熱回收系統在涂裝車間空調系統中的應用分析

王 剛，馬 力，王建凱，趙曉輝，遲兆武，杜林林，王錚昊

（中國汽車工業工程有限公司，天津 300113）

汽車涂裝車間對潔凈度和溫濕度要求較高，一般通過空調送排風系統控制車間內的溫度和相對濕度，使得涂裝車間內部相對外部微正壓，防止灰塵進入車間。隨著汽車行業競爭的日益加劇，節能降耗及控制成本是各主機廠增效、創收的主要手段。其中涂裝車間是整個主機廠的能源大戶，在涂裝車間內，噴漆室的能耗最大，大約占整個涂裝車間總能耗的50%左右，而空調送排風系統又占40%左右，因此，空調送排風系統的節能降耗至關重要。

1 空調系統介紹

空調系統是為滿足設備通風、溫濕度和潔凈度要求而配置的專用設備。根據各區域送風工藝要求、外界氣候條件不同，空調內部的功能段配置也不相同。通常完整的空調系統包含以下功能段：一次加熱段、進風段、初效過濾段、表冷段、加濕段、二次加熱段、風機段、消音段、中效過濾段、出風段，如圖1所示。

圖1 空調系統組成

通過氣象資料可以查詢工程所在地的外界氣候條件，涂裝車間噴漆室的送風要求一般為溫度（22±1）℃，相對濕度（65±3）%。根據焓濕圖控制原理，可以計算得出空調系統各個功能段的能源需求。因空調系統的能源消耗較大，如果達到送風溫濕度要求的風量直接排放，造成能源的大量浪費，通過熱回收系統將滿足送風要求的排風與空調系統入口的外界新鮮風進行換熱，可以節約大量能源。

2 熱回收系統

2.1 熱回收系統的原理

以冬季為例，熱回收系統的原理如圖2所示。 滿足溫濕度要求的排風將排風側熱回收盤管內的液體介質加熱，循環水泵將液體介質輸送到新風側的熱回收盤管，將進風側的新鮮風預熱。使得空調進風溫度更加接近送風要求，達到節省能源的目的。（夏季與冬季的原理相同，其效果是冬季預熱，夏季預冷。）

圖2 熱回收系統原理圖

2.2 熱回收系統的組成

熱回收系統由熱回收盤管、熱回收管路、熱回收閥組組成。

根據熱回收系統的原理可知，熱回收盤管一般設置在空調系統的第一個功能段，對外界新風進行預熱或預冷。

空調A熱回收系統如圖3所示，空調B熱回收系統如圖4所示。

由于排風側的熱回收盤管表面會產生冷凝水，因此排風側的熱回收盤管必須設置擋水板和接水盤，便于冷凝水的排放。冬季，由于室外空氣溫度較低，排風中可能會出現結冰現象。為防止盤管凍壞，熱回收閥組上可設置一個三通調節閥，將部分液體介質旁通。熱回收閥組的結構組成如圖5所示，主要包括循環水泵、Y型過濾器、膨脹罐、蝶閥、三通調節閥、壓力表和溫度表。膨脹罐用來補償液體介質的溫度變化而產生的管道中的體積變化。膨脹罐內部被隔膜分成兩個獨立的部分，一側預充一定壓力的氣體，另一側與管道內的液體介質接觸。當液體介質的體積變大時，膨脹擠壓空氣側的體積，同時空氣側的壓力相應變大。

圖3 空調A熱回收系統結構組成

圖4 空調B熱回收系統結構組成

圖5 熱回收閥組的結構組成

2.3 熱回收系統循環介質

通常采用一定濃度的乙二醇作為熱回收循環系統內的液體介質，滿足載冷劑的 6 項基本要求：（1）在使用范圍內，不凝固，不氣化。（2）無毒，化學穩定性好，對金屬不腐蝕。（3）比熱大，輸送一定能量所需流量小。（4）密度小，黏度小，可減小流動阻力，降低循環泵消耗功率。（5）導熱系數大，可減少換熱設備的傳熱面積。（6）來源充裕，價格低廉。

3 空調能耗計算

以北京某涂裝車間的工程案例為例，外界氣候條件及空調送風要求如表1所示。

表1 外界氣候條件及空調送風要求

耗熱量計算公式為

其中，為單位時間耗熱量，kJ/h；為風量，m3/h；為空氣密度，kg/m；Δ為焓差，kJ/kg。

耗水量計算公式為

其中，為單位時間耗水量，kg/h；為風量，m3/h；為空氣密度，kg/m；Δ為含濕量差，g/kg。

3.1 無熱回收系統情況下的能耗計算

通過焓濕圖查得，極端天氣條件下，外界空氣的初始溫濕度和目標溫濕度之間的焓差和含濕量差值，經式（1）和式（2）可計算出相應的熱量、冷量和加濕水量的能耗值如表2所示。

表2 無熱回收系統情況下的空調能耗表

3.2 有熱回收系統情況下的能耗計算

冬季和夏季極端天氣條件下，通過理論計算，可以得到空調新風經過熱回收系統后的溫濕度變化，通過焓濕圖查得經過熱回收系統后的新風溫濕度和目標溫濕度之間的焓差和含濕量差值，其結果分別如表3和表4所示。

表3 冬季新風經過熱回收系統后的溫濕度變化

表4 夏季新風經過熱回收系統后的溫濕度變化

經式（1）和（2）可計算出空調A和空調B在有熱回收系統的情況下相應的熱量、冷量和加濕水量的能耗值，其結果如表5所示。

表5 有熱回收系統情況下的空調能耗表

3.3 空調能耗對比及經濟效益分析

通過對比表2和表5可得出兩臺空調每小時節省的能耗，如表6所示。

表6 空調能耗對比表

經過熱回收系統后，外界天氣的絕對含濕量未發生變化，因此有無熱回收系統，對空調系統的實際耗水量無明顯影響。表5數據也可以驗證此結論。

根據生產需要，空調A每天24小時連續運行，空調B每天13小時連續運行。

根據電壓縮制冷機組計算公式

式中，為電壓縮制冷機組的制冷功，kW；為電壓縮制冷機組耗電量，kW；COP為電壓縮制冷機組的制冷系數，取值為2.8，則

查詢氣象資料可知，夏季6－8月份的外界氣溫最高，假設出現極端天氣的概率為50%，粗略計算，空調A和B夏季可節約的冷量折合成電量分別為

空調A：

空調B：

此工程案例的用電單價為0.8元/度，兩臺空調夏季可節省電費0.8×（114 343+170 644）≈ 227 990元。

冬季12－2月份的外界氣溫最低，假設出現極端天氣的概率為50%，粗略計算，空調A和B冬季可節約的天然氣分別為

空調A：79×24×90×0.5= 85 320 m

空調B：217×13×90×0.5= 126 945 m

此工程案例的天然氣單價為2.63元/m，兩臺空調冬季可節省天然氣費用2.63×（85 320+126 945）≈558 257元。

顯然，兩臺空調在熱回收系統使用下，每年可至少節約能源費用為78.6萬元。

4 結論

從表6可以看出，在同等外界天氣條件下，對于相同風量的空調送排風系統來說，有熱回收系統與無熱回收系統的空調送排風系統相比，每小時可節約天然氣耗量40%左右，每小時可節約冷量18%左右。粗略計算，此工程案例的兩臺空調送排風系統每年可節約運行成本近80萬元。熱回收系統對涂裝車間空調送排風系統具有非常顯著的節能效果。兩年左右即可收回熱回收系統的額外投資成本。對汽車涂裝車間空調送排風系統的運行成本估算和熱回收系統的投資可行性分析具有指導意義。