的不斷推進(jìn),鄉(xiāng)村特色產(chǎn)業(yè)的電氣化水平也在不斷提升[2]。隨之而來的是曾以化石能源為主的茶葉生產(chǎn)設(shè)備逐漸被電力設(shè)備取代。而茶葉的生產(chǎn)時(shí)間通常集中在每年的特定月份,例如安吉縣及其周邊鄉(xiāng)村的特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)—安吉白茶,其生產(chǎn)過程通常集中在每年的三四月份[3]。大量電制茶設(shè)備的集中使用將會(huì)引起茶葉產(chǎn)地在每年的產(chǎn)茶月份出現(xiàn)用電負(fù)荷高峰。且茶葉生產(chǎn)地大多處在鄉(xiāng)村,鄉(xiāng)村配電網(wǎng)具有供電范圍廣、負(fù)荷波動(dòng)大,部分區(qū)域配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)承受能力差的特點(diǎn)[4-6],因此集中的高負(fù)荷會(huì)給供電線路造成巨大壓力。
茶葉生產(chǎn)系統(tǒng)的能源形式包括木柴、煤、空氣源熱泵、太陽能、電能等[7]。早些年間,中國的茶葉烘干能源以木柴為主[8],但是木柴熱值較低且大量砍伐會(huì)對(duì)鄉(xiāng)村環(huán)境造成破壞;后來高熱值的煤炭逐漸成為烘茶設(shè)備的主要能源[9];目前,鄉(xiāng)村茶葉生產(chǎn)工藝已逐步實(shí)現(xiàn)電氣化,電能逐漸成為茶葉生產(chǎn)的主要能源[10]。但是電烘茶設(shè)備是由品質(zhì)較高的電能得到較低品位的熱能,產(chǎn)生了較大的能量品位損失?,F(xiàn)如今大力發(fā)展清潔能源與可再生能源已成為中國能源可持續(xù)發(fā)展的普遍共識(shí)[11]。烘干是多數(shù)茶葉生產(chǎn)能源系統(tǒng)中耗能最大的部分,因此一些學(xué)者研究了如何將低品位能源和可再生能源應(yīng)用至茶葉烘干中[12-13]。熱泵是以環(huán)境介質(zhì)為熱源,通過輸入少量電能以實(shí)現(xiàn)低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移的裝置[14]。空氣源熱泵烘茶技術(shù)通過利用較低品位的空氣源,可提高電能的利用效率[13-15]。但是普通的空氣源熱泵制熱溫度較低,不能直接滿足茶葉烘干工藝中的所有溫度要求,如綠茶的烘茶溫度在70 ~100°C,所以仍需要輔以電加熱或其他輔助措施。太陽能常被用以制取熱能[16],因此太陽能-空氣源熱泵可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)供熱[17]。太陽能-熱泵聯(lián)合烘茶技術(shù)[18],便是通過在空氣源熱泵的基礎(chǔ)上輔以太陽能,進(jìn)一步降低茶葉生產(chǎn)能源系統(tǒng)的電力負(fù)荷。但是因?yàn)樘柲芫哂胁▌?dòng)性[19-21],所以整個(gè)系統(tǒng)仍配有輔助電加熱裝置[12]。
跨臨界CO2熱泵作為一種熱泵技術(shù),相較目前主要采用的電制茶設(shè)備而言,其提高了電能利用率的同時(shí)也利用了低品位的空氣源。相較現(xiàn)有研究中的常規(guī)熱泵而言,CO2熱泵的工質(zhì)CO2具有無毒、不可燃和優(yōu)越的環(huán)保性[22-23];且CO2具有較低的臨界溫度,在放熱過程中具有明顯的溫度滑移,可以實(shí)現(xiàn)較高的制熱溫度[24],無須輔助電加熱設(shè)備,從而進(jìn)一步提高茶葉生產(chǎn)能源系統(tǒng)的電能利用率?;诖?,本文提出一種跨臨界CO2熱泵烘茶技術(shù),對(duì)CO2熱泵在烘茶工況下的各性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,并分析了在某茶葉生產(chǎn)地應(yīng)用的負(fù)荷削減效果,從而得到將CO2熱泵應(yīng)用至鄉(xiāng)村茶葉生產(chǎn)中,可大幅度降低以茶葉為特色產(chǎn)業(yè)農(nóng)村的負(fù)荷水平。
綠茶作為中國的主要茶類之一,綠茶生產(chǎn)是中國很多鄉(xiāng)村的特色產(chǎn)業(yè)。其生產(chǎn)能源系統(tǒng)的主要用能工藝包括殺青理?xiàng)l和烘干。其中殺青過程是通過高溫(300°C左右[25])破壞酶的活性,從而防止紅梗、黑梗,時(shí)長為1 ~2 min;理?xiàng)l是在殺青后,通過逐步提高轉(zhuǎn)速直至機(jī)內(nèi)溫度降低,時(shí)長約為3 min。因?yàn)闅⑶噙^程需要較高的溫度,因此目前的殺青機(jī)仍較多采用燃?xì)?、木柴、煤炭等作為熱源。綠茶烘干溫度通常為80 ~120°C[26],以安吉白茶為例(屬于綠茶),其整個(gè)烘干過程可以再細(xì)分為初烘、復(fù)烘和低溫長烘3個(gè)步驟。其中初烘溫度為100°C左右,時(shí)長為10 ~15 min;初烘后需要將茶葉進(jìn)行攤涼15 min左右再進(jìn)行復(fù)烘;復(fù)烘所需溫度稍低,為80 ~90°C,時(shí)長為10 ~15 min;之后可維持在70°C左右進(jìn)行低溫長烘(1 h以上)。烘干過程中所需的溫度相對(duì)較低,目前多采用電烘茶機(jī)。由于烘干時(shí)長較長,使其成了整個(gè)茶葉生產(chǎn)能源系統(tǒng)中耗能最大的部分。
跨臨界CO2熱泵烘茶的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示??缗R界CO2熱泵以室外空氣為熱源,在蒸發(fā)器(即大氣熱交換器)中CO2工質(zhì)和室外空氣進(jìn)行熱交換后經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮進(jìn)入氣體冷卻器;在氣體冷卻器中,CO2工質(zhì)冷卻放熱對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行加熱;被加熱的空氣送入茶葉烘干機(jī)對(duì)茶葉進(jìn)行烘干。
圖1 跨臨界CO2熱泵茶葉烘干裝置示意Fig. 1 Sketch of transcritical carbon dioxide heat pump tea drying device
當(dāng)熱空氣流過茶葉表面時(shí),在溫差的作用下,空氣以對(duì)流方式把熱量傳向茶葉表面,再以導(dǎo)熱方式傳向茶葉內(nèi)部(熱交換);另一方面,茶葉溫度升高,茶葉表面的水分受熱汽化后以對(duì)流方式傳向氣流主體,茶葉內(nèi)部和表面間將產(chǎn)生水分梯度。在濕度梯度的推動(dòng)下,內(nèi)部水分將以液態(tài)或氣態(tài)形式向表面擴(kuò)散(質(zhì)交換),形成脫濕過程。通過茶葉在烘干機(jī)內(nèi)與熱空氣產(chǎn)生熱量傳遞(熱交換)和濕分傳遞(質(zhì)交換),從而完成烘干過程。
茶葉烘干機(jī)的工作溫度通過控制電子膨脹閥(EEV)開度調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)高壓側(cè)的壓力、控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)制冷劑流量、控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)空氣風(fēng)量等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)初烘、復(fù)烘和低溫長烘的具體運(yùn)行調(diào)節(jié)方式為:(1)初烘的溫度相對(duì)較高,為100 ~120°C,持續(xù)時(shí)間為10 ~15 min。針對(duì)茶葉初烘的特點(diǎn),烘干機(jī)采用控制熱泵系統(tǒng)EEV開度為主,控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為輔的調(diào)節(jié)方式,可快速實(shí)現(xiàn)烘干機(jī)短時(shí)間內(nèi)高溫度熱量的需求。(2)復(fù)烘的溫度相對(duì)稍低,為80 ~90°C,持續(xù)時(shí)間為10 ~15 min。針對(duì)茶葉復(fù)烘的特點(diǎn),烘干機(jī)采用控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和熱泵系統(tǒng)EEV開度相結(jié)合的調(diào)節(jié)方式,可快速滿足烘干機(jī)短時(shí)間內(nèi)中溫度熱量的需求。(3)低溫長烘的溫度相對(duì)較低,為70°C以下,持續(xù)時(shí)間可超過1 h。針對(duì)茶葉低溫長烘特點(diǎn),烘干機(jī)采用控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為主,控制EEV和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為輔的調(diào)節(jié)方式,滿足烘干機(jī)長時(shí)間內(nèi)低溫度熱量需求。
跨臨界CO2熱泵烘茶系統(tǒng)通過利用低品位的清潔能源—空氣源,可有效降低茶葉生產(chǎn)能源系統(tǒng)的電力負(fù)荷。其優(yōu)勢(shì)為:(1)加熱溫度高,無須輔助加熱設(shè)備;(2)系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、溫濕度控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),當(dāng)對(duì)進(jìn)干燥室空氣的溫度、濕度均有較高要求時(shí),可通過調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等方式,在短時(shí)間內(nèi)快速滿足烘干機(jī)對(duì)溫度和熱量的要求;(3)通過控制裝置可使烘干機(jī)熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度控制在50 ~110°C,加熱溫度均勻,烘干質(zhì)量較好;(4)通過換熱器對(duì)空氣間接加熱,最高加熱溫度在110°C左右,采用多種方式相結(jié)合的方法控制溫度,安全可靠,避免了傳統(tǒng)電加熱溫度控制較難、容易造成溫度過高問題;(5)高效節(jié)能,具有較高的能效系數(shù)(COP);(6)運(yùn)行費(fèi)用較低,可顯著降低運(yùn)行成本。
跨臨界CO2熱泵實(shí)驗(yàn)測試裝置主要包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、電子膨脹閥、氣液分離器、氣體冷卻器、回?zé)崞鞯仍O(shè)備。實(shí)驗(yàn)測試裝置照片見圖2。主要設(shè)備細(xì)節(jié)特性如表1所示。
圖2 跨臨界CO2熱泵照片F(xiàn)ig. 2 Picture of the transcritical carbon dioxide heat pump
表1 主要設(shè)備特性Table 1 Main equipment characteristics
通過實(shí)驗(yàn)測試可以得到各個(gè)烘茶工藝工況下,跨臨界CO2熱泵烘干裝置的制熱量、耗電功率及COP等主要性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置的示意見圖1,具體的實(shí)驗(yàn)工況如表2所示。實(shí)驗(yàn)中,保持熱泵蒸發(fā)器側(cè)空氣進(jìn)風(fēng)溫度和流量不變,氣體冷卻器側(cè)空氣進(jìn)風(fēng)溫度和流量不變,調(diào)節(jié)EEV開度。
表2 實(shí)驗(yàn)測試工況Table 2 Experimental test conditions
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分別分析運(yùn)行壓力、環(huán)境溫度和制熱溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)性能的影響。
2.3.1 運(yùn)行壓力對(duì)熱泵系統(tǒng)性能的影響
圖3為在環(huán)境溫度為15℃時(shí),跨臨界CO2熱泵茶葉烘干裝置的制熱量、壓縮機(jī)功率、COP及加熱溫度隨熱泵運(yùn)行壓力(即排氣壓力)的變化。
圖3 系統(tǒng)性能隨排氣壓力的變化Fig. 3 Variations of system performance with exhaust pressure
從圖3中可以看出,隨著排氣壓力升高,(1)熱泵系統(tǒng)制熱量逐漸升高,這主要是由于排氣壓力升高時(shí),壓縮機(jī)的排氣溫度升高,從而引起氣體冷卻器的進(jìn)出口焓差不斷升高,最終使熱泵的制熱量增加;(2)壓縮機(jī)功率逐漸升高,升高趨勢(shì)接近于線性關(guān)系,這是由熱泵器系統(tǒng)的CO2質(zhì)量流量降低和排氣壓力與吸氣壓力之間的壓差升高共同作用引起的;(3)熱泵系統(tǒng)COP逐漸升高,達(dá)到極值后,又隨著排氣壓力升高而逐漸有略微降低的趨勢(shì),這是由于隨著排氣壓力升高,制熱量與壓縮機(jī)功率增加的程度不同引起的;(4)熱泵空氣加熱溫度逐漸升高。熱泵在運(yùn)行過程中,空氣流量不變,熱泵系統(tǒng)的制熱量逐漸升高,從而使得了熱泵空氣加熱溫度逐漸升高。
由實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可知,通過調(diào)節(jié)跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行壓力(即熱泵的排氣壓力),可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制熱量、空氣加熱溫度。系統(tǒng)的運(yùn)行壓力調(diào)節(jié)可通過調(diào)節(jié)EEV的開度實(shí)現(xiàn),亦可通過變頻技術(shù)、調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等實(shí)現(xiàn)。
2.3.2 環(huán)境溫度和制熱溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)性能的影響
安吉白茶主要產(chǎn)地位于浙江省湖州市。茶葉生產(chǎn)月份該地記錄最低氣溫5℃,最高氣溫則達(dá)25℃以上。因而分別測試環(huán)境溫度為5℃、15℃、25℃時(shí),跨臨界CO2熱泵茶葉烘干裝置的制熱量、耗功率和COP隨熱泵制熱溫度(即空氣加熱目標(biāo)溫度)的變化關(guān)系(見圖4)。可以看出如下規(guī)律。
圖4 制熱量、耗功率及COP隨制熱溫度的變化Fig. 4 Variations of the heating capacity, power consumption and COP with the heating temperature
(1)隨著制熱溫度升高,熱泵系統(tǒng)制熱量逐漸降低;隨著環(huán)境溫度升高,熱泵系統(tǒng)制熱量逐漸增加。
(2)隨著制熱溫度升高,熱泵系統(tǒng)耗功率逐漸升高;隨著環(huán)境溫度升高,熱泵系統(tǒng)耗功率逐漸降低。
(3)隨著制熱溫度升高,熱泵系統(tǒng)COP逐漸降低;隨著環(huán)境溫度升高,熱泵系統(tǒng)COP逐漸增加。
由實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可以得到,在不同外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),通過調(diào)節(jié)EEV開度,跨臨界CO2熱泵均能達(dá)到各個(gè)烘茶工藝的溫度要求。
調(diào)研結(jié)果顯示,目前某鄉(xiāng)村的茶葉生產(chǎn)仍以單個(gè)或多個(gè)家庭為單位的小型加工作坊為主,且全部采用電烘茶形式。其代表性臺(tái)區(qū)近年的日用電量情況如圖5 a)所示。該臺(tái)區(qū)從事白茶生產(chǎn)的家庭達(dá)用戶總量的80%以上。整個(gè)臺(tái)區(qū)的用電量高峰出現(xiàn)在3月下旬至4月中旬。其最高日用電量為2461.6 kW·h,而過渡季非產(chǎn)茶日的用電量在350 kW·h左右,最大用電量達(dá)平時(shí)日用電量的7倍之多。
根據(jù)不同日期所含的負(fù)荷類型可將該臺(tái)區(qū)的類型日進(jìn)行劃分(見表3)。根據(jù)不同類型日的負(fù)荷組成可拆分得到僅茶葉生產(chǎn)所產(chǎn)生的日均用電量為 1067.0 kW·h,居民生活的日均用電量為359.0 kW·h。
表3 不同類型日所含的負(fù)荷類型Table 3 Load types for different day types
進(jìn)一步將產(chǎn)茶日負(fù)荷和同月常規(guī)日負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比分析。由圖5 b)可以看到:(1)產(chǎn)茶日各時(shí)刻的負(fù)荷水平均超過常規(guī)日,這是因?yàn)榧彝プ鞣坏牟枞~生產(chǎn)時(shí)間具有較大的隨機(jī)性,即各個(gè)時(shí)段都有進(jìn)行茶葉生產(chǎn)的家庭;(2)產(chǎn)茶日在04:30左右、09:30左右及16:30—21:00分別出現(xiàn)負(fù)荷高峰,這說明這些時(shí)段出現(xiàn)了集中生產(chǎn)茶葉的現(xiàn)象。經(jīng)計(jì)算,產(chǎn)茶日最大負(fù)荷高達(dá)常規(guī)日平均負(fù)荷的13.6倍。
圖5 茶葉生產(chǎn)地的用電量及負(fù)荷情況Fig. 5 Electricity consumption and load of the tea production village
產(chǎn)茶日負(fù)荷中仍包括居民生活負(fù)荷,而常規(guī)日僅含有居民生活負(fù)荷,通過產(chǎn)茶日和常規(guī)日的平均負(fù)荷對(duì)比可得僅茶葉生產(chǎn)所引起的負(fù)荷如圖5 c)所示。因?yàn)槌R?guī)日的負(fù)荷相對(duì)平穩(wěn),所以僅茶葉生產(chǎn)所引起的負(fù)荷變化規(guī)律和茶葉生產(chǎn)日負(fù)荷基本一致。
3.2.1 調(diào)峰模型控制方程
目前該臺(tái)區(qū)茶葉生產(chǎn)全部采用電烘茶機(jī),可得到整個(gè)臺(tái)區(qū)烘茶所需要的熱量為
式中:Pelec為某時(shí)刻電烘茶所產(chǎn)生的電力負(fù)荷,kW;t為時(shí)間步長,s;η為電烘茶機(jī)的制熱效率。
使用跨臨界CO2熱泵烘茶所產(chǎn)生的用電負(fù)荷為
式中:λCOP為能效系數(shù)。
由式(1)和式(2)可得,相同時(shí)長相同制熱量下使用跨臨界CO2熱泵烘茶和直接使用電烘茶所產(chǎn)生的電力負(fù)荷比值為
根據(jù)初烘、復(fù)烘及低溫長烘時(shí)長不同,CO2熱泵烘茶全過程的平均能效系數(shù)為
式中:λCOPi為各工藝工況下跨臨界CO2熱泵的能效系數(shù);Ti為各烘茶工藝所需的時(shí)長,s。
3.2.2 臺(tái)區(qū)案例參數(shù)
該鄉(xiāng)村的歷史記錄溫度基本在15 ~25℃變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖4),環(huán)境溫度在15 ~25℃變化時(shí),安吉白茶各烘干工況下的跨臨界CO2熱泵COP如下。
(1)初烘工藝溫度要求為100℃以上,時(shí)長為 10 ~15 min,則 COP為 2.1 ~2.5;
(2)復(fù)烘工藝溫度要求為80 ~90℃,時(shí)長為10 ~15 min,則 COP為 2.4 ~3.0;
(3)低溫長烘工藝溫度要求為70℃以下,時(shí)長在1 h以上,則COP為3.0 ~3.9。
3.2.3 模擬結(jié)果與分析
由式(1) ~(4)計(jì)算得到采用跨臨界CO2熱泵烘茶后該臺(tái)區(qū)的負(fù)荷曲線和電烘茶負(fù)荷曲線對(duì)比如圖6所示。其中跨臨界CO2熱泵烘茶的2條負(fù)荷曲線是考慮了室外溫度為15 ~25°C時(shí)且初烘、復(fù)烘時(shí)長為10 ~15 min所引起的平均COP變化,即當(dāng)室外溫度為15℃,初烘及復(fù)烘時(shí)長為15 min時(shí),熱泵在烘茶全過程的平均COP最小,用電負(fù)荷達(dá)到最大;當(dāng)室外溫度為25°C,初烘及復(fù)烘時(shí)長為10 min時(shí),熱泵平均COP最大,用電負(fù)荷最小。進(jìn)一步計(jì)算可得,采用CO2熱泵烘茶后,產(chǎn)茶日的最大負(fù)荷降為69.98 ~80.03 kW,降低至原負(fù)荷的28% ~36%,僅為常規(guī)日平均負(fù)荷的5.4 ~6.2倍。
圖6 采用CO2熱泵烘茶后的電力負(fù)荷變化Fig. 6 Load variations after using carbon dioxide heat pump
本論文通過理論研究、實(shí)驗(yàn)測試及實(shí)際場景應(yīng)用分析相結(jié)合的方法,對(duì)跨臨界CO2熱泵在綠茶(以安吉白茶為例)烘干工藝中的應(yīng)用及其調(diào)峰潛力進(jìn)行了研究,得到結(jié)論:(1)跨臨界CO2熱泵通過利用低品位的空氣能提高了電能利用率,且可以滿足綠茶烘干過程的熱量和溫度要求無須輔助電加熱,因此可大幅度降低鄉(xiāng)村綠茶生產(chǎn)的用電負(fù)荷。(2)通過案例分析發(fā)現(xiàn),相較傳統(tǒng)的電烘茶設(shè)備,CO2熱泵烘茶可以將鄉(xiāng)村茶葉生產(chǎn)用電負(fù)荷降至原負(fù)荷的39.6% ~46.8%,峰值負(fù)荷與平時(shí)負(fù)荷的比值由原本的13.6降至5.4 ~6.2。(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,CO2熱泵的供熱溫度有較大的調(diào)節(jié)范圍,且最高供熱溫度可達(dá)100℃以上,因此CO2熱泵作為烘干熱源,亦可結(jié)合相應(yīng)的熱風(fēng)烘干末端推廣至其他農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)中,如棉花、食用菌、紅棗等。
可見,跨臨界CO2熱泵在鄉(xiāng)村農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中具有較大的應(yīng)用前景。而且可促進(jìn)鄉(xiāng)村低品位清潔能源的利用,降低鄉(xiāng)村農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的電力負(fù)荷,有效緩解鄉(xiāng)村供電壓力。