潔凈廠房溶液調濕空調技術應用的節能研究

韓智香

上海東方延華節能技術服務股份有限公司

前言

據調查統計數據顯示，相對于普通空調系統而言，潔凈空調系統的能耗是普通空調系統15倍以上，且潔凈空調設備的能耗甚至占到工廠總能耗的40%～60%[1,2]。由此可見，潔凈空調系統是潔凈廠房第一大用能系統。潔凈空調系統節能潛力巨大，有必要對此類空調高能耗的原因進行分析，并采取有效節能措施，改善當前同類空調高消耗、低效率的模式，對于提升潔凈廠房能源利用效率、減緩我國能源供應緊張等方面均有重大意義。

1 潔凈空調高能耗原因分析

結合潔凈廠房生產工藝特點，分析潔凈空調高能耗的主要原因包括：

（1）潔凈廠房生產排班特點，一般采用“三班倒”進行全天24小時不間斷工作，因此潔凈空調系統設備開啟時間較長，設備運行能耗較大。

（2）潔凈廠房對生產環境潔凈度要求高，因此所需的新風量和換氣次數大。同時潔凈空調系統一般采用2-3級過濾方式，其凈化過程中的阻力較大，風機功率大。

（3）因潔凈廠房生產工藝的要求，潔凈空調的室內環境溫（濕）度要求較高，室內需要保持恒溫/恒濕狀態，因此潔凈空調系統的制冷、制熱、以及空氣處理要求比較高，相應設備的能耗較高。

（4）常規潔凈空調恒溫恒濕是通過低溫冷凍水進行除濕處理，除濕后空氣溫度較低，需要再加熱到送風溫度，空調處理過程存在除濕過度冷卻、再熱造成的能源浪費現象，導致潔凈空調系統能耗偏高。

2 溶液調濕技術簡介

溶液調濕技術是指采用鹽溶液對空氣的濕度進行調節，基本原理是利用被處理空氣的水蒸氣分壓力與溶液表面蒸汽壓力之間的壓差驅動水分傳遞，對空氣濕度進行調節。

溶液調濕空調系統如圖1所示。夏季工況，室外新風由外界提供的高溫冷水(14℃/19℃)降溫除濕后，再進入溶液調濕單元進一步除濕，達到送風狀態點。除濕后的稀溶液被送入再生單元利用新風進行再生，再生后的濃溶液送入除濕單元，進行下一次循環。冬季工況，室外新風由外界提供的熱水(45℃/40℃)加熱后，再進入溶液調濕單元，通過溶液與熱空氣接觸，溶液吸收空氣熱量而釋放水分，從而實現對新風的加熱加濕。

圖1 溶液除濕處理過程示意圖

根據文獻和項目研究資料，溶液調濕空調系統的節能特點主要體現在：

（1）空氣可被直接處理到所需的送風參數點，避免常規冷凍除濕方式導致的過度冷卻或再熱所造成的能源浪費，比常規空調系統節省30%以上的耗電量[3]；

（2）溶液除濕不再需要低溫冷凍水，整個系統只需要18-21℃冷凍水[4]，提高制冷機組的蒸發溫度，將顯著提升制冷機組運行能效，使制冷機組運行能耗顯著降低。

溶液調濕空調技術具有顯著的節能效果，且技術的研究日趨成熟，在建筑領域、工業領域都有成功應用的案例，但該技術在應用方面需要重點關注以下幾項要點：

（1）由于房間的熱濕負荷隨使用情況和室外環境而變化，溶液調濕空調的熱濕實時控制方面需要加強；

（2）目前常用的溶液為 LiBr、LiCl、CaCl2，這 3種溶液與碳鋼、紫銅等材料表面接觸時會發生氧化極去腐蝕，即吸氧腐蝕[5]，因此溶液的腐蝕問題有待進一步解決；

（3）由于溶液除濕是利用被處理空氣的水蒸氣分壓力與溶液表面蒸汽壓之間的壓差驅動水分傳遞，對空氣濕度進行調節。因此若送風的風速過大，存在送風帶液的風險。

（4）由于溶液調濕技術設備材料和制造工藝的特殊性，設備制造過程復雜，且溶液調濕空調行業存在一定的壟斷性，因此溶液調濕空調應用的投資成本相對較高。

3 溶液調濕技術應用節能的研究

3.1 項目概況

上海某潔凈生產車間，采用萬級凈化空調系統。空調系統冷源選用2臺冷水機組，空調冷凍水的供回水溫度為7℃/12℃。潔凈生產車間配置恒溫恒濕空調箱，空調箱功能段如圖2所示，室內控制溫濕度參數如表1所示：

表1 潔凈生產車間室內控制參數

原有空調系統采用冷凍除濕配電加熱再熱的形式。系統通過調節冷凍水流量等參數來控制送風參數，控制精度較低。此外，原有系統存在冷熱抵消，能耗較高。

3.2 空調系統節能改造方案

將項目現有空調系統改造為新風獨立調濕空調系統。利用新風對室內進行除濕，以控制室內濕度，保留原有潔凈組合空調箱，用于控制室內溫度。新風獨立除濕系統采用溶液調濕技術。節能改造后空調系統原理圖如圖3所示：

圖3 空調系統溶液調濕技術應用示意圖

3.3 溶液調濕技術應用節能分析

3.3.1 空氣處理過程狀態分析

圖4 溶液調濕空氣處理過程狀態

本項目溶液調濕空氣處理過程如圖4所示。室外新風（狀態點W）)進入溶液調濕新風機組，首先經14℃/19℃的高溫冷水預冷預除濕到L點，然后再經過溶液除濕處理到N'1點，經過過濾器過濾后，進入組合空調箱與室內回風混合到N'2點，再由14℃/19℃的高溫冷水等濕冷卻到O點后送入潔凈區域。

3.3.2 空氣處理節能分析

原組合空調箱采用一次回風系統，新風量為27 740m3/h，送風量為30 500 m3/h，空氣處理過程各狀態點焓濕分析過程如表2所示：

表2 原組合空調箱空氣處理過程各狀態點參數

改造增加預冷式溶液調濕機組，風量與現狀保持一致，空氣處理過程各狀態點焓濕分析過程見表3所示：

通過計算，原潔凈空調空氣處理需要的冷負荷為506kW，再熱量62.0kW。采用溶液除濕技術后，空調空氣處理需要的冷負荷為482kW，再熱量18.0kW。按空調冷源設備能效系數為3.0，測算得到采用溶液調濕技術后，潔凈空調空氣處理過程的能耗可節省31%。

3.3.3 空調冷源設備節能分析

溶液除濕不再需要低溫冷凍水，因此空調冷源設備的冷凍水供水溫度可由常規的低溫7℃，提升到14℃，提高制冷機組的蒸發溫度，將顯著提升制冷機組運行能效，使制冷機組運行能耗顯著降低。本項目通過對空調冷源設備運行能效進行檢測，對比分析采用溶液除濕前后，空調冷源設備的能效參數變化。

（1）高溫冷凍水運行工況檢測

檢測時間為8月中旬，檢測條件下冷凍站開啟了一臺冷機。冷機檢測數據見表4，其中供回水溫度為13.5/15.2℃，制冷COP為3.26。

（2）低溫冷凍水運行工況檢測

與上述高溫工況相近的天氣條件下，只開一臺冷機始終無法滿足水溫要求，因此開啟兩臺冷機。冷機檢測數據見表5，其中供回水溫度為9.0/10.8℃，制冷COP為2.78。

表3 溶液調濕空氣處理過程各狀態點參數

表4 空調冷源設備高溫冷凍水工況能效檢測數據

表5 空調冷源設備低溫冷凍水工況能效檢測數據

根據空調冷源設備運行能效檢測結果，可知冷源設備在高溫冷凍水運行工況較低溫冷凍水運行工況的能效系數提高了17%，冷凍水供水溫度提高了約4.5℃，冷凍水的水溫每提高1℃，冷源設備的能效可提高約3.8%。

4 結論

本文結合潔凈廠房生產工藝特點，分析潔凈空調高能耗的原因。介紹適用于潔凈廠房的溶液調濕空調技術的原理和節能特點，并闡述該技術在應用時需要關注熱濕負荷實時控制難度、溶液腐蝕、送風帶液、投資成本相對較高等風險。以潔凈廠房空調系統節能改造項目為例，重點對溶液調濕空調技術空氣處理進行過程狀態點分析和節能分析，對溶液調濕空調技術在高溫冷媒運行工況下冷源設備的能效系數提升進行檢測分析，本文項目案例采用溶液調濕空調技術后，空氣處理過程的能耗約節省31%，冷源設備能效約提高17%，冷媒水溫每提高1℃，冷源設備的能效可提高約3.8%。可見，溶液調濕空調技術在潔凈廠房空調系統節能改造中有良好的應用效果。

[1]石靜宜.電半導體廠房空調系統節能研究[D].西安科技大學，2014.

[2]劉曉東.簡述潔凈廠房節能方面的實踐經驗[J].科技天地，2016：168-169.

[3]江億，李震，等.溶液式空調及其應用[J].暖通空調，2004，34:11.

[4]陳曉陽，劉拴強，等.溶液調濕空氣處理技術的研究進展[J].暖通空調，2011，41:1.

[5]張杰，耿欣，等.空調系統溶液除濕基本問題的研究進展[J].節能，2012，12.