热回收系统在涂装车间空调系统中的应用分析

王 刚，马 力，王建凯，赵晓辉，迟兆武，杜林林，王铮昊

（中国汽车工业工程有限公司，天津 300113）

汽车涂装车间对洁净度和温湿度要求较高，一般通过空调送排风系统控制车间内的温度和相对湿度，使得涂装车间内部相对外部微正压，防止灰尘进入车间。随着汽车行业竞争的日益加剧，节能降耗及控制成本是各主机厂增效、创收的主要手段。其中涂装车间是整个主机厂的能源大户，在涂装车间内，喷漆室的能耗最大，大约占整个涂装车间总能耗的50%左右，而空调送排风系统又占40%左右，因此，空调送排风系统的节能降耗至关重要。

1 空调系统介绍

空调系统是为满足设备通风、温湿度和洁净度要求而配置的专用设备。根据各区域送风工艺要求、外界气候条件不同，空调内部的功能段配置也不相同。通常完整的空调系统包含以下功能段：一次加热段、进风段、初效过滤段、表冷段、加湿段、二次加热段、风机段、消音段、中效过滤段、出风段，如图1所示。

图1 空调系统组成

通过气象资料可以查询工程所在地的外界气候条件，涂装车间喷漆室的送风要求一般为温度（22±1）℃，相对湿度（65±3）%。根据焓湿图控制原理，可以计算得出空调系统各个功能段的能源需求。因空调系统的能源消耗较大，如果达到送风温湿度要求的风量直接排放，造成能源的大量浪费，通过热回收系统将满足送风要求的排风与空调系统入口的外界新鲜风进行换热，可以节约大量能源。

2 热回收系统

2.1 热回收系统的原理

以冬季为例，热回收系统的原理如图2所示。 满足温湿度要求的排风将排风侧热回收盘管内的液体介质加热，循环水泵将液体介质输送到新风侧的热回收盘管，将进风侧的新鲜风预热。使得空调进风温度更加接近送风要求，达到节省能源的目的。（夏季与冬季的原理相同，其效果是冬季预热，夏季预冷。）

图2 热回收系统原理图

2.2 热回收系统的组成

热回收系统由热回收盘管、热回收管路、热回收阀组组成。

根据热回收系统的原理可知，热回收盘管一般设置在空调系统的第一个功能段，对外界新风进行预热或预冷。

空调A热回收系统如图3所示，空调B热回收系统如图4所示。

由于排风侧的热回收盘管表面会产生冷凝水，因此排风侧的热回收盘管必须设置挡水板和接水盘，便于冷凝水的排放。冬季，由于室外空气温度较低，排风中可能会出现结冰现象。为防止盘管冻坏，热回收阀组上可设置一个三通调节阀，将部分液体介质旁通。热回收阀组的结构组成如图5所示，主要包括循环水泵、Y型过滤器、膨胀罐、蝶阀、三通调节阀、压力表和温度表。膨胀罐用来补偿液体介质的温度变化而产生的管道中的体积变化。膨胀罐内部被隔膜分成两个独立的部分，一侧预充一定压力的气体，另一侧与管道内的液体介质接触。当液体介质的体积变大时，膨胀挤压空气侧的体积，同时空气侧的压力相应变大。

图3 空调A热回收系统结构组成

图4 空调B热回收系统结构组成

图5 热回收阀组的结构组成

2.3 热回收系统循环介质

通常采用一定浓度的乙二醇作为热回收循环系统内的液体介质，满足载冷剂的 6 项基本要求：（1）在使用范围内，不凝固，不气化。（2）无毒，化学稳定性好，对金属不腐蚀。（3）比热大，输送一定能量所需流量小。（4）密度小，黏度小，可减小流动阻力，降低循环泵消耗功率。（5）导热系数大，可减少换热设备的传热面积。（6）来源充裕，价格低廉。

3 空调能耗计算

以北京某涂装车间的工程案例为例，外界气候条件及空调送风要求如表1所示。

表1 外界气候条件及空调送风要求

耗热量计算公式为

其中，为单位时间耗热量，kJ/h；为风量，m³/h；为空气密度，kg/m；Δ为焓差，kJ/kg。

耗水量计算公式为

其中，为单位时间耗水量，kg/h；为风量，m³/h；为空气密度，kg/m；Δ为含湿量差，g/kg。

3.1 无热回收系统情况下的能耗计算

通过焓湿图查得，极端天气条件下，外界空气的初始温湿度和目标温湿度之间的焓差和含湿量差值，经式（1）和式（2）可计算出相应的热量、冷量和加湿水量的能耗值如表2所示。

表2 无热回收系统情况下的空调能耗表

3.2 有热回收系统情况下的能耗计算

冬季和夏季极端天气条件下，通过理论计算，可以得到空调新风经过热回收系统后的温湿度变化，通过焓湿图查得经过热回收系统后的新风温湿度和目标温湿度之间的焓差和含湿量差值，其结果分别如表3和表4所示。

表3 冬季新风经过热回收系统后的温湿度变化

表4 夏季新风经过热回收系统后的温湿度变化

经式（1）和（2）可计算出空调A和空调B在有热回收系统的情况下相应的热量、冷量和加湿水量的能耗值，其结果如表5所示。

表5 有热回收系统情况下的空调能耗表

3.3 空调能耗对比及经济效益分析

通过对比表2和表5可得出两台空调每小时节省的能耗，如表6所示。

表6 空调能耗对比表

经过热回收系统后，外界天气的绝对含湿量未发生变化，因此有无热回收系统，对空调系统的实际耗水量无明显影响。表5数据也可以验证此结论。

根据生产需要，空调A每天24小时连续运行，空调B每天13小时连续运行。

根据电压缩制冷机组计算公式

式中，为电压缩制冷机组的制冷功，kW；为电压缩制冷机组耗电量，kW；COP为电压缩制冷机组的制冷系数，取值为2.8，则

查询气象资料可知，夏季6－8月份的外界气温最高，假设出现极端天气的概率为50%，粗略计算，空调A和B夏季可节约的冷量折合成电量分别为

空调A：

空调B：

此工程案例的用电单价为0.8元/度，两台空调夏季可节省电费0.8×（114 343+170 644）≈ 227 990元。

冬季12－2月份的外界气温最低，假设出现极端天气的概率为50%，粗略计算，空调A和B冬季可节约的天然气分别为

空调A：79×24×90×0.5= 85 320 m

空调B：217×13×90×0.5= 126 945 m

此工程案例的天然气单价为2.63元/m，两台空调冬季可节省天然气费用2.63×（85 320+126 945）≈558 257元。

显然，两台空调在热回收系统使用下，每年可至少节约能源费用为78.6万元。

4 结论

从表6可以看出，在同等外界天气条件下，对于相同风量的空调送排风系统来说，有热回收系统与无热回收系统的空调送排风系统相比，每小时可节约天然气耗量40%左右，每小时可节约冷量18%左右。粗略计算，此工程案例的两台空调送排风系统每年可节约运行成本近80万元。热回收系统对涂装车间空调送排风系统具有非常显著的节能效果。两年左右即可收回热回收系统的额外投资成本。对汽车涂装车间空调送排风系统的运行成本估算和热回收系统的投资可行性分析具有指导意义。