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1、某工艺性空调系统节能减排改造的探索天津大学环境学院 丁研 田喆 朱能摘要：根据资源节约的基本国策要求，对既有建筑的空调系统优化改造是落实建筑节能的措施之一，也是提高能源利用效率从而实现节能减排的重要环节。本文通过对某企业空调系统进行分析，提出了有针对性的改造方案，分析对比方案中改造的可行性和节能减排效果，确定了最优方案。关键词：节能减排；冷却除湿；转轮除湿；蒸汽加湿1. 引言在建筑能耗中，空调系统的能耗约占50%的比例。对于建筑节能，首先是空调的节能潜力最大。因此，实施空调系统优化改造对既有建筑节能乃至减少温室气体排放起着重要的作用。除湿是空调的主要任务之一，除湿消耗的冷量约占空调总冷量的30
2、%50%，是空调能耗中很重要的组成部分。虽然国内的一些研究对空调机组除湿加湿的方式做了深入的分析和比较，但是在满足设定条件的同时并没有考虑到节能的要求。所以目前在研究开发各种新型除湿加湿方式的同时，如何探索在实际工程中不同方法的选择和应用，并完善空气处理过程中能耗的诊断评价理论，还有待我们进一步的研究。2. 空调系统概况该工艺性空调系统由2台制冷量为840kW的风冷冷水机组提供冷源。采用新风集中处理，多台空气循环处理机组向室内供风的设计方式。室内空气参数工艺要求为：DBT222，RH 50-65。由于室内相对湿度控制要求较高，所以在空气循环处理机组内采用了冬季加热器蒸汽加湿器、夏季表冷器再热器
3、的送风参数控制模式。厂区内没有蒸汽源，使用电蒸汽锅炉为加湿器供气，采用电加热器为送风再热。经现场多次勘查发现以下几个能源浪费环节：(1)风冷冷水机组年久失修，制冷效率极低。制备冷冻水过程消耗了较多的电能；(2)使用再热模式，带来冷热抵消。并且使用二次能源电作为再热热源，用能不合理；(3)在冬季送风加湿的环节上，采用电锅炉制备蒸汽，存在不合理用能源现象；(4)空调区域排风温度较低，排风量较大，但未对排风进行有效的热回收。应该考虑安装热回收器回收排风冷量和热量。3. 改造方案介绍根据勘察分析，空调系统除湿加湿过程用能的不合理以及再热方式的冷热抵消造成系统能源浪费。为此，提出了以下两个改造方案。3.
4、1. 方案一：方案一主要考虑在现有系统基础之上对部分设备和能源使用方式进行改进。(1) 使用常规螺杆式水冷冷水机组替换现有年久失修、效率低下的风冷冷水机组，以提高制冷效率；(2) 设置燃气蒸汽锅炉，使用蒸汽再热替代电再热。这样虽然不会降低再热量，但是可以显著提高一次能源使用效率，达到节能减排目的；(3) 利用燃气蒸汽锅炉，为冬季蒸汽加湿提供蒸汽。可以大幅降低一次能源耗量，采用天然气制备蒸汽用于冬季加湿不但可以降低二氧化碳排量还可以节约系统运行费用；(4) 由于现有系统的排风量较大，而排风温度又较低，设置热回收装置不仅是有效的而且是必要的。图1 方案二 空气处理流程图3.2. 方案二为避免空气再
5、热，结合企业的实际条件提出方案二。采用转轮除湿机实现，解决了空气处理的显热与潜热比与室内热湿负荷相匹配的问题，实现房间温湿度控制的分离，【4】从而有效地避免了为同时保证房间温湿度而采取的再热。方案流程图如右图所示。首先利用新风机组表冷器对室外空气进行冷却除湿至机器露点状态，初步降低室外空气含湿量。之后进入转轮除湿机组等焓减湿，进一步使含湿量降低，但同时带来温度的升高。温度较高的被处理空气依次经过与新鲜再生空气的显热换热和来自冷却塔制备的冷却水等含湿量冷却过程，使温度降低。经过热回收处理后，新风进入空气处理机组与室内回风混合，再经过表冷器等含湿量冷却至送风状态，送入室内。再生空气直接采用室外新风
6、。首先与经过转轮除湿的被处理空气进行显热热交换，提高温度，然后经过蒸汽加热器，升高温度至除湿转轮所要求的再生温度120后送入除湿转轮。4. 两方案节能效果评价为最终决策，需要对两种方案的节能效果和经济性进行评价。4.1. 系统耗能量预测方法n 冷却除湿系统耗能预测方法进行节能效果和经济性评价的基础在于对空调系统能耗的准确预测。本文涉及的空调系统大部分为工艺所需。工艺性空调相对于舒适性空调有如下特点：1. 空调区域空气参数全年基本保持稳定；图2 冷却除湿空气处理焓湿图2. 设备负荷在房间总负荷中通常占有主导地位，围护结构负荷所占比例较小，因此房间冷负荷受室外气象影响不大；3. 新风集中处理4.
7、自动控制系统完善，空调机组送风参数恒定这些特点为进行空调系统能耗预测提供了合理简化计算基础。将系统需冷量分为空气循环处理机组需冷量和新风处理机组需冷量。空气循环处理机组回风来自空调房间，参数常年稳定。新风来自新风处理机组，而新风机组采用定送风参数控制，所以新风参数供冷季基本稳定。此外房间冷负荷常年基本稳定。故此认定空气循环处理机组供冷量和再热量基本恒定，可以通过空气循环处理机组新、回、送风状态参数以及送风量，利用焓差原理计算。新风、回风以及送风状态参数通过系统运行记录获得。新风处理机组需冷量受到室外气象条件影响，但由于自控系统存在，送风状态恒定。因此同样可以采用焓差原理。不同点在于需使用逐时室
8、外气象参数确定新风入口状态。本案采用当地典型气象年资料。图2为空调处理过程的焓湿图。系统的冷量消耗来源于新风机组和空调机组中的冷盘管，计算公式如下： (1)系统总耗冷量，kW新风量，kg/s送风量，kg/s室外空气状态点的焓值，kJ/kg状态点3的焓值，kJ/kg新回风混合状态点的焓值，kJ/kg状态点4的焓值，kJ/kg根据上述原则编制空调逐时负荷计算程序，即可获得供冷季空调系统总冷负荷及逐时负荷。通过调查冷水机组和冷冻水泵的铭牌参数可估算出设计工况下机房冷冻水系统的供冷全效率为： (2)由系统的总耗冷量计算现有系统的输入功率为： (3)式中：系统用于冷却的能耗，kW另外由于使用电能再热空气
9、，因此电能消耗等于再热量 (4)系统的再热量，kW系统用于再热的能耗，kW则冷却除湿系统的总能耗为 n 转轮除湿系统能耗预测方法转轮除湿方案空气处理焓湿图见图3。由于在较长的供冷减湿季中，室外气象参数变化很大。而对于不同的进风参数，除湿转轮的性能曲线有所不同，从而温升及出风参数也有所变化，因此应考虑修正。可以根据图2中除湿转轮的经验曲线，作出分段拟合曲线函数。令t为进风温度，d1为进风含湿量，t为温升，d2为出风含湿量图3 转轮除湿方案空气处理焓湿图0t15时：t=1.5d1+13,d2=0.5d1-2.5；15t25时：t=7.1738ln(d1)+4.6528,d2=0.6666d1-1.
10、7112；根据上述拟合公式可以确定出，除湿转轮出口空气状态参数，为焓差法计算冷却降温耗冷量提供基础。图4 除湿转轮经验曲线方案二中用于冷却的能耗由除湿转轮前的冷量、来自冷却塔的冷量和送入室内前的冷量三部分组成。当室外温度低于某一数值时，可以关闭除湿转轮前的冷盘管，即令。 (5)方案二中冷盘管所消耗的冷量，kW 新风量，kg/s除湿转轮前冷盘管两端的焓差，kJ/kg与冷却塔换热冷盘管两端的焓差，kJ/kg新回风混合后冷盘管两端的焓差，kJ/kg通过得到的系统总耗冷量计算方案二的输入功率 (6)式中：方案二中系统用于冷却的能耗，kW再生空气的加热量 (7)方案二中系统再生空气的加热量，kW空气的比
11、热，kJ/(kg)再生空气量，kg/s再生空气在热交换后的温度，方案二的电耗为，蒸汽耗量为。在我国以火力发电为主，1kWh电能需排放二氧化碳0.994kg。区域蒸汽供给，生产1GJ蒸汽需排放二氧化碳69kg。将这些系数分别乘以各方案的电耗和蒸汽耗量即为，各方案二氧化碳排放总量。4.2. 计算结果方案一总方案初投资约为247.3万元，减排二氧化碳917吨，每公斤二氧化碳减排成本2.7元。方案二总投资约为424.6万元，减排二氧化碳301吨，每公斤二氧化碳减排成本14.1元。5. 讨论如何根据现有条件找到最优方案是空调系统节能改造的关键问题。首先，通过能耗诊断方法探索空调系统除湿加湿过程中的不合理
12、因素，提出针对性的改造方案，再经过对比其能耗和减排效果以及经济性分析，最终得到一个最经济节能而且减排力度最大的改造方案。在全球气候变暖以及构建能源节约型社会的大环境要求下，对于空调机组在除湿加湿过程中节能减排改造的探索不仅为同类企业建筑贯彻节能减排的政策起到了示范作用，也为既有建筑节能的具体实施开拓了道路。参考文献【1】谢仲华,龙惟定.建筑采暖空调能耗与节能潜力分析.能源技术,2000年9月第3期.【2】李震.从建筑物内除湿过程的能效分析J.暖通空调,2005年第35卷第1期.【3】Weiwei Liu.Energy consumption analysis on a dedicated outdoor air system with rotary desiccant wheel.Energy,Volume 32, Issue 9,September 2007, Pages 1749-1760【4】刘晓华,江亿.温湿度独立控制空调系统M.中国建筑工业出版社.【5】蒙特空气处理设备有限公司MT系列干燥转轮除湿机组样本丁研 男 24岁 硕士研究生 天津大学环境科学与工程学院
