濱海新區(qū)某企業(yè)空調(diào)機組在除濕加濕過程中的節(jié)能減排改造

胡振杰1 董紅霞2 彭鵬1

（1天津大學建筑設計研究院，天津，300072）（2 天津大學，天津，300072）

一、工程概況

該藥廠中央空調(diào)系統(tǒng)采用全空氣新風集中處理方式。由兩臺新風處理機組分別負責為相應的空調(diào)機組提供新風?？照{(diào)機組的冷凍水由兩臺制冷量分別為840kW和660kW的風冷熱泵冷水機組和一臺制冷量為840kW的風冷冷水機組提供。兩用一備的冷凍水泵輸入功率為45kW，負責冷凍水在全廠的輸配。設計工況機房冷凍水系統(tǒng)供冷全效率為2.55。

各空調(diào)機組設計風量、送風參數(shù)及服務區(qū)域的室內(nèi)空氣設定參數(shù)如下表：

二、原空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化可能

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在以下幾種可以節(jié)約能耗和減少二氧化碳排放的可能性：

1.由于電動冷水機組效率較低，冷卻除濕過程消耗電能較多?？梢钥紤]采用轉(zhuǎn)輪除濕方式或使用高效電動冷水機組；2.空調(diào)機組使用電能對送風進行再熱，電消耗量較大?？梢钥紤]采用其他能源形式對送風再熱，或使用轉(zhuǎn)輪除濕方式避免送風再熱；3.系統(tǒng)采用電鍋爐制備蒸汽用于冬季送風加濕，能源使用不合理，電消耗量大?？梢钥紤]采用其他能源形式，如燃氣，制備蒸汽。4.空調(diào)區(qū)域排風溫度較低，系統(tǒng)未對排風進行有效的熱回收?？梢钥紤]安裝熱回收器回收排風冷量和熱量；5.空調(diào)系統(tǒng)即使是在夜間工廠停工期間依舊運行，無效工作時間過長?？梢钥紤]在不影響工廠正常工作的前提下，晚間停機或節(jié)能運行；

三、系統(tǒng)改造方案介紹

基于對現(xiàn)系統(tǒng)的分析基礎之上，有兩個改造方案可供選擇：一個是在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎之上對部分設備和使用能源方式進行改進；二是摒棄冷卻除濕方案，采用轉(zhuǎn)輪除濕方法，實現(xiàn)房間溫濕度控制的分離。

根據(jù)方案一的總體思想，主要針對現(xiàn)有設備進行改造，從而達到轉(zhuǎn)變能源利用方式的目的?，F(xiàn)有系統(tǒng)存在著能源利用效率低造成的能源浪費現(xiàn)象。對此提出了以下4種改進措施：

(1)替換現(xiàn)有機組為螺桿式水冷冷水機組

(2)更改電再熱為蒸汽再熱

(3)排風熱回收

(4)空調(diào)機組蒸汽加濕

根據(jù)方案二的總體思想，對原系統(tǒng)除濕方式從原理上進行分析。原系統(tǒng)方案通過表冷器方式對空氣進行冷卻或除濕，其吸收的潛熱與顯熱比只能在一定的范圍內(nèi)變化。而空調(diào)區(qū)域?qū)嶋H需要的潛熱與顯熱比卻在較大的范圍內(nèi)變化。廠區(qū)空調(diào)區(qū)域的濕負荷產(chǎn)生于人體，室內(nèi)人數(shù)工作期間基本恒定，因此房間潛熱量變化不大。但顯熱卻隨氣候、室內(nèi)設備狀況等的不同大幅度變化。為協(xié)調(diào)熱濕之間的矛盾，需要對降溫除濕后的空氣進行再熱，這不但抵消了部分制冷量，又消耗加熱量，造成不必要的能源浪費。從現(xiàn)系統(tǒng)能耗計算結(jié)果來看，空調(diào)機組送風再熱量為空氣處理耗冷量的16.5%，占有相當?shù)谋壤?。而冷卻除濕的本質(zhì)就是靠降溫使空氣冷卻到露點而實現(xiàn)除濕，因此降溫與除濕必然同時進行，很難隨意改變二者之比。這樣，要解決空氣處理的顯熱與潛熱比與室內(nèi)熱濕負荷相匹配的問題，就必須尋找新的除濕方法，實現(xiàn)不依賴于溫度的濕度獨立控制。因此，我們考慮采用轉(zhuǎn)輪除濕的方式實現(xiàn)空調(diào)送風溫度和濕度的分離控制。

四、方案分析計算及比較

按照前述思路對兩方案在供冷減濕季 （4月至11月）和供熱加濕季（12月至次年3月）的運行能耗和二氧化碳排放情況進行模擬計算。其計算依照每噸標準煤發(fā)電4437.7kWh，并排放CO22620kg，電能價格0.572元/kWh；每噸標準煤制蒸汽10噸，并排放CO2127kg，蒸汽價格130元/噸。計算結(jié)果作為方案節(jié)能減排效果的比較依據(jù)。

原方案：

供冷減濕期處理過程：

新風機組負荷：（過程4-3）

Q1=M×(h4-h3)kW

空調(diào)機組負荷：（過程5-6）

Q2=M′×(h5-h6)kW

再熱負荷：（過程6-1）

Q3=Cp×M′×(t1-t6)kW

能量（電能）消耗： Q=(Q1+Q2)/COP+Q3kW

供熱加濕期處理過程：

新風機組負荷：（過程1-2） Q1=Cp×M×(t2-t1)kW

空調(diào)機組負荷：（過程4-5） Q2=Cp×M′×(t5-t4)kW

（其中，M為新風量，M’為混合后風量）

將各機組的能耗相加，分別得到夏季和冬季系統(tǒng)原方案的耗能情況。

夏季系統(tǒng)總冷量消耗為7,718,311kWh，制冷機房冷凍水系統(tǒng)全效率按照2.55計算，相應消耗電能為3,026,789kWh?？照{(diào)機組再熱器消耗電能1,274,144kWh，總消耗電量4,300,933kWh。電能價格以均價0.572元每千瓦時計算，電費為246.3萬元。電能二氧化碳排放比率按164kg/GJ計算，現(xiàn)系統(tǒng)夏季空調(diào)工況運行期間排放二氧化碳2539噸。

冬季加濕蒸汽消耗量為324.4噸，電鍋爐效率以95%計算，需要消費電能308164kWh，電能價格以均價0.572元每千瓦時計算，電費為17.6萬元。電能二氧化碳排放比率按164kg/GJ計算，冬季加濕過程排放二氧化碳182噸。

方案一：

(1)替換現(xiàn)有機組為螺桿式水冷冷水機組

現(xiàn)系統(tǒng)采用風冷冷水機組，三臺機組平均銘牌制冷效率僅為2.82，而常規(guī)水冷螺桿冷水機組制冷效率至少為4.0以上，性能良好的離心機組制冷效率更是可以超過6.0。

即便是替換現(xiàn)有冷水機組為螺桿式冷水機組，制冷效率也可以提高41%以上，冷凍水系統(tǒng)全效率可提高至3.47，增效36%。在系統(tǒng)消耗總冷量不變的前提下，可將系統(tǒng)年總電能消費量從4,300,933kWh降低至3,500,597kWh，年節(jié)約用電804,815kWh，降低運行費用46萬元人民幣，節(jié)約標準煤181.4噸，減少二氧化碳排放475噸/年。

(2)更改電再熱為蒸汽再熱

現(xiàn)有空調(diào)機組采用電再熱方式控制房間溫度。電能作為高品位的二次能源，用于直接加熱空氣，使用方式顯然不盡合理。此外由于電能價格高于天然氣等一次能源價格，使用電能加熱，運行費用也高于天然氣。本條改進措施建議設置燃氣蒸汽鍋爐，利用蒸汽再熱盤管控制房間空氣溫度。雖然本條措施不會降低再熱量，但是可以顯著提高一次能源使用效率，達到節(jié)能減排目的。

以天然氣價格2.1元/Nm3計算，采用天然氣鍋爐制備蒸汽再熱，可節(jié)約用于再熱運行費用40萬元/年，減少二氧化碳排放435.8噸/年。

(3)排風熱回收

為保持空調(diào)區(qū)域空氣質(zhì)量平衡，系統(tǒng)中設計了多個排風系統(tǒng)，排風總量等于兩臺新風機組送風總量，共51120m3/h。其中約80%(50%)的排風的冷（熱）量可以直接通過設置熱回收器預冷（熱）新風。

以熱回收器效率ε=50%計算，即對MC（質(zhì)量流量乘以比熱）較小的一側(cè)流體為

求出這一側(cè)流體換熱后的溫度，再通過熱平衡求出另一側(cè)流體換熱后的溫度

經(jīng)計算夏季供冷期可回收冷量43080kWh，節(jié)約電能27030（16894）kWh，降低年運行費用0.97萬元，節(jié)約標準煤3.8噸/年，減少二氧化碳排放10噸/年。冬季供熱期可回收熱量343860kWh，節(jié)約標準煤672.8噸/年，減少二氧化碳排放85.4噸/年。

(4)空調(diào)機組蒸汽加濕

現(xiàn)系統(tǒng)冬季加濕蒸汽源來自于電蒸汽鍋爐，如利用未來區(qū)域蒸汽源或自備天然氣鍋爐，可以大幅度降低一次能源耗量，減少CO2排放，同時也可以節(jié)約運行費用。因為蒸汽單位能量價格低于電能，采用天然氣制備蒸汽用于冬季加濕，不但可以降低二氧化碳排放量，還可以可節(jié)約系統(tǒng)運行費用。根據(jù)計算，替換電鍋爐蒸汽源為區(qū)域蒸汽源或自備天然氣鍋爐，用于冬季蒸汽加濕，可以節(jié)約年運行費用12.1萬元，減少二氧化碳排放105噸/年。

方案二：

新風機組負荷： Q′=Cp×M″×（120-ti）kW

空調(diào)機組負荷： Q2=Cp×M′×（tm-ts）kW

電能消耗： Q=（Q1+Q2）/COP kW

蒸汽消耗： Q′=Cp×M″×（120-ti）kW

（其中，hw為室外空氣焓，hd為進入除濕轉(zhuǎn)輪前空氣焓，tm為混風溫度，ts為送風溫度，ti為換熱器后的再生空氣溫度，M″為再生空氣量）

首先利用新風機組表冷器對室外空氣進行冷卻除濕至機器露點狀態(tài)，將含濕量降至11g/kg.d。之后進入轉(zhuǎn)輪除濕機組等焓減濕，含濕量降至4 g/kg.d，同時溫度升高至45℃。溫度較高的被處理空氣依次經(jīng)過與新鮮再生空氣的顯熱換熱和來自冷卻塔制備的冷卻水等含濕量冷卻過程，溫度將低至32℃。進入空氣處理機組與室內(nèi)回風（22℃，60%）混合，再經(jīng)過表冷器等含濕量冷卻至送風狀態(tài) （15℃，9.1g/kg.d），送入室內(nèi)。

由于在較長的供冷減濕季中，室外氣象參數(shù)變化很大，而對于不同的進風參數(shù)，除濕轉(zhuǎn)輪的性能曲線有所不同，從而溫升及出風參數(shù)也有所變化。因此在考慮修正時可以根據(jù)除濕轉(zhuǎn)輪的經(jīng)驗曲線，作出分段擬合曲線函數(shù)。設t為進風溫度，d1為進風含濕量，△t為溫升，d2為出風含濕量

再生空氣直接采用室外新風。首先與經(jīng)過轉(zhuǎn)輪除濕的被處理空氣進行顯熱熱交換，提高溫度，之后經(jīng)過蒸汽加熱器，升高溫度至120℃，送入除濕轉(zhuǎn)輪。

5 技術經(jīng)濟分析

靜態(tài)回收期不考慮銀行利率或企業(yè)內(nèi)部收益率因素影響，兩方案投資回收期如下表：

方案一靜態(tài)投資回收期為2.6年，方案二投資回收期為8.7年。

動態(tài)回收期以內(nèi)部收益率12%計算，兩方案靜現(xiàn)值分析如下表：

方案一動態(tài)投資回收期4年，方案二動態(tài)投資回收期超過10年。

五、小結(jié)

綜合以上計算分析，方案一無論在經(jīng)濟性上還是在二氧化碳減排效果上，均優(yōu)于方案二，故而推薦采用。

六、結(jié)論

在除濕改造的過程中通常由若干種方法可供選擇，但如何根據(jù)現(xiàn)有條件找到最優(yōu)方案是現(xiàn)有建筑節(jié)能改造的關鍵問題。本文通過空調(diào)系統(tǒng)除濕加濕過程中不合理因素的探索，提出針對性的改造方案，經(jīng)過對比其能耗以及經(jīng)濟性分析，得到了一個最經(jīng)濟節(jié)能而且減排力度最大的改造方案。

1.李震.從建筑物內(nèi)除濕過程的能效分析[J].暖通空調(diào),2005年第35卷第1期

2.畢峰.對冷凍除濕法與轉(zhuǎn)輪除濕法方案的比較[J].潔凈與空調(diào)技術,2001(1):9-11

3.V.Raghuraman.為了綠色企業(yè)提高能源效率[J].產(chǎn)業(yè)與環(huán)境,2001年第23卷第3期

4.秦瑞.空調(diào)除濕方式設計探討[J].煤礦現(xiàn)代化,2006年增刊

5.劉曉華,江億.溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)[M].中國建筑工業(yè)出版社

6.趙榮義等.空氣調(diào)節(jié)[M].中國建筑工業(yè)出版社

7.章熙民等.傳熱學[M].中國建筑工業(yè)出版社

8.連之偉等.熱質(zhì)交換原理與設備[M].中國建筑工業(yè)出版社