胡振杰1 董紅霞2 彭鵬1

（1天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，天津，300072）（2 天津大學(xué)，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(fēng)集中處理方式。由兩臺(tái)新風(fēng)處理機(jī)組分別負(fù)責(zé)為相應(yīng)的空調(diào)機(jī)組提供新風(fēng)?？照{(diào)機(jī)組的冷凍水由兩臺(tái)制冷量分別為840kW和660kW的風(fēng)冷熱泵冷水機(jī)組和一臺(tái)制冷量為840kW的風(fēng)冷冷水機(jī)組提供。兩用一備的冷凍水泵輸入功率為45kW，負(fù)責(zé)冷凍水在全廠的輸配。設(shè)計(jì)工況機(jī)房冷凍水系統(tǒng)供冷全效率為2.55。

各空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)風(fēng)量、送風(fēng)參數(shù)及服務(wù)區(qū)域的室內(nèi)空氣設(shè)定參數(shù)如下表：

二、原空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化可能

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)冷水機(jī)組效率較低，冷卻除濕過(guò)程消耗電能較多。可以考慮采用轉(zhuǎn)輪除濕方式或使用高效電動(dòng)冷水機(jī)組；2.空調(diào)機(jī)組使用電能對(duì)送風(fēng)進(jìn)行再熱，電消耗量較大。可以考慮采用其他能源形式對(duì)送風(fēng)再熱，或使用轉(zhuǎn)輪除濕方式避免送風(fēng)再熱；3.系統(tǒng)采用電鍋爐制備蒸汽用于冬季送風(fēng)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?xì)?，制備蒸汽?.空調(diào)區(qū)域排風(fēng)溫度較低，系統(tǒng)未對(duì)排風(fēng)進(jìn)行有效的熱回收?？梢钥紤]安裝熱回收器回收排風(fēng)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(yùn)行，無(wú)效工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)?？梢钥紤]在不影響工廠正常工作的前提下，晚間停機(jī)或節(jié)能運(yùn)行；

三、系統(tǒng)改造方案介紹

基于對(duì)現(xiàn)系統(tǒng)的分析基礎(chǔ)之上，有兩個(gè)改造方案可供選擇：一個(gè)是在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)之上對(duì)部分設(shè)備和使用能源方式進(jìn)行改進(jìn)；二是摒棄冷卻除濕方案，采用轉(zhuǎn)輪除濕方法，實(shí)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(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，從而達(dá)到轉(zhuǎn)變能源利用方式的目的。現(xiàn)有系統(tǒng)存在著能源利用效率低造成的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。對(duì)此提出了以下4種改進(jìn)措施：

(1)替換現(xiàn)有機(jī)組為螺桿式水冷冷水機(jī)組

(2)更改電再熱為蒸汽再熱

(3)排風(fēng)熱回收

(4)空調(diào)機(jī)組蒸汽加濕

根據(jù)方案二的總體思想，對(duì)原系統(tǒng)除濕方式從原理上進(jìn)行分析。原系統(tǒng)方案通過(guò)表冷器方式對(duì)空氣進(jìn)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(fù)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(shè)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(duì)降溫除濕后的空氣進(jìn)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(fèi)。從現(xiàn)系統(tǒng)能耗計(jì)算結(jié)果來(lái)看，空調(diào)機(jī)組送風(fēng)再熱量為空氣處理耗冷量的16.5%，占有相當(dāng)?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(diǎn)而實(shí)現(xiàn)除濕，因此降溫與除濕必然同時(shí)進(jìn)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(fù)荷相匹配的問(wèn)題，就必須尋找新的除濕方法，實(shí)現(xiàn)不依賴于溫度的濕度獨(dú)立控制。因此，我們考慮采用轉(zhuǎn)輪除濕的方式實(shí)現(xiàn)空調(diào)送風(fēng)溫度和濕度的分離控制。

四、方案分析計(jì)算及比較

按照前述思路對(duì)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(yùn)行能耗和二氧化碳排放情況進(jìn)行模擬計(jì)算。其計(jì)算依照每噸標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)電4437.7kWh，并排放CO22620kg，電能價(jià)格0.572元/kWh；每噸標(biāo)準(zhǔn)煤制蒸汽10噸，并排放CO2127kg，蒸汽價(jià)格130元/噸。計(jì)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(guò)程：

新風(fēng)機(jī)組負(fù)荷：（過(guò)程4-3）

Q1=M×(h4-h3)kW

空調(diào)機(jī)組負(fù)荷：（過(guò)程5-6）

Q2=M′×(h5-h6)kW

再熱負(fù)荷：（過(guò)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(guò)程：

新風(fēng)機(jī)組負(fù)荷：（過(guò)程1-2） Q1=Cp×M×(t2-t1)kW

空調(diào)機(jī)組負(fù)荷：（過(guò)程4-5） Q2=Cp×M′×(t5-t4)kW

（其中，M為新風(fēng)量，M’為混合后風(fēng)量）

將各機(jī)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(jī)房冷凍水系統(tǒng)全效率按照2.55計(jì)算，相應(yīng)消耗電能為3,026,789kWh。空調(diào)機(jī)組再熱器消耗電能1,274,144kWh，總消耗電量4,300,933kWh。電能價(jià)格以均價(jià)0.572元每千瓦時(shí)計(jì)算，電費(fèi)為246.3萬(wàn)元。電能二氧化碳排放比率按164kg/GJ計(jì)算，現(xiàn)系統(tǒng)夏季空調(diào)工況運(yùn)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(jì)算，需要消費(fèi)電能308164kWh，電能價(jià)格以均價(jià)0.572元每千瓦時(shí)計(jì)算，電費(fèi)為17.6萬(wàn)元。電能二氧化碳排放比率按164kg/GJ計(jì)算，冬季加濕過(guò)程排放二氧化碳182噸。

方案一：

(1)替換現(xiàn)有機(jī)組為螺桿式水冷冷水機(jī)組

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

即便是替換現(xiàn)有冷水機(jī)組為螺桿式冷水機(jī)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(fèi)量從4,300,933kWh降低至3,500,597kWh，年節(jié)約用電804,815kWh，降低運(yùn)行費(fèi)用46萬(wàn)元人民幣，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jià)格高于天然氣等一次能源價(jià)格，使用電能加熱，運(yùn)行費(fèi)用也高于天然氣。本條改進(jìn)措施建議設(shè)置燃?xì)庹羝仩t，利用蒸汽再熱盤管控制房間空氣溫度。雖然本條措施不會(huì)降低再熱量，但是可以顯著提高一次能源使用效率，達(dá)到節(jié)能減排目的。

以天然氣價(jià)格2.1元/Nm3計(jì)算，采用天然氣鍋爐制備蒸汽再熱，可節(jié)約用于再熱運(yùn)行費(fèi)用40萬(wàn)元/年，減少二氧化碳排放435.8噸/年。

(3)排風(fēng)熱回收

為保持空調(diào)區(qū)域空氣質(zhì)量平衡，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了多個(gè)排風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)總量等于兩臺(tái)新風(fēng)機(jī)組送風(fēng)總量，共51120m3/h。其中約80%(50%)的排風(fēng)的冷（熱）量可以直接通過(guò)設(shè)置熱回收器預(yù)冷（熱）新風(fēng)。

以熱回收器效率ε=50%計(jì)算，即對(duì)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(guò)熱平衡求出另一側(cè)流體換熱后的溫度

經(jīng)計(jì)算夏季供冷期可回收冷量43080kWh，節(jié)約電能27030（16894）kWh，降低年運(yùn)行費(fèi)用0.97萬(wàn)元，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)煤672.8噸/年，減少二氧化碳排放85.4噸/年。

(4)空調(diào)機(jī)組蒸汽加濕

現(xiàn)系統(tǒng)冬季加濕蒸汽源來(lái)自于電蒸汽鍋爐，如利用未來(lái)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(shí)也可以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。因?yàn)檎羝麊挝荒芰績(jī)r(jià)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(yùn)行費(fèi)用。根據(jù)計(jì)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(yùn)行費(fèi)用12.1萬(wàn)元，減少二氧化碳排放105噸/年。

方案二：

新風(fēng)機(jī)組負(fù)荷： Q′=Cp×M″×（120-ti）kW

空調(diào)機(jī)組負(fù)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(jìn)入除濕轉(zhuǎn)輪前空氣焓，tm為混風(fēng)溫度，ts為送風(fēng)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(fēng)機(jī)組表冷器對(duì)室外空氣進(jìn)行冷卻除濕至機(jī)器露點(diǎn)狀態(tài)，將含濕量降至11g/kg.d。之后進(jìn)入轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組等焓減濕，含濕量降至4 g/kg.d，同時(shí)溫度升高至45℃。溫度較高的被處理空氣依次經(jīng)過(guò)與新鮮再生空氣的顯熱換熱和來(lái)自冷卻塔制備的冷卻水等含濕量冷卻過(guò)程，溫度將低至32℃。進(jìn)入空氣處理機(jī)組與室內(nèi)回風(fēng)（22℃，60%）混合，再經(jīng)過(guò)表冷器等含濕量冷卻至送風(fēng)狀態(tài) （15℃，9.1g/kg.d），送入室內(nèi)。

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

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

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(dòng)態(tài)回收期以內(nèi)部收益率12%計(jì)算，兩方案靜現(xiàn)值分析如下表：

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

五、小結(jié)

綜合以上計(jì)算分析，方案一無(wú)論在經(jīng)濟(jì)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(guò)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(guān)鍵問(wèn)題。本文通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)除濕加濕過(guò)程中不合理因素的探索，提出針對(duì)性的改造方案，經(jīng)過(guò)對(duì)比其能耗以及經(jīng)濟(jì)性分析，得到了一個(gè)最經(jīng)濟(jì)節(jié)能而且減排力度最大的改造方案。

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