涂装车间送风空调与焓湿分析

孙庭乐,李洋

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

1 前言

现代工业涂装在汽车制造业中是比较重要的工艺环节之一。涂装车间作为一个相对封闭的空间，生产运行期间需要持续不断的抽取车间外部分新鲜空气，经过处理后送往车间内部，在此过程中会消耗大量的能源。在高度重视节能环保的今天，如何降低涂装能耗已经成为涂装行业面临的重要课题。

对新鲜空气进行除尘、调温、调湿的设备是送风空调，它是一个高功率大风量系统，由新鲜空气入口（栅栏、可调节百叶窗）、初（粗）过滤、预加热、冷却、加热、水洗（喷淋板、挡水板）、后过滤、供风机、消声段等单元组合在一个通道式的、镀锌钢板制的室体内构成。上述各功能单元段的选用及组合取决于涂装工艺要求、当地气候条件和工厂现场条件。

焓湿图可将空气各参数之间的关系用图线表示，用焓湿图对温湿度调控过程进行分析，可以明确空气状态的变化，为送风空调节能优化工作的开展提供直观的参考。

2 送风空调功能单元段

送风空调的任务就是对新鲜风空气进行冷却、加热、增湿、降湿、除尘等。这些任务的实现离不开相应功能单元段的参与。新鲜空气中含有约78%的氮气、21%的氧气和1%左右的其他气体，其中，水以低压水蒸气的方式悬浮于空气中。空气的含湿量有多种计算方法，相对湿度是现场计量中最有效且应用最广泛的一种方法。湿球温度计上的读数是确定空气含湿量的一个参变量，它反应了空气的总热量。

常见的温湿度调控功能单元段有：预加热段、冷却降湿段、加热段、喷淋增湿段。除了这四个功能单元段外，送风空调还会配置过滤器段、风机段和消音段等，我们在此不做介绍。

根据功能单元段的配置情况，送风空调可分为两种类型：工艺空调和厂房空调，工艺空调主要用于给喷漆室或重点区域（调漆间等）供应温度和湿度在一定工艺要求范围内的风；厂房空调主要用于给打磨返修工位、厂房环境等供应体感舒适的风，温湿度的要求相对宽松。

图1是北京某汽车制造厂中涂喷漆室送风空调的工艺流程图。

图1 工艺流程图

假设这四功能单元段在满功率状态下运行，那么新鲜风的状态变化为：穿过燃烧器后，温度升高，含水量不变（相对湿度变小）；穿过冷盘管后，温度降低，含水量减少（相对湿度变大）；穿过热盘管后，温度升高，含水量不变（相对湿度变小）；通过喷淋后，温度降低，含水量增加（相对湿度变大）。

功能单元段是否开启以及开启后的运行功率由空调控制系统的PID统一协调，在实际运行过程中，几乎不可能出现四个功能单元段同时启用的情况。

在任何情况下，喷涂设备和涂料类型都是喷漆室内的空气参数，即空调出风口空气参数权重的决定因素。如果是水性涂装，则空气湿度具有最高的优先度，温度只是在此之后才进行观察。采用有机溶剂的设备则不同，它们的重要性要高得多。由于大部分制造商在底漆和中间涂层中几乎都只使用水性涂装，因此控制系统优先控制喷漆房内的湿度。但是，优先控制湿度有可能导致温度令人感觉不适。

3 9种气候及调控方向

气候决定了新鲜风的空气参数，根据不同的空气参数，送风空调选择相应的调控方向。假定目标空气的温度约为23℃，湿度约为65%RH。

理论上讲，可假想出9种气候场景（图2）。

图2 气候九宫格

（1）过冷且过湿。这种状态需要对空气进行加热和增湿。例如：有薄雾的秋日，开始状态：5℃，100%RH，加热；中间状态：33℃，28%RH，增湿；最终状态：22℃，60%RH。

（2）温度良好，但是过湿。这种情况经常出现。对空气进行调节的最简单而有效的方法是将其加热，直至达到正常的相对湿度为止。例如：闷热的夏日，开始状态：22℃，80%RH，加热；最终状态：26℃，60%RH。如果温度在这种情况下超过了上限，就应将空气冷却到露点（100%RH），如果继续冷却，空气中所溶解的水便会凝结成冷凝水析出。开始状态：22℃，90%RH，冷却；中间状态：20℃，100%RH，冷却，（大约3.5g水/kg空气凝结成冷凝水）；中间状态：16℃，100%RH，加热；最终状态：22℃，65%RH。

（3）过暖且过湿。在这种情况下，可采用气候②的方式处理。但是必须注意，冷却需要很高的能耗。如果出现的状况大多为诸如29℃和75%RH，那么控制系统便会达到生产参数允许值窗口的上限。在非常炎热而潮湿的日子里，冷盘管有可能达到其能力极限。如果在极限外部条件下无法达到设定值，空气便只能调节到正常的相对湿度。例如：非常闷热的夏日，开始状态：29℃，90%RH，冷却；中间状态：27℃，100%RH，冷却（处于大约12.5g水/kg空气的状况下时，会凝结出大量冷凝水）；中间状态：16℃，100%RH，加热；最终状态：22℃，65%RH。

（4）湿度良好，但是过冷。将对空气进行加热和增湿。在这种条件下，可在65%RH时令温度达到24℃。例如：秋天的天气，开始状态：0℃，60%RH，加热；中间状态：40℃，8%RH，增湿；最终状态：22℃，60%RH。

（5）温度良好且湿度良好。只要温度和湿度处于生产工艺要求允许值的窗口内，便不必做任何调整。

（6）湿度良好，但是过热。这种情况必须对空气进行冷却。冷盘管设计为将35℃，50%RH（17.6g/kg）的空气冷却到29℃，65%RH。在这种情况下，冷盘管表面上析出的冷凝水不多。例如：热，但不是令人不适的夏日，开始状态：35℃，50%RH，冷却；最终状态：29℃，65%RH。

（7）过冷且过干。空气必须进行加热和增湿，该状态与④的情况相仿，在非常干燥的情况下，喷淋加湿的水泵可能会达到极限。例如：晴天的冬日，开始状态：0℃，40%RH，加热；中间状态：43℃，6%RH，增湿；最终状态：22℃，60%RH。

（8）温度良好，但是过干。在这种情况下，只需要进行增湿。如果需要的降温幅度过大，就必须事先对空气进行加热。例如：夏天，开始状态：23℃，40%RH，加热；中间状态：28℃，28%RH，增湿；最终状态：22℃，60%RH。在事先未加热的情况下进行直接增湿，在这一开始状态下，温度便可能在湿度达到60%RH时，下降到20℃以下。

（9）过暖且过干。在这种情况下，要通过增湿过程令空气冷却，同时提高相对湿度。在湿度重新达到要求时，温度则可能由于开始温度的不同而有所不同。例如：令人愉快的夏日，开始状态：30℃，20%RH，增湿；最终状态：22℃，60%RH。

4 焓湿状态分析

4.1 在焓湿图上标定空气的状态位置

焓湿图看上去挺复杂，但仅需一把透明的塑料直尺和一支笔就能帮助你掌握确定空气状态点的方法，空气状态的变化趋势也可以在焓湿图上表示。

图3中，等温线t接近水平，看似平行，实际互不平行；等焓线i是倾斜直线；等相对湿度线φ是曲线；等含湿量线d是垂直线。最低的一根等相对湿度线φ，其值为100%RH，这条曲线称为饱和线，状态在这条线上的空气是饱和湿空气。

图3 焓湿图

送风控调系统中各功能单元段对空气进行处理时空气状态的变化趋势如下：①加热处理，空气在流经加热设备时，其状态沿显热增加的方向变化。②冷却处理，没有水汽析出，其状态即沿图中显热减少的方向变化。③增湿处理，空气既无加热，也无排热，含湿量和露点温度提高。这不是一个常规实用过程。④降湿处理，空气既无加热，也无排热，含湿量和露点温度降低。这不是一个常规实用过程。⑤利用喷淋加湿器对空气进行降温、增湿处理。

如果我们将进入空调设备前的空气状态在图4上确定位置并以此为参考点。就可以对空气进行加热、冷却、增湿或降湿处理时，在图上表示空气各状态的变化过程。

图4 显热与潜热的变化

热交换器的实际容量也可以利用焓湿图的总热量值在现场予以检测。如果流经过热交换器的空气量已知，那么分别检测热交换器进出口的总热量值，即可获得非常精确的热交换器的性能参数。为了便于理解，我们采用简化方式粗略计算，假定新鲜风的风量为q=100000m3/h，空气密度ρ=1.2kg/m3，则空气质量流量G=q·ρ=100000×1.2=120000kg/h≈33.33kg/s。

4.2 夏季模式（图5）

图5 夏季模式

在夏天，送风空调主要对空气进行冷却和降湿，空气表现为温度降低，同时，含湿量和露点温度下降。可能出现的极端天气为过暖且过湿（气候③）。夏季模式启用的功能单元段主要为：冷盘管冷却降湿段，热盘管加热段。

空气状态在此过程中参数如下：

（1）状态S0=S1：29℃，90%RH：查询焓湿图可知S0状态下：湿球温度tw0=27.60℃，露点温度td0=27.18℃，含湿量d0=22.96g/kg，比焓h0=87.84kJ/kg。（2）状态S2：16℃，100%RH：查询焓湿图可知S2状态下：湿球温度tw2=16.00℃，含湿量d2=11.37g/kg，比焓h2=44.86kJ/kg。（3）S3=S4：22℃，65%RH：查询焓湿图可知S3状态下：湿球温度tw3=17.53℃，露点温度td3=15.15℃，含湿量d3=10.73g/kg，比焓h3=49.42kJ/kg。

夏季模式的理想焓湿曲线如图6所示。

图6 夏季理想焓湿曲线

S0→ S2：Q=G(h2-h0)=-1432.52kW。

冷盘管带走了空气中的大量热量。

S2→ S3：Q=G(h3-h2)=151.98kW。

热盘管加热空气，内能增大。

4.3 冬季模式（图7）

图7 冬季模式

在冬天，送风空调主要对空气进行加热和增湿，空气表现为温度增高，同时，含湿量和露点温度上升。可能出现的极端天气为过冷且过干（气候⑦）。冬季模式启用的功能单元段主要为：燃烧器预热段，喷淋增湿段。

空气状态在此过程中参数如下：

（1） 状 态 S0：0℃，40%RH：查询焓湿图可 知S0状态下：湿球温度tw0=-3.34℃，露点温度td0=-10.69℃，含湿量d0=1.5g/kg，比焓h0=3.76kJ/kg。（2）状态S1=S2=S3：43℃，6%RH：查询焓湿图可知S1状态下：湿球温度tw1=18.20℃，露点温度td1=-1.97℃，含湿量d1=3.2g/kg，比焓h1=51.52kJ/kg。（3）状态S4：22℃，60%RH：查询焓湿图可知S4状态下：湿球温度tw4=16.82℃，露点温度td4=13.92℃，含湿量d4=9.9g/kg，比焓h4=47.28kJ/kg。

冬季模式焓湿图理想曲线变化如图8所示。

图8 冬季理想焓湿曲线

S0→ S1：P=G(h1-h0)=1591.84kW。

燃烧器预热空气，内能增大。

S1→ S4：P=G(h4-h1)=-141.31kW。

加湿量L=G(d4-d1)=223.31g/s=803.92kg/h。

虽然喷淋增湿可以近似看作一个等焓过程，但由于空气的温度高于加湿水槽内的水温，势必会产生热交换，从而导致空气内能减少。

4.4 总结

上述2种焓湿曲线是夏季和冬季温湿度调控的理想状态，在实际运行过程中，外界气候不可能一成不变，控制系统PID会根据进风口对各功能单元段的输出进行实时动态控制，最终实现出风口的温度和湿度在工艺要求的范围之内。如何减少调节波动和避免功能单元段的过输出是节能的关键。通过焓湿图的理论结合现场各功能单元段的实际能耗能够帮助我们分析送风空调节能优化的方向及收益。