文_林金成 福建省建筑設計研究院有限公司

由于我國能源消耗以化石能源為主，環(huán)境問題日益突出，單位GDP能耗較高，節(jié)能減排壓力日益嚴峻。作為能源消耗大戶和碳排放主要源頭的工業(yè)建筑，在碳達峰和碳中和的背景下扮演著重要角色。壓縮空氣是工業(yè)領域的主要動力之一，制備壓縮空氣的空氣壓縮機是工業(yè)建筑中的主要能耗設備,也是節(jié)能減排的主要研究對象，其節(jié)能減排的措施除了提高輸功效率外，還應考慮將空氣壓縮機運行產生的余熱進行回收利用，避免能源浪費。利用空氣壓縮機余熱制備生活熱水是余熱利用的主要方式之一，進行余熱回收利用時應保證空氣壓縮機運行的安全性、穩(wěn)定性及輸功效率，同時保證制備的生活熱水滿足安全、衛(wèi)生等基本要求。

1 空氣壓縮原理及空氣壓縮機的余熱分布

1.1 空氣壓縮過程

壓縮空氣由于其具有便于輸送、安全性高、適用性好等特點，因此作為重要的動力源廣泛應用于工業(yè)建筑中。理想狀態(tài)的空氣壓縮過程有絕熱壓縮和等溫壓縮，空氣壓縮機壓縮空氣的過程是介于這兩種狀態(tài)之間的多變過程。空氣壓縮過程如圖1所示， W表示壓縮功， H表示空氣焓值， Q表示與外界換熱量， P表示絕對壓力， V表示體積。

圖1 空氣壓縮過程示意圖

①等溫壓縮：壓縮過程中壓縮空氣產生的熱量均散發(fā)到環(huán)境中，即W=Q， H=0，PV圖中的1a曲線。

②絕熱壓縮：壓縮過程中壓縮空氣與外界環(huán)境不進行熱交換，即Q=0, W=H+Q，PV圖中的1c曲線。

③多變過程：壓縮過程中壓縮空氣產生的熱量部分散發(fā)到環(huán)境中去，即Q>0， H>0， W>H，PV圖中的1b曲線。

1.2 空氣壓縮機運行效率

根據工程熱力學原理，空氣壓縮機運行時，對空氣所做壓縮功的大小介于等溫壓縮與絕熱壓縮之間，機組散熱越充分，壓縮功越接近等溫壓縮功，機組的輸功效率越高。根據有關設備廠家提供的資料顯示，空氣壓縮機的運行溫度每上升1℃，產氣量就下降0.5%。因此，為了提高空氣壓縮機的輸功效率、降低能耗，在制備壓縮空氣過程中，空氣壓縮機應具備充分散熱的條件。

1.3 空氣壓縮機基本的工作原理和余熱分布

為了在保證空氣壓縮機運行安全性、穩(wěn)定性和輸功效率的前提下合理利用空氣壓縮機的余熱制備生活熱水，首先應充分了解空氣壓縮機基本的工作原理和余熱分布?？諝鈮嚎s機的種類繁多，從工作原理上，可分為容積型、動力型和熱力型；從潤滑方式上，可分為機油潤滑和無油方式。常見的空氣壓縮機運行時主要余熱分布：機組外表面散熱量Qm、 油冷卻器散熱量Qy、 高溫壓縮氣體散熱量Qq、 壓縮氣體潛熱散熱量Qd、 壓縮空氣帶走的熱量Qh。如圖2～4所示，m、t、d、h分別表示空氣質量、溫度、濕度、焓值，下標o和z分別表示初始狀態(tài)和終了狀態(tài)，不同機型的壓縮方式、溫度均有所差異。

圖2 噴油螺桿機余熱分布示意圖

圖3 無油兩級壓縮機余熱分布示意圖

圖4 無油三級壓縮機余熱分布示意圖

根據能量守恒定律，當壓縮空氣冷卻至環(huán)境溫度時，壓縮機向外散發(fā)的熱量等于空氣壓縮機對空氣所做的功，因此空氣壓縮機對空氣所做的功W=Qm+Qy+Qq+Qh。壓縮氣體潛熱Qd是壓縮空氣中部分高溫水蒸汽經冷卻凝結成水帶來的熱量即汽化潛熱，與空氣壓縮機所做的功無關。

1.4 空壓機組運行時可回用的余熱量計算

根據上述空氣壓縮機的基本工作原理和余熱分布示意圖，可得出空壓機組運行時可回用的余熱量Ql、油冷卻器散熱量Qy、高溫壓縮空氣散熱量Qq、壓縮氣體冷凝水的潛熱量Qd, 即Ql=W－Qm－Qh+Qd。

①空壓機組外表面散熱量Qm的計算見式（1）：

式中Qm—換熱量，kW；α—平均換熱系數，kW/（m2·℃）；Δt—換熱平均溫差，℃。

②空氣含濕量d的計算見式（2）：

式中d—空氣含濕量，kg/kg干空氣；φ—空氣相對濕度，%；P—空氣壓力，Pa；Ps—水蒸汽分壓力，Pa。

③壓縮氣體帶走的熱量為進出口空氣的焓差，即Qh=hz-h0，濕空氣的焓值計算見式（3）：

式中h—濕空氣的焓值，kJ/kg干空氣；t—濕空氣溫度，℃。④壓縮氣體冷凝水的潛熱量Qd的計算見式（4）：

式中m—干空氣的質量流量，kg/s；Δd—空氣含濕量差(do-dz)，kg/kg干空氣；γ—氣化潛熱，kJ/kg。

空氣壓縮機組可回用的余熱量Ql可根據上述公式計算得出。理論上，Ql占比較高，約占W的85%左右，甚至當壓縮空氣進出口含濕量差大、汽化潛熱高時可達100%以上，不同進氣濕度冷凝水潛熱量Qd計算如表1所示。目前， 諸多余熱回收設備廠家提供的噴油螺桿機回收資料顯示，單油路回收時熱回收量達機組輸入功率的80%，油氣雙回路回收時熱回收量達機組輸入功率的88%，均有較好的熱回收效果。但在實際熱回收應用中，由于受熱回收的載體溫度過高，機組進出口空氣含濕量差小和熱回收系統(tǒng)不合理等因素影響，造成實際的熱回收量偏低。

表1 不同進氣濕度冷凝水的潛熱量計算表

2 空氣壓縮機余熱制備生活熱水的思路

隨著我國工業(yè)化的發(fā)展和生活水平的提高，現代工業(yè)建筑的生活間、公共淋浴間、宿舍已基本采用集中生活熱水系統(tǒng)以改善職工的生活條件。為了節(jié)能減排、綠色環(huán)保，集中生活熱水系統(tǒng)的熱源應優(yōu)先采用工業(yè)余熱。

進行余熱利用時，首先應了解空氣壓縮機的基本工作原理，再根據余熱溫度、散熱量及冷卻溫度等參數，合理確定余熱回收方案。利用空氣壓縮機余熱制備生活熱水時，在保證空氣壓縮機運行安全性、穩(wěn)定性和輸功效率的前提下，還應確保制備的生活熱水滿足安全、衛(wèi)生等基本要求，且能最大限度的對余熱進行回收利用并滿足熱水供應的要求。因此，不建議采用循環(huán)加熱的方式，宜采用自來水冷水直接加熱至設計溫度的方式，這比循環(huán)加熱的溫差大，余熱回收效率高，且高溫壓縮氣體冷卻后的溫度也更低，利于提高空氣壓縮機的輸功效率。綜合上述因素，對利用空氣壓縮機余熱制備生活熱水的思路詳見圖5～7。

圖5 噴油螺桿機余熱制備生活熱水示意圖

圖6 無油兩級壓縮機余熱制備生活熱水示意圖

圖7 無油三級壓縮機余熱制備生活熱水示意圖

3 空氣壓縮機余熱制備生活熱水應注意的要點

為保證空氣壓縮機運行的安全性、穩(wěn)定性和輸功效率，應保留機組原有的冷卻系統(tǒng)，當余熱回收后余熱載體的溫度達不到要求時，應自動開啟機組冷卻系統(tǒng)，保證空氣壓縮機正常運行。

對高溫油路余熱回收利用時，余熱回收后的油溫應滿足機組運行的要求，避免出現因油溫不足時機組自動進行加熱而產生電耗的現象。當油溫<40℃時，油的粘度系統(tǒng)和機械摩阻較大,不利于設備運行，更重要的是易產生大量積碳,造成空氣壓縮機在高溫條件下發(fā)生燃燒或爆炸的事故。

對高溫壓縮氣體的余熱應最大限度的利用，較低的進氣溫度，可節(jié)省機組冷卻系統(tǒng)運行的能耗，提高壓縮機的工作效率。采用自來水冷水直接加熱至設計溫度的方式可實現最大限度降低高溫壓縮氣體冷卻后的溫度。

應根據不同余熱載體的特性合理選用換熱器，不僅要考慮換熱效率，還應從衛(wèi)生、安全及摩阻系數等因素綜合考慮。應選用無滯流區(qū)且不易結垢的高效換熱器，同時涉水部位應采用食品級的耐腐蝕材料。高溫油路宜采用阻力系數小的油水管式換熱器，高溫壓縮氣體宜采用換熱面積較大的氣水板式換熱器。

4 生活熱水的供水保障

生活熱水應確保水質、水溫、水量和水壓滿足用戶要求，因此在利用空氣壓縮機余熱制備生活熱水時，還應綜合考慮水質防污、溫度控制、供熱需求量及防結垢等因素。為避免水質在余熱回收時造成二次污染，余熱利用時應采用間接加熱的方式，嚴禁將自來水直接導入機組冷卻系統(tǒng)進行加熱； 對高溫回油進行余熱回收， 應考慮換熱器腐蝕破損漏油造成水質污染的風險，宜采用二次換熱方式或配置油質在線監(jiān)測系統(tǒng)。換熱器出水溫度應滿足使用要求，同時最高出水溫度不宜超過60℃，水溫過高容易造成人員燙傷及設備、管道結垢，設備及管路的熱損也大。另外，應采用防結垢設備或采取有效的除垢措施，避免影響熱交換器和空壓機運行效率。

利用空壓機余熱制備生活熱水，還應保證供熱量滿足使用要求。首先應對空氣壓縮機組的工作原理和可回收的余熱量進行分析；再采取合理的回收利用系統(tǒng)，最大限度的回收余熱，并根據回收利用系統(tǒng)計算出回收的熱量或產水量；最后根據空氣壓縮機的運行規(guī)律、回收的熱量或產水量和熱水用戶的需求量對鋪助熱源和儲熱水箱進行合理配置。生活熱水系統(tǒng)中的鋪助熱源、儲熱水箱、水泵等的計算及選型要求在相關的標準、資料已明確，本文不再贅述。

5 結語

利用空氣壓縮機余熱制備生活熱水，可避免能源浪費，提高空氣壓縮機的輸功效率，節(jié)約能耗；制備的生活熱水應滿足安全、衛(wèi)生等基本要求，余熱回收方案應根據空氣壓縮機工作原理、散熱參數及熱水需求等方面進行合理確定；加熱方式應采用間接加熱或二次換熱，采用自來水冷水直接加熱至設計溫度可最大限度的回收余熱。在碳達峰和碳中和的背景下，在工業(yè)建筑中充分回收利用工業(yè)余熱對節(jié)能減排有著重要意義。