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(kuò)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(zhuǎn)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(jī)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(jié)合我國西北地區(qū)獨(dú)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(shè)計(jì)和溫濕度控制方案，并通過理論計(jì)算對(duì)比分析冬夏季新風(fēng)與循環(huán)風(fēng)空調(diào)能源消耗，以最大限度，節(jié)能減排和降低運(yùn)營成本。

1 設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jié)合各種人類活動(dòng)（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(fēng)參數(shù)

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

表2 空調(diào)機(jī)組送風(fēng)質(zhì)量參考基準(zhǔn)

2 新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

涂裝車間噴漆室空調(diào)機(jī)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(fēng)機(jī)段、均流段、消聲段、空氣出口段等單元組合在一個(gè)通道式的室體內(nèi)構(gòu)成，根據(jù)工藝要求、當(dāng)?shù)貧夂?、工廠條件對(duì)功能單元選用及組合。

2.1 冬季設(shè)計(jì)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(yán)重，因此，新風(fēng)空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)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(duì)西北地區(qū)冬春季的沙塵天氣，為保護(hù)新風(fēng)空調(diào)內(nèi)設(shè)備及下游各級(jí)過濾器的使用壽命，需要在上游進(jìn)風(fēng)位置設(shè)置預(yù)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(fēng)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(jìn)入新風(fēng)空調(diào)內(nèi)的沙塵，降低新風(fēng)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(shè)置導(dǎo)流罩及檢修平臺(tái)，可有效阻擋冬季風(fēng)雪進(jìn)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(fēng)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(guān)，并設(shè)置合適的壓差報(bào)警值，壓差開關(guān)與過濾器側(cè)邊的調(diào)節(jié)風(fēng)閥連鎖控制。

新風(fēng)空調(diào)內(nèi)部根據(jù)車身質(zhì)量控制要求，設(shè)置2-3道袋式過濾器，單個(gè)袋式過濾器通風(fēng)量建議為3000～3400 m3/h，過濾等級(jí)為F5或F7。

2.1.2 溫濕度控制

結(jié)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(biāo)點(diǎn)（T：23 ℃，RH：65%）的焓值和絕對(duì)含濕量，如圖2所示。可以看出，西北地區(qū)冬季室外空氣焓值h0和絕對(duì)含濕量d0均遠(yuǎn)低于噴漆室內(nèi)溫濕度控制目標(biāo)點(diǎn)（T：23 ℃，RH：65%）的焓值T和絕對(duì)含濕量d。

圖2 冬季室外空氣與噴漆室溫濕度控制點(diǎn)對(duì)比

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

圖3 空氣狀態(tài)點(diǎn)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(diǎn)A0加熱至狀態(tài)點(diǎn)A1，此過程空氣干球溫度和焓值升高，絕對(duì)含濕量不變，相對(duì)濕度降低。再通過加濕，由狀態(tài)點(diǎn)A1變化到工藝要求狀態(tài)點(diǎn)A，此過程空氣焓值不變，干球溫度下降，絕對(duì)含濕量增加，相對(duì)濕度升高。因此，新風(fēng)空調(diào)功能段布置時(shí)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(yīng)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(hào)反饋給PLC，PLC通過PID算法輸出信號(hào)控制燃燒器閥門開關(guān)量和加濕水泵運(yùn)行頻率，由燃?xì)饬亢蛧娏芰康淖兓瘜?shí)現(xiàn)加熱量和加濕量的自動(dòng)控制。

燃燒機(jī)一般安裝在進(jìn)風(fēng)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(jī)設(shè)備布置圖

西北地區(qū)水質(zhì)硬度總體偏高，易結(jié)水垢。水垢對(duì)多級(jí)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(yīng)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(jìn)風(fēng)室及進(jìn)風(fēng)管均需考慮保溫，否則溫差面會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。進(jìn)風(fēng)管入口設(shè)置電動(dòng)風(fēng)閥，并與空調(diào)開關(guān)機(jī)連鎖，設(shè)備停機(jī)后可以自動(dòng)關(guān)閉以切斷空調(diào)與外部冷空氣的連通。

冬季進(jìn)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(hù)。采用天然氣直燃加熱時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)完成后，室外冷空氣大量進(jìn)入，若燃燒器長時(shí)間啟動(dòng)故障，送風(fēng)溫度持續(xù)低于0 ℃時(shí)應(yīng)立即執(zhí)行順序關(guān)機(jī)命令停止設(shè)備并報(bào)警。燃燒器正常開啟升溫且送風(fēng)溫度高于15 ℃時(shí)，才允許加濕泵噴淋加濕。既避免了細(xì)水霧在低溫下結(jié)冰破壞加濕段擋水板，也避免了未氣化的細(xì)水霧進(jìn)入噴漆室后誤觸發(fā)消防煙霧報(bào)警。

采用熱水盤管加熱時(shí)，盤管后必須安裝防凍開關(guān)。防凍開關(guān)與控制系統(tǒng)連鎖，當(dāng)盤管后溫度低于5 ℃時(shí)，防凍開關(guān)給出報(bào)警信號(hào)并停止送、排風(fēng)機(jī)運(yùn)行，關(guān)閉入口風(fēng)閥。且停機(jī)后熱水閥組回管控制閥應(yīng)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(fēng)機(jī)葉輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)冷空氣進(jìn)入引起盤管凍裂。復(fù)位報(bào)警后，切換到正常狀態(tài)。

2.2 夏季設(shè)計(jì)工況

西北地區(qū)夏季新風(fēng)空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮溫濕度控制。夏季室外空氣的空氣焓值h0和絕對(duì)含濕量d0相對(duì)噴漆室內(nèi)溫濕度控制目標(biāo)點(diǎn)（T：23 ℃，RH：65%）的焓值h和絕對(duì)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(diǎn)對(duì)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(diǎn)的焓值和絕對(duì)含濕量均低于溫濕度控制目標(biāo)點(diǎn)，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(biāo)點(diǎn)，但加熱量非常低，控制精度要求很高。新風(fēng)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(diǎn)的焓值高于溫濕度控制目標(biāo)點(diǎn)，絕對(duì)含濕量低于目標(biāo)點(diǎn)，在焓濕圖上應(yīng)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(diǎn)A0經(jīng)表冷段降溫至狀態(tài)點(diǎn)A1，此過程空氣絕對(duì)含濕量不變，干球溫度、焓值降低，相對(duì)濕度增大。再通過加濕，將狀態(tài)點(diǎn)A1控制到工藝要求狀態(tài)點(diǎn)A，此過程空氣焓值不變，干球溫度下降，絕對(duì)含濕量增加，相對(duì)濕度升高。因此，新風(fēng)空調(diào)功能段應(yīng)布置表冷段和加濕段，PLC通過PID算法輸出信號(hào)控制表冷閥組閥門開關(guān)量和加濕水泵運(yùn)行頻率，由冷水量和噴淋量的變化實(shí)現(xiàn)表冷量和加濕量的自動(dòng)控制。

西安、延安、銀川、石嘴山的夏季室外空氣狀態(tài)點(diǎn)的焓值高于溫濕度控制目標(biāo)點(diǎn)，絕對(duì)含濕量高于目標(biāo)點(diǎn)，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(diǎn)A0表冷降溫至空氣露點(diǎn)，并持續(xù)降溫以凝結(jié)出多余的絕對(duì)含濕量，將狀態(tài)點(diǎn)控制到絕對(duì)含濕量線上的A1。此過程空氣絕對(duì)含濕量降低，干球溫度和焓值降低，相對(duì)濕度增大。再通過加熱，將狀態(tài)點(diǎn)A1控制到目標(biāo)點(diǎn)A，此過程空氣絕對(duì)含濕量不變，干球溫度和焓值增大，相對(duì)濕度降低。因此，新風(fēng)空調(diào)功能段應(yīng)布置表冷段和加熱段。PLC通過PID算法輸出信號(hào)控制表冷閥組和加熱閥組的閥門開關(guān)量，由冷水量和熱水量的變化實(shí)現(xiàn)表冷量和加熱量的自動(dòng)控制。

2.3 小結(jié)

通過對(duì)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(fēng)空調(diào)機(jī)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(fēng)空調(diào)機(jī)組功能段應(yīng)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(fēng)空調(diào)機(jī)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(fēng)空調(diào)機(jī)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(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(diǎn)對(duì)比曲線（圖2、圖5）可以看出，若空調(diào)設(shè)計(jì)采用全新風(fēng)，冬季溫濕度控制需要耗費(fèi)大量的燃?xì)夂图兯?，而夏季根?jù)地區(qū)的不同，耗費(fèi)的能源呈現(xiàn)較大差異，且個(gè)別地區(qū)（如陜西）夏季表冷除濕和再加熱過程會(huì)耗費(fèi)較大的冷量和熱量。因此，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮噴漆室排風(fēng)循環(huán)利用，以達(dá)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(fēng)中的過噴漆霧。濕式文丘里漆霧處理后的循環(huán)風(fēng)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(biāo)點(diǎn)。石灰石漆霧過濾后的循環(huán)風(fēng)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(biāo)點(diǎn)。因此，濕式噴漆室的循環(huán)風(fēng)空調(diào)機(jī)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(fēng)空調(diào)機(jī)組為粗中高效過濾段+表冷段+加濕段。

3.2 能耗對(duì)比

通過理論計(jì)算分別對(duì)比西北地區(qū)新風(fēng)空調(diào)機(jī)組與循環(huán)風(fēng)空調(diào)機(jī)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(fēng)與循環(huán)風(fēng)能耗對(duì)比

可以看出，冬季循環(huán)風(fēng)空調(diào)所需能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于新風(fēng)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(fēng)空調(diào)所需能耗高于新風(fēng)空調(diào)，陜西、寧夏的濕式循環(huán)風(fēng)空調(diào)所需能耗低于新風(fēng)空調(diào)，但寧夏低出不多。從全年綜合考慮，濕式循環(huán)風(fēng)空調(diào)所需能耗仍遠(yuǎn)低于新風(fēng)空調(diào)。而無論冬季或夏季，干式循環(huán)風(fēng)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(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)最大限度地將噴漆室排風(fēng)循環(huán)利用，以降低溫濕度控制的能耗。

4 結(jié)論

1）針對(duì)西北地區(qū)冬春季的沙塵天氣，油漆車間新風(fēng)空調(diào)入口應(yīng)設(shè)置防沙過濾器，降低室外空氣對(duì)內(nèi)部設(shè)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(shè)計(jì)時(shí)必須做好保溫和防凍措施，并通過自控程序?qū)崿F(xiàn)報(bào)警及自動(dòng)化控制。

3）西北地區(qū)油漆車間新風(fēng)空間機(jī)組設(shè)計(jì)有三種組合方式，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件選用。

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