許俊峰
(廈門圣鼎建設(shè)工程有限公司 廈門市 361000)
吳江某電子廠坐落在吳江市中山北路,生產(chǎn)車間總建筑面積為:12621m2,主體為1層,建筑層高為7m,凈化車間層高3.5m(實(shí)驗(yàn)室3m)。該廠為外資,生產(chǎn)一些電子元器件的產(chǎn)品,室內(nèi)空調(diào)工程于2003年5月竣工。
根據(jù)工廠的平面構(gòu)造我們大概可分為幾塊區(qū)域:原材料中轉(zhuǎn)區(qū),拆包區(qū)(30萬級別),組裝加工區(qū)(十萬級),包裝區(qū)(30萬級),實(shí)驗(yàn)區(qū)(十萬級)。
由于該項(xiàng)目用電量相對較大,跟廠區(qū)相關(guān)工程師溝通后,發(fā)現(xiàn)扣除原機(jī)器生產(chǎn)設(shè)備的用電量,其余的用電量還是偏大,而其余用電量暖通空調(diào)占主體,所以我們此次的主要問題點(diǎn)就集中的原空調(diào)系統(tǒng)方面。參考原設(shè)計(jì)的廠區(qū)溫濕度要求表如表1。
表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)
原設(shè)計(jì)每個(gè)區(qū)域單獨(dú)采用一組空調(diào)柜進(jìn)行控制,即:拆包區(qū)(AHU-1),組裝加工區(qū)(AHU-2-1,AHU-2-2),包裝區(qū)(AHU-3),實(shí)驗(yàn)區(qū)(AHU-4)。
表2
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,我們對原設(shè)計(jì)的冷負(fù)荷進(jìn)行重新核算,主要從以下幾方面:
根據(jù)公式[3]
式中:
A——外墻和屋面的面積,m2;
K——外墻和屋面的傳熱系數(shù),W/m2·℃;tR——室內(nèi)計(jì)算溫度,℃;
tc(τ)——外墻和屋面冷負(fù)荷計(jì)算溫度的逐時(shí)值,℃。
t′c(τ)=tc(t)+td
t′c(τ)——經(jīng)過修正的本地外墻或屋面計(jì)算溫度逐時(shí)值,℃。
td——地點(diǎn)(上海市)修正值(td=1.2℃)由《暖通空調(diào)》附錄2-6查得。
ka——外表面放熱系數(shù)修正值,由教材《暖通空調(diào)》表2-8計(jì)算查得。
kρ——吸收系數(shù)修正,由教材《暖通空調(diào)》表2-9查得。
根據(jù)查《暖通空調(diào)》得公式:Q·c(τ)=AiKi(to,m+△ta-tR)式中:
A——內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積,m2;
Ki——內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù),W/m2·℃;
to,m——夏季空調(diào)室外計(jì)算日平均溫度,℃;
△ta——附加溫升,℃。
查《暖通空調(diào)》,△ta=3℃。
根據(jù)業(yè)主的提供的機(jī)器資料,設(shè)備及其電動機(jī)都放在室內(nèi)。
式中:N——電動設(shè)備的安裝功率,kW;
Ki——內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù),W/m2·℃;
η——電動機(jī)效率;
n1——利用系數(shù),是電動機(jī)最大實(shí)效功率與安裝功率之比,一般可取0.7~0.9,可用于反映安裝功率的利用程度;
n2——電動機(jī)負(fù)荷系數(shù),定義為電動機(jī)每小時(shí)平均實(shí)耗功率與機(jī)器設(shè)計(jì)最大實(shí)耗功率之比,對精密機(jī)床可取0.15~0.40,對普通機(jī)床可取0.5左右。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求區(qū)內(nèi)的照度不得小于1500lox。據(jù)電工知識可以確定燈具的盞數(shù),根據(jù)《暖通空調(diào)》燈具之獲得熱公式:
Q·c(τ)=1000n1n2NCLQ
式中:Q·c(τ)——燈具散熱形成的冷負(fù)荷,W;N——照明燈具所需功率,kW;
n1——鎮(zhèn)流器消耗功率系數(shù),當(dāng)明裝熒光燈的鎮(zhèn)流器裝在空
調(diào)房間內(nèi)時(shí),取n1=1.2;當(dāng)暗裝熒光燈鎮(zhèn)流器裝高在頂棚時(shí),可取n1=1.0;
n2——燈罩隔熱系數(shù),當(dāng)熒光燈罩上部穿有小孔(下部為玻璃板),可利用自然通風(fēng)散熱于頂棚內(nèi)時(shí),取n2=0.5~0.6;而熒光燈罩無通風(fēng)孔者 n2=0.6~0.8;
QLQ——照明散熱冷負(fù)荷系數(shù)。
n1取1.2,n2取0.8;查《暖通空調(diào)》附錄2-22取QLQ=0.37。
n3——同時(shí)使用系數(shù),定義為室內(nèi)電動機(jī)同時(shí)使用的安裝功率與總安裝功率之比,一般取0.5~0.8。
n1取 0.9,n2取 0.4,n3取 0.8,η 查《暖通空調(diào)》表 2-11取值。
由公式:Q·c(τ)=qsnφCLQ
式中:Q·c(τ)——人體顯熱散熱形成的冷負(fù)荷,W;
qs——不同室溫和勞動性質(zhì)成年男子顯熱散熱量,W;
n——室內(nèi)全部人數(shù);
φ——群集系數(shù);
QLQ——人體顯熱散熱冷負(fù)荷系數(shù)。
由公式:Q·c=qnφ
式中:Q·c——人體潛熱散熱形成的冷負(fù)荷,W;
q——不同室溫和勞動性質(zhì)成年男子潛熱散熱量,W。
查《暖通空調(diào)》表 2-12、表 2-13和附錄2-23,qs取 83,φ 取 0.90,QLQ取 0.84,q 取 152。
根據(jù)蘇州夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度34℃,濕球溫度28.2℃,由濕空氣焓濕圖查得室外空氣焓值ho=91.2kJ/kg。
當(dāng)tR=25℃,φ=55%時(shí),室內(nèi)空氣焓值hR=52.5kJ/kg;
ho-hR=91.2-52.5=38.7 代入:qo=0.33×Q(ho-hR)可求得。
qo——新風(fēng)冷負(fù)荷W;
Q——新風(fēng)量m3/h。
查詢相關(guān)的數(shù)值代入以上6方面的負(fù)荷公式,及業(yè)主提供的資料,核算出原本各個(gè)車間的冷負(fù)荷值分別如下:拆包區(qū)235W/m2,加工組裝區(qū)450W/m2,包裝區(qū)230W/m2,實(shí)驗(yàn)室575W/m2(具體詳細(xì)計(jì)算過程就不一一帶入以上公式列出來)跟之前設(shè)計(jì)的結(jié)果并無明顯出入,也印證了之前負(fù)荷設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求的,但通過負(fù)荷核算完我們可以準(zhǔn)備的發(fā)現(xiàn)兩個(gè)車間的冷負(fù)荷指標(biāo)相對偏高,即加工組裝區(qū)和實(shí)驗(yàn)室區(qū)域。通過深入了解兩個(gè)區(qū)域冷負(fù)荷指標(biāo)高的原因都是因?yàn)橐氪罅康男嘛L(fēng)引起的,顧下面我們就主要對新風(fēng)比例及新風(fēng)量進(jìn)行詳細(xì)核算。
式中:V——潔凈室體積,m3;
L冷——空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量m3/h。
以拆包區(qū)為例,送風(fēng)量L冷為:105000m3/h,體積:V=2200×3.5=7700m3,帶入公式中n冷為13.6次,其余帶幾個(gè)房間帶入公式分別為加工組裝區(qū)17次,包裝區(qū)為15次,實(shí)驗(yàn)室為17次,根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》可知道,30萬級的潔凈室廠房的換氣次數(shù)要求n>=10次/h,10萬級的潔凈室廠房的換氣次數(shù)要求n>=15次/h,所以之前設(shè)計(jì)的送風(fēng)量符合要求,風(fēng)量設(shè)計(jì)準(zhǔn)確。
當(dāng)不能確切知道人員數(shù)或漏泄情況時(shí),或者在初步方案時(shí)以及估算校核用,可采用新風(fēng)應(yīng)占總風(fēng)量一定比例的方法來確定新風(fēng)量,用換氣次數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值估算無塵室的壓差值。對于無塵室的壓差值計(jì)算方法通常也有縫隙法,但由于縫隙法數(shù)值及計(jì)算過于復(fù)雜,對于門縫數(shù)量,長度等調(diào)查取證會耗費(fèi)大量時(shí)間及容易產(chǎn)生漏算的情況,近年來基本采用相對容易計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)值估算法。
系統(tǒng)新風(fēng)量按《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,對于亂流潔凈室,新風(fēng)量不應(yīng)小于總風(fēng)量的10~30%,對于單向流無塵室,新風(fēng)量應(yīng)不小于總送風(fēng)量的2~4%。原則是:無塵室高度越低新風(fēng)比越大。當(dāng)然,對于全部用循環(huán)風(fēng)的場合,或者工藝需要或允許時(shí),新風(fēng)比可不按以上比例取。換氣次數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值估算,即當(dāng)無塵室的壓差值為5Pa時(shí),壓差風(fēng)量即新風(fēng)量相應(yīng)的換氣次數(shù)為1~2次,當(dāng)無塵室的壓差值為10Pa時(shí),壓差風(fēng)量相應(yīng)的換氣次數(shù)為2~4次。因?yàn)闊o塵室壓差風(fēng)量的大小是根據(jù)無塵室維護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性及維持的壓差有關(guān),所以在選取換氣次數(shù)時(shí),對于氣密性差的房間可以取上限,對于氣密性好的房間可以取下限。本次房間隔墻經(jīng)過檢查后發(fā)下膠水及密封均良好,固按照氣密性好的房間進(jìn)行計(jì)算。把本
由空調(diào)冷負(fù)荷要求的其換氣次數(shù)為:次的四個(gè)房間代入換氣次數(shù)公式:n次/h后得出新風(fēng)換氣次數(shù),參照上述《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,我們可以發(fā)現(xiàn),新風(fēng)換氣次數(shù)拆包和包裝兩個(gè)車間在規(guī)范要求內(nèi),組裝加工車間為4.28次/h,實(shí)驗(yàn)室為15次,均超出規(guī)定的上限要求。
針對上面新風(fēng)的計(jì)算結(jié)果我們詳細(xì)深入了解,為何組裝加工車間和實(shí)驗(yàn)室為何新風(fēng)量會超過規(guī)范要求。經(jīng)過原始圖紙及現(xiàn)場的考察,發(fā)現(xiàn)組裝加工車間的4條線線上,每條線上有一個(gè)注塑和焊接的部位,占地面積約:4m(長)×3m(寬),次地方由于有加熱及注塑發(fā)熱,注塑發(fā)熱散發(fā)氣味,固設(shè)備上方有一個(gè)大的排氣管道連接設(shè)備排氣口,設(shè)備從周邊吸風(fēng)排走,查詢排風(fēng)機(jī)參數(shù):每條線的排風(fēng)量為:10000m3/h;而實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)量大的原因因?yàn)椴捎昧巳腿棚L(fēng)的系統(tǒng),在和廠務(wù)溝通中我們得知實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候會用到有刺激性氣味,對人體會造成影響,所以實(shí)驗(yàn)室早期設(shè)計(jì)為負(fù)壓房,空調(diào)系統(tǒng)為全送全排系統(tǒng)。因此針對以上調(diào)查我們把兩個(gè)問題點(diǎn)分別拆開解決。
大家都知道,新風(fēng)的處理量直接影響了空調(diào)的冷負(fù)荷量,冷負(fù)荷直接會影響到耗電量,處理新風(fēng)的耗電量是比較高的,在保持工業(yè)工藝性的生產(chǎn)要求下如果能減少新風(fēng)的送風(fēng)量或者降低工藝排風(fēng)量,對于可回收的新風(fēng)冷負(fù)荷,回收完再排放都可以取到節(jié)能減排的作用。
針對組裝車間的特點(diǎn),根據(jù)與現(xiàn)場管理生產(chǎn)人員的溝通,此排風(fēng)主要為了排出熱氣及異味,對于潔凈度有要求而對送風(fēng)溫濕度并無嚴(yán)格要求,而機(jī)器本身為整體的流水線,所以無法肢解,流水線中后段對潔凈度和溫濕度有要求,因此針對此特點(diǎn),我們大膽的提出直送直排系統(tǒng):即增加一臺全新風(fēng)送風(fēng)過濾系統(tǒng),四條流水線排風(fēng)量由新增的新風(fēng)過濾機(jī)組承擔(dān),新風(fēng)送風(fēng)機(jī)組由初中效段+風(fēng)機(jī)段+高效段組成,并相應(yīng)降低原本組合風(fēng)柜的新風(fēng)送風(fēng)量,對于排氣設(shè)備四周用密閉的隔墻板封閉,只留下進(jìn)行材料傳送的傳送帶,改造示意圖參考圖1。
圖1 改造后設(shè)備排風(fēng)示意圖
原流水線設(shè)備排風(fēng)量10000m3/h每臺,共計(jì)4條,總排風(fēng)量為:40000m3/h。
對于新增的新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng),我們希望其送風(fēng)不對擴(kuò)散到周邊的環(huán)境,固我們要把新做的設(shè)備隔墻區(qū)域做成負(fù)壓區(qū),相比比周邊的環(huán)境壓差略低,同樣采用《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的經(jīng)驗(yàn)值估算法我們把該小區(qū)域的負(fù)壓換氣次數(shù)設(shè)定為4次,該區(qū)域體積為:5m×3.5m×3.5高61.25m3,總負(fù)壓風(fēng)量為:61.25×4=245m3/h。因此4條線的總送風(fēng)量為:4×(10000-245)=39020m3/h。
針對實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn),提出另外一個(gè)方案:對排風(fēng)的冷負(fù)荷進(jìn)行回收,目前對于此系統(tǒng)冷負(fù)荷的回收方案,近幾年有非常適合的產(chǎn)品——全熱交換器。全熱交換器是一種高效節(jié)能的熱回收裝置,通過回收排氣中的余熱對引入空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱或預(yù)冷,在新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)或空調(diào)機(jī)組的表冷器進(jìn)行熱濕處理之前,降低(增加)新風(fēng)焓值。有效降低空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷,節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)能耗和運(yùn)行費(fèi)用,有效地解決了提高室內(nèi)空氣品質(zhì)與空調(diào)節(jié)能之間的矛盾,在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能領(lǐng)域中具有不可替代的作用。全熱交換器可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外雙向換氣,新風(fēng)和污風(fēng)等量置換,新風(fēng)和排風(fēng)完全隔開,徹底避免交叉感染發(fā)生。因此此設(shè)備非常適用這次的實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)改造。查看原設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)風(fēng)量為30600m3/h,而實(shí)驗(yàn)室的新風(fēng)送風(fēng)量為27000m3/h,處于負(fù)壓狀態(tài),本次選型取送回風(fēng)小的的風(fēng)量為依據(jù),選擇處理風(fēng)量為27000m3/h的全熱交換器,改造后示意圖參考圖2。
根據(jù)上面列出的新風(fēng)冷負(fù)荷計(jì)算方法和數(shù)據(jù),在夏季工況情況下,室內(nèi)外焓差為38.7kJ/kg,組裝加工車間的新增的新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)新風(fēng)量39020m3/h,代入:qo=0.33×Q(ho-hR)可求得新風(fēng)冷負(fù)荷:qo=498324.42,W=498.324kW。
圖2 實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)改造示意圖
實(shí)驗(yàn)室方面,根據(jù)某品牌的全熱交換器提供的參數(shù),在全熱交換器在運(yùn)行中高溫新風(fēng)的熱量除大部分通過紙芯傳給低溫排風(fēng)外,尚有少量熱量通過交換器殼體傳給大氣,因此用熱平衡來做焓濕圖存在一定的困難。用濕平衡來做圖比較方便準(zhǔn)確,即新風(fēng)的水蒸汽傳給排風(fēng),并無其它損失,收支平衡。參考廠家提供的實(shí)驗(yàn)焓濕圖。
圖3 焓濕圖
全熱換熱效率計(jì)算公式:
x1、x2、x3、——分別代表新風(fēng)進(jìn)口、新風(fēng)出風(fēng)、排風(fēng)進(jìn)口的焓(溫度、濕度)值;
Ms——代表送風(fēng)質(zhì)量流量;
Mmin——代表送風(fēng)和排風(fēng)中質(zhì)量流量較小的一個(gè)。在不考慮質(zhì)量流量差異(也就是新風(fēng)量和排風(fēng)量相同的情況下)可以簡化成下面的表達(dá)式:
顯熱交換效率ηt=(t1-t2)/(t1-t3)×100%;濕交換效率ηd=(d1-d2)/(d1-d3)×100%;全熱交換效率ηi=(i1-i2)/(i1-i3)×100%。
t1、d1、i1-新風(fēng)的初溫度℃、初濕度 g/kg、初焓值 kJ/kg;
t2、d2、i2-新風(fēng)的終溫度℃、終濕度 g/kg、終焓值 kJ/kg;
t3、d3、i3-排風(fēng)的初溫度℃、初濕度 g/kg、初焓值 kJ/kg。
參考上方數(shù)據(jù),室外新風(fēng)干球溫度t1=34℃,空氣焓值:i3=91.2kJ/kg。
排風(fēng)初溫度t3=25℃,室內(nèi)空氣焓值:i3=52.5kJ/kg;機(jī)器設(shè)備的全熱交換效率,銘牌上顯示70%,把以上數(shù)據(jù)帶入第三個(gè)分公式得出:i2=64.11kJ/kg。再把處理后的回風(fēng)代入:qo=0.33×Q(ho-hR),得出節(jié)省的新風(fēng)冷負(fù)荷為:qo=0.33×27000×(91.2-64.11)=241371.9,W=241.3719kW;綜上改造后可節(jié)省的新風(fēng)冷負(fù)荷:q總=241.3719+498.324=739.6959kW。查詢原工廠主機(jī)的樣冊,在7度供水的情況下,制冷效率為:η=5.28,即我們新風(fēng)冷負(fù)荷:q總/制冷效率η=設(shè)備耗電量N(設(shè)備節(jié)約電量kW),將數(shù)據(jù)帶入公式得出:739.6959/5.28=140kW,即每小時(shí)可節(jié)約用電140kW,為了便于計(jì)算,本次計(jì)算我們只考慮主機(jī)能能耗,至于水泵減少的流量帶來的節(jié)能以及新增風(fēng)機(jī)的功率這里就不再詳細(xì)推算。
根據(jù)蘇州冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度-2.5℃,冬季工況如下,冬季空調(diào)室外計(jì)算相對濕度77%,由濕空氣焓濕圖查得室外空氣焓值:ho=3.35kJ/kg,代入:qo=0.33×Q(ho-hR)可求得加工組裝車間節(jié)省的新風(fēng)熱負(fù)荷:qo=632884.89,W=632.88489kW,代入全熱交換效率:ηi=(i1-i2)/(i1-i3)×100%,得出:i2=37.775kJ/kg,再代入:qo=0.33×Q(ho-hR),可求得實(shí)驗(yàn)室車間節(jié)省的新風(fēng)熱負(fù)荷:306726.75w=306.72675kW,總的節(jié)省的新風(fēng)熱負(fù)荷為:306.72675+632.88489=939.61164kW,由于原廠的加熱方式采用的是天然氣鍋爐加熱的方式,鍋爐熱效率為η=90%。在這我們?yōu)榱撕喕?jì)算,不考慮管道熱損失及全熱交換器的耗電量,天然氣熱值為:Q氣=8600Kcal/m3,新風(fēng)熱負(fù)荷換算成熱量單位為:Q=857.41×939.61164=805632.416252Kcal,Q/(Q氣·η)=天然氣用量V,代入公式得出天然氣用量V=104m3。
根據(jù)蘇州的夏季工況時(shí)間為每年5月~11月,冬季工況為每年的12月~3月,工廠每天運(yùn)轉(zhuǎn)24小時(shí)3班輪流,以穩(wěn)態(tài)的計(jì)算法,每月按照平均30天算,夏季工況可節(jié)省平均耗電量為:24×30×7×140=705600kW,因?yàn)榭照{(diào)主機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率耗電量參數(shù)推算全年平均值約為80%,因此節(jié)電方面我按照80%最終計(jì)算,即:705600×0.8=564480kW,蘇州工業(yè)用電為1元/度,因此改造后每年夏季工況可節(jié)省564480元。冬季工況方面,參考夏季工況節(jié)省費(fèi)用的計(jì)算方法,蘇州非民用用氣為3.25元/m3,即每年冬季工況可節(jié)省的成本為:3.25×24×30×4×104×0.8=778752 元,總計(jì)全年節(jié)省費(fèi)用為:778752+564480=1343232元。
某品牌新增送風(fēng)機(jī)組投資約80000元,管道費(fèi)用及其他雜費(fèi)約為60000元,裝修費(fèi)約為20000元,某品全熱交換器的投資費(fèi)用110000元,其他雜費(fèi)約為12000元,總投資為:8+6+2+11+1.2=28.2萬元,投資回報(bào)率(ROI)=年利潤或年均利潤或每年節(jié)省費(fèi)用/投資總額×100%=134.3232萬/28.2×100%=476%,顯然意見投資不到三個(gè)月便可回收成本。經(jīng)過以上的方案計(jì)算,此次的節(jié)能改造顯得非常有必要,狹義方面可以為業(yè)主減少開支,迅速回收成本,廣義方面可以響應(yīng)國家提倡的節(jié)能減排的號召,為國家的節(jié)約型社會貢獻(xiàn)自己的力量。
過去我國依靠高消耗資源,工業(yè)化進(jìn)程得到了迅速的發(fā)展?,F(xiàn)如今,為了更好的建設(shè)全面小康社會,貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,我國致力于建設(shè)節(jié)約型社會。對于原有的暖通空調(diào)的節(jié)能優(yōu)化改造工作則降低了能耗,緩解了資源緊張的局面,進(jìn)一步加強(qiáng)了節(jié)約型社會的建設(shè)。隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,針對早期暖通空調(diào)的節(jié)能優(yōu)化改造也將得到更好的完善。
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