熱回收系統(tǒng)在涂裝車間空調系統(tǒng)中的應用分析

王 剛，馬 力，王建凱，趙曉輝，遲兆武，杜林林，王錚昊

（中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

汽車涂裝車間對潔凈度和溫濕度要求較高，一般通過空調送排風系統(tǒng)控制車間內的溫度和相對濕度，使得涂裝車間內部相對外部微正壓，防止灰塵進入車間。隨著汽車行業(yè)競爭的日益加劇，節(jié)能降耗及控制成本是各主機廠增效、創(chuàng)收的主要手段。其中涂裝車間是整個主機廠的能源大戶，在涂裝車間內，噴漆室的能耗最大，大約占整個涂裝車間總能耗的50%左右，而空調送排風系統(tǒng)又占40%左右，因此，空調送排風系統(tǒng)的節(jié)能降耗至關重要。

1 空調系統(tǒng)介紹

空調系統(tǒng)是為滿足設備通風、溫濕度和潔凈度要求而配置的專用設備。根據(jù)各區(qū)域送風工藝要求、外界氣候條件不同，空調內部的功能段配置也不相同。通常完整的空調系統(tǒng)包含以下功能段：一次加熱段、進風段、初效過濾段、表冷段、加濕段、二次加熱段、風機段、消音段、中效過濾段、出風段，如圖1所示。

圖1 空調系統(tǒng)組成

通過氣象資料可以查詢工程所在地的外界氣候條件，涂裝車間噴漆室的送風要求一般為溫度（22±1）℃，相對濕度（65±3）%。根據(jù)焓濕圖控制原理，可以計算得出空調系統(tǒng)各個功能段的能源需求。因空調系統(tǒng)的能源消耗較大，如果達到送風溫濕度要求的風量直接排放，造成能源的大量浪費，通過熱回收系統(tǒng)將滿足送風要求的排風與空調系統(tǒng)入口的外界新鮮風進行換熱，可以節(jié)約大量能源。

2 熱回收系統(tǒng)

2.1 熱回收系統(tǒng)的原理

以冬季為例，熱回收系統(tǒng)的原理如圖2所示。 滿足溫濕度要求的排風將排風側熱回收盤管內的液體介質加熱，循環(huán)水泵將液體介質輸送到新風側的熱回收盤管，將進風側的新鮮風預熱。使得空調進風溫度更加接近送風要求，達到節(jié)省能源的目的。（夏季與冬季的原理相同，其效果是冬季預熱，夏季預冷。）

圖2 熱回收系統(tǒng)原理圖

2.2 熱回收系統(tǒng)的組成

熱回收系統(tǒng)由熱回收盤管、熱回收管路、熱回收閥組組成。

根據(jù)熱回收系統(tǒng)的原理可知，熱回收盤管一般設置在空調系統(tǒng)的第一個功能段，對外界新風進行預熱或預冷。

空調A熱回收系統(tǒng)如圖3所示，空調B熱回收系統(tǒng)如圖4所示。

由于排風側的熱回收盤管表面會產生冷凝水，因此排風側的熱回收盤管必須設置擋水板和接水盤，便于冷凝水的排放。冬季，由于室外空氣溫度較低，排風中可能會出現(xiàn)結冰現(xiàn)象。為防止盤管凍壞，熱回收閥組上可設置一個三通調節(jié)閥，將部分液體介質旁通。熱回收閥組的結構組成如圖5所示，主要包括循環(huán)水泵、Y型過濾器、膨脹罐、蝶閥、三通調節(jié)閥、壓力表和溫度表。膨脹罐用來補償液體介質的溫度變化而產生的管道中的體積變化。膨脹罐內部被隔膜分成兩個獨立的部分，一側預充一定壓力的氣體，另一側與管道內的液體介質接觸。當液體介質的體積變大時，膨脹擠壓空氣側的體積，同時空氣側的壓力相應變大。

圖3 空調A熱回收系統(tǒng)結構組成

圖4 空調B熱回收系統(tǒng)結構組成

圖5 熱回收閥組的結構組成

2.3 熱回收系統(tǒng)循環(huán)介質

通常采用一定濃度的乙二醇作為熱回收循環(huán)系統(tǒng)內的液體介質，滿足載冷劑的 6 項基本要求：（1）在使用范圍內，不凝固，不氣化。（2）無毒，化學穩(wěn)定性好，對金屬不腐蝕。（3）比熱大，輸送一定能量所需流量小。（4）密度小，黏度小，可減小流動阻力，降低循環(huán)泵消耗功率。（5）導熱系數(shù)大，可減少換熱設備的傳熱面積。（6）來源充裕，價格低廉。

3 空調能耗計算

以北京某涂裝車間的工程案例為例，外界氣候條件及空調送風要求如表1所示。

表1 外界氣候條件及空調送風要求

耗熱量計算公式為

其中，為單位時間耗熱量，kJ/h；為風量，m3/h；為空氣密度，kg/m；Δ為焓差，kJ/kg。

耗水量計算公式為

其中，為單位時間耗水量，kg/h；為風量，m3/h；為空氣密度，kg/m；Δ為含濕量差，g/kg。

3.1 無熱回收系統(tǒng)情況下的能耗計算

通過焓濕圖查得，極端天氣條件下，外界空氣的初始溫濕度和目標溫濕度之間的焓差和含濕量差值，經式（1）和式（2）可計算出相應的熱量、冷量和加濕水量的能耗值如表2所示。

表2 無熱回收系統(tǒng)情況下的空調能耗表

3.2 有熱回收系統(tǒng)情況下的能耗計算

冬季和夏季極端天氣條件下，通過理論計算，可以得到空調新風經過熱回收系統(tǒng)后的溫濕度變化，通過焓濕圖查得經過熱回收系統(tǒng)后的新風溫濕度和目標溫濕度之間的焓差和含濕量差值，其結果分別如表3和表4所示。

表3 冬季新風經過熱回收系統(tǒng)后的溫濕度變化

表4 夏季新風經過熱回收系統(tǒng)后的溫濕度變化

經式（1）和（2）可計算出空調A和空調B在有熱回收系統(tǒng)的情況下相應的熱量、冷量和加濕水量的能耗值，其結果如表5所示。

表5 有熱回收系統(tǒng)情況下的空調能耗表

3.3 空調能耗對比及經濟效益分析

通過對比表2和表5可得出兩臺空調每小時節(jié)省的能耗，如表6所示。

表6 空調能耗對比表

經過熱回收系統(tǒng)后，外界天氣的絕對含濕量未發(fā)生變化，因此有無熱回收系統(tǒng)，對空調系統(tǒng)的實際耗水量無明顯影響。表5數(shù)據(jù)也可以驗證此結論。

根據(jù)生產需要，空調A每天24小時連續(xù)運行，空調B每天13小時連續(xù)運行。

根據(jù)電壓縮制冷機組計算公式

式中，為電壓縮制冷機組的制冷功，kW；為電壓縮制冷機組耗電量，kW；COP為電壓縮制冷機組的制冷系數(shù)，取值為2.8，則

查詢氣象資料可知，夏季6－8月份的外界氣溫最高，假設出現(xiàn)極端天氣的概率為50%，粗略計算，空調A和B夏季可節(jié)約的冷量折合成電量分別為

空調A：

空調B：

此工程案例的用電單價為0.8元/度，兩臺空調夏季可節(jié)省電費0.8×（114 343+170 644）≈ 227 990元。

冬季12－2月份的外界氣溫最低，假設出現(xiàn)極端天氣的概率為50%，粗略計算，空調A和B冬季可節(jié)約的天然氣分別為

空調A：79×24×90×0.5= 85 320 m

空調B：217×13×90×0.5= 126 945 m

此工程案例的天然氣單價為2.63元/m，兩臺空調冬季可節(jié)省天然氣費用2.63×（85 320+126 945）≈558 257元。

顯然，兩臺空調在熱回收系統(tǒng)使用下，每年可至少節(jié)約能源費用為78.6萬元。

4 結論

從表6可以看出，在同等外界天氣條件下，對于相同風量的空調送排風系統(tǒng)來說，有熱回收系統(tǒng)與無熱回收系統(tǒng)的空調送排風系統(tǒng)相比，每小時可節(jié)約天然氣耗量40%左右，每小時可節(jié)約冷量18%左右。粗略計算，此工程案例的兩臺空調送排風系統(tǒng)每年可節(jié)約運行成本近80萬元。熱回收系統(tǒng)對涂裝車間空調送排風系統(tǒng)具有非常顯著的節(jié)能效果。兩年左右即可收回熱回收系統(tǒng)的額外投資成本。對汽車涂裝車間空調送排風系統(tǒng)的運行成本估算和熱回收系統(tǒng)的投資可行性分析具有指導意義。