滨海新区某企业空调机组在除湿加湿过程中的节能减排改造

2011-07-20胡振杰1董红霞2彭鹏1

资源节约与环保 2011年4期

胡振杰1 董红霞2 彭鹏1

（1天津大学建筑设计研究院，天津，300072）（2 天津大学，天津，300072）

一、工程概况

该药厂中央空调系统采用全空气新风集中处理方式。由两台新风处理机组分别负责为相应的空调机组提供新风。空调机组的冷冻水由两台制冷量分别为840kW和660kW的风冷热泵冷水机组和一台制冷量为840kW的风冷冷水机组提供。两用一备的冷冻水泵输入功率为45kW，负责冷冻水在全厂的输配。设计工况机房冷冻水系统供冷全效率为2.55。

各空调机组设计风量、送风参数及服务区域的室内空气设定参数如下表：

二、原空调系统优化可能

经过现场调查发现系统中存在以下几种可以节约能耗和减少二氧化碳排放的可能性：

1.由于电动冷水机组效率较低，冷却除湿过程消耗电能较多。可以考虑采用转轮除湿方式或使用高效电动冷水机组；2.空调机组使用电能对送风进行再热，电消耗量较大。可以考虑采用其他能源形式对送风再热，或使用转轮除湿方式避免送风再热；3.系统采用电锅炉制备蒸汽用于冬季送风加湿，能源使用不合理，电消耗量大。可以考虑采用其他能源形式，如燃气，制备蒸汽。4.空调区域排风温度较低，系统未对排风进行有效的热回收。可以考虑安装热回收器回收排风冷量和热量；5.空调系统即使是在夜间工厂停工期间依旧运行，无效工作时间过长。可以考虑在不影响工厂正常工作的前提下，晚间停机或节能运行；

三、系统改造方案介绍

基于对现系统的分析基础之上，有两个改造方案可供选择：一个是在现有系统基础之上对部分设备和使用能源方式进行改进；二是摒弃冷却除湿方案，采用转轮除湿方法，实现房间温湿度控制的分离。

根据方案一的总体思想，主要针对现有设备进行改造，从而达到转变能源利用方式的目的。现有系统存在着能源利用效率低造成的能源浪费现象。对此提出了以下4种改进措施：

(1)替换现有机组为螺杆式水冷冷水机组

(2)更改电再热为蒸汽再热

(3)排风热回收

(4)空调机组蒸汽加湿

根据方案二的总体思想，对原系统除湿方式从原理上进行分析。原系统方案通过表冷器方式对空气进行冷却或除湿，其吸收的潜热与显热比只能在一定的范围内变化。而空调区域实际需要的潜热与显热比却在较大的范围内变化。厂区空调区域的湿负荷产生于人体，室内人数工作期间基本恒定，因此房间潜热量变化不大。但显热却随气候、室内设备状况等的不同大幅度变化。为协调热湿之间的矛盾，需要对降温除湿后的空气进行再热，这不但抵消了部分制冷量，又消耗加热量，造成不必要的能源浪费。从现系统能耗计算结果来看，空调机组送风再热量为空气处理耗冷量的16.5%，占有相当的比例。而冷却除湿的本质就是靠降温使空气冷却到露点而实现除湿，因此降温与除湿必然同时进行，很难随意改变二者之比。这样，要解决空气处理的显热与潜热比与室内热湿负荷相匹配的问题，就必须寻找新的除湿方法，实现不依赖于温度的湿度独立控制。因此，我们考虑采用转轮除湿的方式实现空调送风温度和湿度的分离控制。

四、方案分析计算及比较

按照前述思路对两方案在供冷减湿季（4月至11月）和供热加湿季（12月至次年3月）的运行能耗和二氧化碳排放情况进行模拟计算。其计算依照每吨标准煤发电4437.7kWh，并排放CO22620kg，电能价格0.572元/kWh；每吨标准煤制蒸汽10吨，并排放CO2127kg，蒸汽价格130元/吨。计算结果作为方案节能减排效果的比较依据。

原方案：

供冷减湿期处理过程：

新风机组负荷：（过程4-3）

Q1=M×(h4-h3)kW

空调机组负荷：（过程5-6）

Q2=M′×(h5-h6)kW

再热负荷：（过程6-1）

Q3=Cp×M′×(t1-t6)kW

能量（电能）消耗： Q=(Q1+Q2)/COP+Q3kW

供热加湿期处理过程：

新风机组负荷：（过程1-2） Q1=Cp×M×(t2-t1)kW

空调机组负荷：（过程4-5） Q2=Cp×M′×(t5-t4)kW

（其中，M为新风量，M’为混合后风量）

将各机组的能耗相加，分别得到夏季和冬季系统原方案的耗能情况。

夏季系统总冷量消耗为7,718,311kWh，制冷机房冷冻水系统全效率按照2.55计算，相应消耗电能为3,026,789kWh。空调机组再热器消耗电能1,274,144kWh，总消耗电量4,300,933kWh。电能价格以均价0.572元每千瓦时计算，电费为246.3万元。电能二氧化碳排放比率按164kg/GJ计算，现系统夏季空调工况运行期间排放二氧化碳2539吨。

冬季加湿蒸汽消耗量为324.4吨，电锅炉效率以95%计算，需要消费电能308164kWh，电能价格以均价0.572元每千瓦时计算，电费为17.6万元。电能二氧化碳排放比率按164kg/GJ计算，冬季加湿过程排放二氧化碳182吨。

方案一：

(1)替换现有机组为螺杆式水冷冷水机组

现系统采用风冷冷水机组，三台机组平均铭牌制冷效率仅为2.82，而常规水冷螺杆冷水机组制冷效率至少为4.0以上，性能良好的离心机组制冷效率更是可以超过6.0。

即便是替换现有冷水机组为螺杆式冷水机组，制冷效率也可以提高41%以上，冷冻水系统全效率可提高至3.47，增效36%。在系统消耗总冷量不变的前提下，可将系统年总电能消费量从4,300,933kWh降低至3,500,597kWh，年节约用电804,815kWh，降低运行费用46万元人民币，节约标准煤181.4吨，减少二氧化碳排放475吨/年。

(2)更改电再热为蒸汽再热

现有空调机组采用电再热方式控制房间温度。电能作为高品位的二次能源，用于直接加热空气，使用方式显然不尽合理。此外由于电能价格高于天然气等一次能源价格，使用电能加热，运行费用也高于天然气。本条改进措施建议设置燃气蒸汽锅炉，利用蒸汽再热盘管控制房间空气温度。虽然本条措施不会降低再热量，但是可以显著提高一次能源使用效率，达到节能减排目的。

以天然气价格2.1元/Nm3计算，采用天然气锅炉制备蒸汽再热，可节约用于再热运行费用40万元/年，减少二氧化碳排放435.8吨/年。

(3)排风热回收

为保持空调区域空气质量平衡，系统中设计了多个排风系统，排风总量等于两台新风机组送风总量，共51120m3/h。其中约80%(50%)的排风的冷（热）量可以直接通过设置热回收器预冷（热）新风。

以热回收器效率ε=50%计算，即对MC（质量流量乘以比热）较小的一侧流体为

求出这一侧流体换热后的温度，再通过热平衡求出另一侧流体换热后的温度

经计算夏季供冷期可回收冷量43080kWh，节约电能27030（16894）kWh，降低年运行费用0.97万元，节约标准煤3.8吨/年，减少二氧化碳排放10吨/年。冬季供热期可回收热量343860kWh，节约标准煤672.8吨/年，减少二氧化碳排放85.4吨/年。

(4)空调机组蒸汽加湿

现系统冬季加湿蒸汽源来自于电蒸汽锅炉，如利用未来区域蒸汽源或自备天然气锅炉，可以大幅度降低一次能源耗量，减少CO2排放，同时也可以节约运行费用。因为蒸汽单位能量价格低于电能，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放量，还可以可节约系统运行费用。根据计算，替换电锅炉蒸汽源为区域蒸汽源或自备天然气锅炉，用于冬季蒸汽加湿，可以节约年运行费用12.1万元，减少二氧化碳排放105吨/年。

方案二：

新风机组负荷： Q′=Cp×M″×（120-ti）kW

空调机组负荷： Q2=Cp×M′×（tm-ts）kW

电能消耗： Q=（Q1+Q2）/COP kW

蒸汽消耗： Q′=Cp×M″×（120-ti）kW

（其中，hw为室外空气焓，hd为进入除湿转轮前空气焓，tm为混风温度，ts为送风温度，ti为换热器后的再生空气温度，M″为再生空气量）

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，将含湿量降至11g/kg.d。之后进入转轮除湿机组等焓减湿，含湿量降至4 g/kg.d，同时温度升高至45℃。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，温度将低至32℃。进入空气处理机组与室内回风（22℃，60%）混合，再经过表冷器等含湿量冷却至送风状态（15℃，9.1g/kg.d），送入室内。