我國西北地區(qū)涂裝車間空調(diào)系統(tǒng)設計方案探討

韓俊杰 張川 孔飛

中國汽車工業(yè)工程有限公司

0 引言

近年來，隨著沿海地區(qū)和中西部地區(qū)之間要素成本差異的擴大和貿(mào)易成本差異的縮小，越來越多的制造業(yè)開始向中西部省份轉移。目前烏魯木齊、西安、寶雞等地已有多家汽車廠商投資建立汽車車間并投產(chǎn)使用。汽車制造四大工藝中，涂裝車間能耗比例占到70%左右[1]。而供給無塵清潔的、溫濕度恒定的空氣的空調(diào)機組所在的噴漆室系統(tǒng)在涂裝車間整體能耗中占58%左右。

本文將結合我國西北地區(qū)獨特的氣候條件和空氣質(zhì)量來確定合適的空調(diào)系統(tǒng)設計和溫濕度控制方案，并通過理論計算對比分析冬夏季新風與循環(huán)風空調(diào)能源消耗，以最大限度，節(jié)能減排和降低運營成本。

1 設計依據(jù)

1.1 西北地區(qū)室外空氣條件

我國西北五省大部分地區(qū)都處在半干旱和干旱地區(qū)，氣候干燥。冬季這些地區(qū)多為干冷氣候，室外干球溫度較低，空氣含濕量很小。夏季室外空調(diào)計算濕球溫度較低、干濕球溫差大[2]，如表1所示。

表1 西北地區(qū)空氣調(diào)節(jié)室外計算條件

空氣質(zhì)量方面，干旱的西北地區(qū)受生態(tài)環(huán)境、氣候、冷空氣、下墊面等因素影響，春季多為沙塵天氣，結合各種人類活動（燃料燃燒、汽車排放、工廠廢氣排放、建筑施工等），空氣污染主要為煤煙沙塵型污染[3-4]，冬春季空氣質(zhì)量較差。

1.2 噴漆室內(nèi)供風參數(shù)

目前主流的水性漆噴漆室供風參數(shù)一般要求為溫度20～25 ℃、相對濕度60%～70%。顆粒度要求如表2所示[1]：

表2 空調(diào)機組送風質(zhì)量參考基準

2 新風空調(diào)系統(tǒng)設計

涂裝車間噴漆室空調(diào)機組由空氣入口段、粗中高效過濾段、加熱段、表冷段、加濕段、再加熱段、風機段、均流段、消聲段、空氣出口段等單元組合在一個通道式的室體內(nèi)構成，根據(jù)工藝要求、當?shù)貧夂颉⒐S條件對功能單元選用及組合。

2.1 冬季設計工況

西北地區(qū)冬季室外為干冷氣候，室內(nèi)外溫差大，且空氣污染較嚴重，因此，新風空調(diào)機組設計時應重點考慮空氣過濾，溫濕度控制，保溫及防凍等要素。

2.1.1 空氣過濾

針對西北地區(qū)冬春季的沙塵天氣，為保護新風空調(diào)內(nèi)設備及下游各級過濾器的使用壽命，需要在上游進風位置設置預過濾器。目前常用的為防沙過濾器，其主要由安裝框架，過濾芯，接沙小車及配套的調(diào)節(jié)風閥四部分組成，安裝位置和安裝方式如圖1。防沙過濾器可有效減少進入新風空調(diào)內(nèi)的沙塵，降低新風空調(diào)內(nèi)過濾棉的更換周期和清潔周期，節(jié)省生產(chǎn)成本。防沙過濾器外設置導流罩及檢修平臺，可有效阻擋冬季風雪進入過濾器內(nèi)和方便檢修。

圖1 防沙過濾器的安裝

防沙過濾器為不銹鋼材質(zhì)，單位面積過濾風量可按12000 m3/h考慮，壓力損失約為300 Pa。過濾器前后可配置壓差開關，并設置合適的壓差報警值，壓差開關與過濾器側邊的調(diào)節(jié)風閥連鎖控制。

新風空調(diào)內(nèi)部根據(jù)車身質(zhì)量控制要求，設置2-3道袋式過濾器，單個袋式過濾器通風量建議為3000～3400 m3/h，過濾等級為F5或F7。

2.1.2 溫濕度控制

結合表1可求出西北地區(qū)冬季室外空氣和噴漆室內(nèi)溫濕度控制目標點（T：23 ℃，RH：65%）的焓值和絕對含濕量，如圖2所示?？梢钥闯?，西北地區(qū)冬季室外空氣焓值h0和絕對含濕量d0均遠低于噴漆室內(nèi)溫濕度控制目標點（T：23 ℃，RH：65%）的焓值T和絕對含濕量d。

圖2 冬季室外空氣與噴漆室溫濕度控制點對比

在焓濕圖上按照噴漆室溫濕度控制點A的等焓線和絕對含濕量線將焓濕圖進行分區(qū)，則西北地區(qū)冬季室外空氣狀態(tài)點均位于Ⅰ區(qū)，如圖3所示。

圖3 空氣狀態(tài)點分區(qū)

在此區(qū)域內(nèi)，空氣溫濕度控制過程為：

室外冷空氣首先由狀態(tài)點A0加熱至狀態(tài)點A1，此過程空氣干球溫度和焓值升高，絕對含濕量不變，相對濕度降低。再通過加濕，由狀態(tài)點A1變化到工藝要求狀態(tài)點A，此過程空氣焓值不變，干球溫度下降，絕對含濕量增加，相對濕度升高。因此，新風空調(diào)功能段布置時必須有加熱段和加濕段。

由于冬季室外干球溫度均為零下，因此加熱應優(yōu)先選擇天然氣直燃加熱，加濕采用高效霧化噴淋加濕。通過噴房靜壓室的溫濕度傳感器采集到的溫濕度信號反饋給PLC，PLC通過PID算法輸出信號控制燃燒器閥門開關量和加濕水泵運行頻率，由燃氣量和噴淋量的變化實現(xiàn)加熱量和加濕量的自動控制。

燃燒機一般安裝在進風管內(nèi)，如圖4所示，與初效過濾袋保持一定的安全距離，防止袋式過濾器在高溫下破損。

圖4 燃燒機設備布置圖

西北地區(qū)水質(zhì)硬度總體偏高，易結水垢。水垢對多級離心泵的葉片和霧化噴淋的噴嘴損耗很大。因此，空調(diào)加濕系統(tǒng)用水應采用純水，而不是工業(yè)水。

2.1.3 保溫及防凍

冬季室內(nèi)外溫差巨大，與防沙過濾器配套的空調(diào)進風室及進風管均需考慮保溫，否則溫差面會出現(xiàn)結露現(xiàn)象。進風管入口設置電動風閥，并與空調(diào)開關機連鎖，設備停機后可以自動關閉以切斷空調(diào)與外部冷空氣的連通。

冬季進氣溫度過低，必須考慮空調(diào)內(nèi)部其余功能段的防凍保護。采用天然氣直燃加熱時，風機啟動完成后，室外冷空氣大量進入，若燃燒器長時間啟動故障，送風溫度持續(xù)低于0 ℃時應立即執(zhí)行順序關機命令停止設備并報警。燃燒器正常開啟升溫且送風溫度高于15 ℃時，才允許加濕泵噴淋加濕。既避免了細水霧在低溫下結冰破壞加濕段擋水板，也避免了未氣化的細水霧進入噴漆室后誤觸發(fā)消防煙霧報警。

采用熱水盤管加熱時，盤管后必須安裝防凍開關。防凍開關與控制系統(tǒng)連鎖，當盤管后溫度低于5 ℃時，防凍開關給出報警信號并停止送、排風機運行，關閉入口風閥。且停機后熱水閥組回管控制閥應保留至少5%最低開度，確保盤管內(nèi)熱水一直出于循環(huán)狀態(tài)，避免風機葉輪停止轉動時冷空氣進入引起盤管凍裂。復位報警后，切換到正常狀態(tài)。

2.2 夏季設計工況

西北地區(qū)夏季新風空調(diào)機組設計時重點考慮溫濕度控制。夏季室外空氣的空氣焓值h0和絕對含濕量d0相對噴漆室內(nèi)溫濕度控制目標點（T：23 ℃，RH：65%）的焓值h和絕對含濕量d趨勢如圖5所示。

圖5 夏季室外空氣與噴漆室溫濕度控制點對比

可以看出，烏魯木齊、西寧、玉樹州的夏季室外空氣狀態(tài)點的焓值和絕對含濕量均低于溫濕度控制目標點，在焓濕圖上位于Ⅰ區(qū)。此區(qū)域內(nèi)室外空氣只有通過一次加熱和等焓加濕才能將溫濕度控制到目標點，但加熱量非常低，控制精度要求很高。新風空調(diào)功能段布置，空氣溫濕度控制流程及方案與冬季一致。

克拉瑪依、蘭州、酒泉的夏季室外空氣狀態(tài)點的焓值高于溫濕度控制目標點，絕對含濕量低于目標點，在焓濕圖上應位于Ⅱ區(qū)。此區(qū)域內(nèi)室外空氣溫濕度控制過程如下：

室外高溫、低濕空氣首先由狀態(tài)點A0經(jīng)表冷段降溫至狀態(tài)點A1，此過程空氣絕對含濕量不變，干球溫度、焓值降低，相對濕度增大。再通過加濕，將狀態(tài)點A1控制到工藝要求狀態(tài)點A，此過程空氣焓值不變，干球溫度下降，絕對含濕量增加，相對濕度升高。因此，新風空調(diào)功能段應布置表冷段和加濕段，PLC通過PID算法輸出信號控制表冷閥組閥門開關量和加濕水泵運行頻率，由冷水量和噴淋量的變化實現(xiàn)表冷量和加濕量的自動控制。

西安、延安、銀川、石嘴山的夏季室外空氣狀態(tài)點的焓值高于溫濕度控制目標點，絕對含濕量高于目標點，在焓濕圖上位于Ⅲ區(qū)。此區(qū)域內(nèi)室外空氣溫濕度控制過程如下：

室外高溫、高濕空氣先由狀態(tài)點A0表冷降溫至空氣露點，并持續(xù)降溫以凝結出多余的絕對含濕量，將狀態(tài)點控制到絕對含濕量線上的A1。此過程空氣絕對含濕量降低，干球溫度和焓值降低，相對濕度增大。再通過加熱，將狀態(tài)點A1控制到目標點A，此過程空氣絕對含濕量不變，干球溫度和焓值增大，相對濕度降低。因此，新風空調(diào)功能段應布置表冷段和加熱段。PLC通過PID算法輸出信號控制表冷閥組和加熱閥組的閥門開關量，由冷水量和熱水量的變化實現(xiàn)表冷量和加熱量的自動控制。

2.3 小結

通過對西北地區(qū)冬夏季室外空氣條件的分析，確定了不同季節(jié)的新風空調(diào)機組功能段布置方案。綜合全年的氣候條件，烏魯木齊、西寧、玉樹州區(qū)域的新風空調(diào)機組功能段應為粗中高效過濾段+一次加熱段+加濕段?？死斠?、蘭州、酒泉區(qū)域的新風空調(diào)機組為粗中高效過濾段+一次加熱段+表冷段+加濕段。西安、延安、銀川、石嘴山區(qū)域的新風空調(diào)機組為粗中高效過濾段+一次加熱段+表冷段+加濕段+二次加熱段。

3 循環(huán)風空調(diào)系統(tǒng)設計

3.1 溫濕度控制

通過西北地區(qū)室外空氣狀態(tài)與噴漆室溫濕度控制點對比曲線（圖2、圖5）可以看出，若空調(diào)設計采用全新風，冬季溫濕度控制需要耗費大量的燃氣和純水，而夏季根據(jù)地區(qū)的不同，耗費的能源呈現(xiàn)較大差異，且個別地區(qū)（如陜西）夏季表冷除濕和再加熱過程會耗費較大的冷量和熱量。因此，空調(diào)系統(tǒng)設計還應考慮噴漆室排風循環(huán)利用，以達到節(jié)能降耗的目的。

目前噴漆室常采用濕式文丘里或干式石灰石來去除排風中的過噴漆霧。濕式文丘里漆霧處理后的循環(huán)風空氣狀態(tài)位于焓濕圖中的Ⅲ區(qū)，可采用表冷除濕和加熱控制空氣溫濕度至噴漆室目標點。石灰石漆霧過濾后的循環(huán)風空氣狀態(tài)位于焓濕圖中的Ⅱ區(qū)，可采用表冷除濕和加濕控制空氣溫濕度至噴漆室目標點。因此，濕式噴漆室的循環(huán)風空調(diào)機組為粗中高效過濾段+表冷段+加熱段，干式噴漆室的循環(huán)風空調(diào)機組為粗中高效過濾段+表冷段+加濕段。

3.2 能耗對比

通過理論計算分別對比西北地區(qū)新風空調(diào)機組與循環(huán)風空調(diào)機組的溫濕度控制能耗，如圖7所示。

圖7 西北地區(qū)冬夏季新風與循環(huán)風能耗對比

可以看出，冬季循環(huán)風空調(diào)所需能耗遠遠低于新風空調(diào)。而夏季則根據(jù)地區(qū)氣候條件不同，存在一定的差異。新疆、甘肅、青海的濕式循環(huán)風空調(diào)所需能耗高于新風空調(diào)，陜西、寧夏的濕式循環(huán)風空調(diào)所需能耗低于新風空調(diào)，但寧夏低出不多。從全年綜合考慮，濕式循環(huán)風空調(diào)所需能耗仍遠低于新風空調(diào)。而無論冬季或夏季，干式循環(huán)風空調(diào)所需能耗最低。

因此，我國西北地區(qū)涂裝車間空調(diào)系統(tǒng)設計時，應最大限度地將噴漆室排風循環(huán)利用，以降低溫濕度控制的能耗。

4 結論

1）針對西北地區(qū)冬春季的沙塵天氣，油漆車間新風空調(diào)入口應設置防沙過濾器，降低室外空氣對內(nèi)部設備及過濾耗材的污染。

2）西北地區(qū)冬季室內(nèi)外溫差巨大，空調(diào)系統(tǒng)設計時必須做好保溫和防凍措施，并通過自控程序?qū)崿F(xiàn)報警及自動化控制。

3）西北地區(qū)油漆車間新風空間機組設計有三種組合方式，應根據(jù)當?shù)貧夂驐l件選用。

4）西北地區(qū)油漆車間新風空調(diào)冬季溫濕度控制所需能耗巨大，應最大限度地循環(huán)利用噴漆室排風。