韓智香

上海東方延華節(jié)能技術(shù)服務(wù)股份有限公司

前言

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，相對于普通空調(diào)系統(tǒng)而言，潔凈空調(diào)系統(tǒng)的能耗是普通空調(diào)系統(tǒng)15倍以上，且潔凈空調(diào)設(shè)備的能耗甚至占到工廠總能耗的40%～60%[1,2]。由此可見，潔凈空調(diào)系統(tǒng)是潔凈廠房第一大用能系統(tǒng)。潔凈空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大，有必要對此類空調(diào)高能耗的原因進(jìn)行分析，并采取有效節(jié)能措施，改善當(dāng)前同類空調(diào)高消耗、低效率的模式，對于提升潔凈廠房能源利用效率、減緩我國能源供應(yīng)緊張等方面均有重大意義。

1 潔凈空調(diào)高能耗原因分析

結(jié)合潔凈廠房生產(chǎn)工藝特點，分析潔凈空調(diào)高能耗的主要原因包括：

（1）潔凈廠房生產(chǎn)排班特點，一般采用“三班倒”進(jìn)行全天24小時不間斷工作，因此潔凈空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備開啟時間較長，設(shè)備運(yùn)行能耗較大。

（2）潔凈廠房對生產(chǎn)環(huán)境潔凈度要求高，因此所需的新風(fēng)量和換氣次數(shù)大。同時潔凈空調(diào)系統(tǒng)一般采用2-3級過濾方式，其凈化過程中的阻力較大，風(fēng)機(jī)功率大。

（3）因潔凈廠房生產(chǎn)工藝的要求，潔凈空調(diào)的室內(nèi)環(huán)境溫（濕）度要求較高，室內(nèi)需要保持恒溫/恒濕狀態(tài)，因此潔凈空調(diào)系統(tǒng)的制冷、制熱、以及空氣處理要求比較高，相應(yīng)設(shè)備的能耗較高。

（4）常規(guī)潔凈空調(diào)恒溫恒濕是通過低溫冷凍水進(jìn)行除濕處理，除濕后空氣溫度較低，需要再加熱到送風(fēng)溫度，空調(diào)處理過程存在除濕過度冷卻、再熱造成的能源浪費現(xiàn)象，導(dǎo)致潔凈空調(diào)系統(tǒng)能耗偏高。

2 溶液調(diào)濕技術(shù)簡介

溶液調(diào)濕技術(shù)是指采用鹽溶液對空氣的濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，基本原理是利用被處理空氣的水蒸氣分壓力與溶液表面蒸汽壓力之間的壓差驅(qū)動水分傳遞，對空氣濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

溶液調(diào)濕空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示。夏季工況，室外新風(fēng)由外界提供的高溫冷水(14℃/19℃)降溫除濕后，再進(jìn)入溶液調(diào)濕單元進(jìn)一步除濕，達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點。除濕后的稀溶液被送入再生單元利用新風(fēng)進(jìn)行再生，再生后的濃溶液送入除濕單元，進(jìn)行下一次循環(huán)。冬季工況，室外新風(fēng)由外界提供的熱水(45℃/40℃)加熱后，再進(jìn)入溶液調(diào)濕單元，通過溶液與熱空氣接觸，溶液吸收空氣熱量而釋放水分，從而實現(xiàn)對新風(fēng)的加熱加濕。

圖1 溶液除濕處理過程示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)和項目研究資料，溶液調(diào)濕空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能特點主要體現(xiàn)在：

（1）空氣可被直接處理到所需的送風(fēng)參數(shù)點，避免常規(guī)冷凍除濕方式導(dǎo)致的過度冷卻或再熱所造成的能源浪費，比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省30%以上的耗電量[3]；

（2）溶液除濕不再需要低溫冷凍水，整個系統(tǒng)只需要18-21℃冷凍水[4]，提高制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度，將顯著提升制冷機(jī)組運(yùn)行能效，使制冷機(jī)組運(yùn)行能耗顯著降低。

溶液調(diào)濕空調(diào)技術(shù)具有顯著的節(jié)能效果，且技術(shù)的研究日趨成熟，在建筑領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域都有成功應(yīng)用的案例，但該技術(shù)在應(yīng)用方面需要重點關(guān)注以下幾項要點：

（1）由于房間的熱濕負(fù)荷隨使用情況和室外環(huán)境而變化，溶液調(diào)濕空調(diào)的熱濕實時控制方面需要加強(qiáng)；

（2）目前常用的溶液為 LiBr、LiCl、CaCl2，這 3種溶液與碳鋼、紫銅等材料表面接觸時會發(fā)生氧化極去腐蝕，即吸氧腐蝕[5]，因此溶液的腐蝕問題有待進(jìn)一步解決；

（3）由于溶液除濕是利用被處理空氣的水蒸氣分壓力與溶液表面蒸汽壓之間的壓差驅(qū)動水分傳遞，對空氣濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此若送風(fēng)的風(fēng)速過大，存在送風(fēng)帶液的風(fēng)險。

（4）由于溶液調(diào)濕技術(shù)設(shè)備材料和制造工藝的特殊性，設(shè)備制造過程復(fù)雜，且溶液調(diào)濕空調(diào)行業(yè)存在一定的壟斷性，因此溶液調(diào)濕空調(diào)應(yīng)用的投資成本相對較高。

3 溶液調(diào)濕技術(shù)應(yīng)用節(jié)能的研究

3.1 項目概況

上海某潔凈生產(chǎn)車間，采用萬級凈化空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)冷源選用2臺冷水機(jī)組，空調(diào)冷凍水的供回水溫度為7℃/12℃。潔凈生產(chǎn)車間配置恒溫恒濕空調(diào)箱，空調(diào)箱功能段如圖2所示，室內(nèi)控制溫濕度參數(shù)如表1所示：

表1 潔凈生產(chǎn)車間室內(nèi)控制參數(shù)

原有空調(diào)系統(tǒng)采用冷凍除濕配電加熱再熱的形式。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)冷凍水流量等參數(shù)來控制送風(fēng)參數(shù)，控制精度較低。此外，原有系統(tǒng)存在冷熱抵消，能耗較高。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造方案

將項目現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)改造為新風(fēng)獨立調(diào)濕空調(diào)系統(tǒng)。利用新風(fēng)對室內(nèi)進(jìn)行除濕，以控制室內(nèi)濕度，保留原有潔凈組合空調(diào)箱，用于控制室內(nèi)溫度。新風(fēng)獨立除濕系統(tǒng)采用溶液調(diào)濕技術(shù)。節(jié)能改造后空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖3所示：

圖3 空調(diào)系統(tǒng)溶液調(diào)濕技術(shù)應(yīng)用示意圖

3.3 溶液調(diào)濕技術(shù)應(yīng)用節(jié)能分析

3.3.1 空氣處理過程狀態(tài)分析

圖4 溶液調(diào)濕空氣處理過程狀態(tài)

本項目溶液調(diào)濕空氣處理過程如圖4所示。室外新風(fēng)（狀態(tài)點W）)進(jìn)入溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組，首先經(jīng)14℃/19℃的高溫冷水預(yù)冷預(yù)除濕到L點，然后再經(jīng)過溶液除濕處理到N'1點，經(jīng)過過濾器過濾后，進(jìn)入組合空調(diào)箱與室內(nèi)回風(fēng)混合到N'2點，再由14℃/19℃的高溫冷水等濕冷卻到O點后送入潔凈區(qū)域。

3.3.2 空氣處理節(jié)能分析

原組合空調(diào)箱采用一次回風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)量為27 740m3/h，送風(fēng)量為30 500 m3/h，空氣處理過程各狀態(tài)點焓濕分析過程如表2所示：

表2 原組合空調(diào)箱空氣處理過程各狀態(tài)點參數(shù)

改造增加預(yù)冷式溶液調(diào)濕機(jī)組，風(fēng)量與現(xiàn)狀保持一致，空氣處理過程各狀態(tài)點焓濕分析過程見表3所示：

通過計算，原潔凈空調(diào)空氣處理需要的冷負(fù)荷為506kW，再熱量62.0kW。采用溶液除濕技術(shù)后，空調(diào)空氣處理需要的冷負(fù)荷為482kW，再熱量18.0kW。按空調(diào)冷源設(shè)備能效系數(shù)為3.0，測算得到采用溶液調(diào)濕技術(shù)后，潔凈空調(diào)空氣處理過程的能耗可節(jié)省31%。

3.3.3 空調(diào)冷源設(shè)備節(jié)能分析

溶液除濕不再需要低溫冷凍水，因此空調(diào)冷源設(shè)備的冷凍水供水溫度可由常規(guī)的低溫7℃，提升到14℃，提高制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度，將顯著提升制冷機(jī)組運(yùn)行能效，使制冷機(jī)組運(yùn)行能耗顯著降低。本項目通過對空調(diào)冷源設(shè)備運(yùn)行能效進(jìn)行檢測，對比分析采用溶液除濕前后，空調(diào)冷源設(shè)備的能效參數(shù)變化。

（1）高溫冷凍水運(yùn)行工況檢測

檢測時間為8月中旬，檢測條件下冷凍站開啟了一臺冷機(jī)。冷機(jī)檢測數(shù)據(jù)見表4，其中供回水溫度為13.5/15.2℃，制冷COP為3.26。

（2）低溫冷凍水運(yùn)行工況檢測

與上述高溫工況相近的天氣條件下，只開一臺冷機(jī)始終無法滿足水溫要求，因此開啟兩臺冷機(jī)。冷機(jī)檢測數(shù)據(jù)見表5，其中供回水溫度為9.0/10.8℃，制冷COP為2.78。

表3 溶液調(diào)濕空氣處理過程各狀態(tài)點參數(shù)

表4 空調(diào)冷源設(shè)備高溫冷凍水工況能效檢測數(shù)據(jù)

表5 空調(diào)冷源設(shè)備低溫冷凍水工況能效檢測數(shù)據(jù)

根據(jù)空調(diào)冷源設(shè)備運(yùn)行能效檢測結(jié)果，可知冷源設(shè)備在高溫冷凍水運(yùn)行工況較低溫冷凍水運(yùn)行工況的能效系數(shù)提高了17%，冷凍水供水溫度提高了約4.5℃，冷凍水的水溫每提高1℃，冷源設(shè)備的能效可提高約3.8%。

4 結(jié)論

本文結(jié)合潔凈廠房生產(chǎn)工藝特點，分析潔凈空調(diào)高能耗的原因。介紹適用于潔凈廠房的溶液調(diào)濕空調(diào)技術(shù)的原理和節(jié)能特點，并闡述該技術(shù)在應(yīng)用時需要關(guān)注熱濕負(fù)荷實時控制難度、溶液腐蝕、送風(fēng)帶液、投資成本相對較高等風(fēng)險。以潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造項目為例，重點對溶液調(diào)濕空調(diào)技術(shù)空氣處理進(jìn)行過程狀態(tài)點分析和節(jié)能分析，對溶液調(diào)濕空調(diào)技術(shù)在高溫冷媒運(yùn)行工況下冷源設(shè)備的能效系數(shù)提升進(jìn)行檢測分析，本文項目案例采用溶液調(diào)濕空調(diào)技術(shù)后，空氣處理過程的能耗約節(jié)省31%，冷源設(shè)備能效約提高17%，冷媒水溫每提高1℃，冷源設(shè)備的能效可提高約3.8%。可見，溶液調(diào)濕空調(diào)技術(shù)在潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造中有良好的應(yīng)用效果。

[1]石靜宜.電半導(dǎo)體廠房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究[D].西安科技大學(xué)，2014.

[2]劉曉東.簡述潔凈廠房節(jié)能方面的實踐經(jīng)驗[J].科技天地，2016：168-169.

[3]江億，李震，等.溶液式空調(diào)及其應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2004，34:11.

[4]陳曉陽，劉拴強(qiáng)，等.溶液調(diào)濕空氣處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].暖通空調(diào)，2011，41:1.

[5]張杰，耿欣，等.空調(diào)系統(tǒng)溶液除濕基本問題的研究進(jìn)展[J].節(jié)能，2012，12.