熱泵技術在干式噴房應用及節能減排分析

文/王錚昊

摘要：介紹了水冷螺桿式熱泵機組在涂裝車間噴房及閃干系統設計的基本原則，通過對干式及濕式噴房并線運行的工程 實例計算，對比分析了熱泵技術在干式及濕式噴房應用的差別；通過對冬季及夏季模式熱泵能源回收率的差異分析，建立了更準確的熱泵應用節能減排效益及投資回報效率計算模型，對涂裝領域新線建設及老線改造具有一定的指導意義。

關鍵詞：涂裝;熱泵技術；節能減排；干式噴房

0 引言

涂裝車間空調溫濕度控制系統，其水電氣公用耗約占涂裝車間能耗的20%。為響應國家“十三五規劃”關于節能減排要求，涂裝車間節能減排改造項目主要集中在以下幾個領域:水性漆改造、循環風節能改造、干式噴房技術及熱泵技術。而以上幾種技術應用相輔相成，就單個技術來講，降低廢氣廢水排放的同時可能會造成能耗的增加，例如中涂及色漆實現水性化后，要求更為嚴格的噴房溫濕度環境，與傳統溶劑型涂料相比，公用耗上升約1.6倍，這就要求采用循環風技術及熱泵技術降低空調運行能耗。

熱泵作為一種將低位熱能傳遞至高位熱能的高效節能裝置，已經在各行業得到廣泛應用。涂裝領域應用也在近十年逐步擴大，主要用于替代單制冷機組，通過增加冷凝器進行熱量回收。在前處理電泳槽液加熱、輸調漆系統管中管換熱、噴房及閃干送排風系統溫濕度控制領域都有較成功的應用。近幾年涂裝行業熱泵技術討論最多的是在濕式噴房循環風空調溫濕度控制中的應用，這類研究多注重于熱泵節能原理分析，對于熱泵系統及下游用戶端集成性分析不夠詳細，且案例分析也僅局限于濕式噴房循環風方案的討論上，并未對干式噴房熱泵技術應用的差異變化點進行分析。由于熱泵系統回收熱多少取決于系統冷量的消耗，而冷M消耗隨外界季節有所變化，也不能簡單利用理論回收熱量進行年化收益估算。因此，本文主要針對干式噴房及濕式噴房熱泵應用差異進行分析，通過對冬季及夏季模式熱泵能源回收率的對比分析，闡述了更準確的熱泵應用節能減排效益及投資匯報效率計算模型，并參考GB/T 2589-2008《綜合能耗計算通則》進行節能減排折標計算,更加準確且直觀地分析噴漆室溫濕度控制采用熱泵技術的節能效果及投資回報比。

1 工程案例分析

1.1 工程概況

以廣東某廠實際應用為例，其工藝輸入如下:生產綱領為26萬只/a;年時基數為250d/a;開動時間為4500h/a（雙班18h制）;涂裝工藝為B1B2水性色漆;風量循環率n=噴漆室排風循環風量/噴漆室總供風量。

噴漆室風量分配如表1所列（含檢查及氣封段送風），其中面漆A線采用文丘里濕式漆霧捕集形式,面漆B線采用過濾式紙盒干式漆霧捕集形式，A、B線風配比相同，其中色漆循環比例61%，清漆循環比例82%。

表1 噴漆室風量分配（萬立方米/小量）

1.2 熱泵供能方案設計

本車間熱泵系統應用方案主要包含4種介質循環：

1）機組內冷媒換熱介質循環;

2）車間冷凍水管網循環;

3）車間熱水管網循環;

4）開式冷卻水管網循環，見圖1所示。

圖1 熱泵系統應用方案原理

第一種循環為熱泵內循環，采用水冷螺桿式熱泵機組，該熱泵主要由壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器等組成。作用原理為:低溫低壓的氣態制冷劑經壓縮機做功后變為高溫高壓的氣態制冷劑（a→b）,高溫高壓的氣態制冷劑通過冷凝器變成常溫高壓的液態制冷劑（b→c,熱量被有效利用，提高換熱介質溫度），常溫高壓的液態制冷劑再經過節流部件節流降壓后變為低溫低壓的液態制冷劑（c→d），低溫低壓的液態制冷劑在蒸發器中氣化吸熱后變為低溫低壓的氣態制冷劑（d→a,冷量被有效利用，降低換熱介質溫度），低溫低壓的氣態制冷劑再被壓縮機吸人，如此循環。

車間冷凍水循環通過在熱泵蒸發器中放熱降溫，制出7度的冷凍水，該冷凍水通過終端冷盤管換熱器與空氣進行換熱。車間熱水循環通過在熱泵冷凝器中吸熱升溫,制出38度熱水,該熱水通過終端冷盤管換熱器與空氣進行換熱。冷卻水循環目的是當系統熱量需求不足，熱量在冷凝器中無法全部消耗回收的情況下，通過冷卻水至冷卻塔循環降溫，帶走多余熱量排至大氣。需要注意的是，熱泵產生可問收的熱量取決于熱泵制冷量,即整個系統消耗的冷量，系統消耗冷量越多，可供回收的熱量越多，這就導致在冬季模式下，冷量需求低，熱量需求高，熱泵產生熱量無法滿足系統消耗，這時就需要燃燒機提供外部熱源對熱水管網進行輔助加熱。這也就解釋了為什么熱泵熱水出水溫度不可控，而取決于系統消耗了多少冷量。

2 干式噴房節能效果分析

2.1 能耗分析

本案例面漆A線采用采用濕式漆霧捕集,B線采用干式漆霧捕集，兩條線風量分配相同，但在循環風空調功能段設計及熱量回收上差別較大。其中濕式噴房循環風經文氏口高速水流洗滌 ,相對濕度可達到95%，因為經過循環風空調的空氣需要先表冷除濕，使空氣中的絕對含濕量降低，后經過加熱使送風滿足溫濕度要求。而干式噴房由于無水洗滌，采用過濾式紙盒單元，空氣含濕量不會增加，但是由于氣流在管路中流動，部分機械能轉化為空氣熱能，從而溫度會略微升高，同時由于漆霧會吸附一部分水蒸氣，使空氣絕對濕度略微降低，因此干式噴房循環風空調需要表冷降溫及加濕。干式及濕式循環風空調功能段的主要區別如表2所列。

表2 干式及濕式循環風空調功能段區別

設計全年溫濕度控制狀態為 :溫度(25±1)度，相對濕度(70±5)%。由全年恒定溫濕度控制工況狀態點及外界環境點，根據焓濕圖可計算出空調冷熱水及加濕公用能耗需求，其中濕空氣焓T（kj/kg干空氣）值可 由公式(1)計算得出：

式中：r0為0度時水蒸氣汽化潛熱，其值為2492kJ/kg；rg為干空氣平均定壓比熱容，kJ/(kg·K)；cv為水蒸汽平均定壓比熱容，KJ/(kh·K)；H為空氣的含濕時，kg/kg。

由公式（2）可計算得出A、B線設備理論冷熱量最大耗量需求：

式中：Q為設備冷熱耗量，kW；p為空氣密度，kg/m3；V為風量（體積流量），m3/h；ΔI為換熱器前后空氣?差，kJ/kg。
理論最大冷熱耗量計算結果如表3所列。

表3 理論最大冷熱耗量

由表3數據分析可得：

1) 干式噴房制冷量相比與濕式噴房減少約59%, 節能效果顯著。這是由于干式噴房無需表冷除濕，從而降低冷量消耗。

2) 干式噴房熱量耗量為434kW,相比于濕式噴房1377 kW減少68%,能耗降低效果顯著。但由于干式噴房不需表冷除濕，?收熱量少，因此濕空氣溫度不會降至露點溫度下,不需要除濕后加熱。

2.2 節能效益分析

由表3可知，A+B線冷量最大耗量為1662 kW，熱量最大耗量為1811kW。但由于閃干強冷送風分冬夏季模式,在冬季模式下室外進風低于15度，新風不需表冷，因而冬季模式下冷量最大耗量為1262kW。根據熱泵機組選型熱回收系數r=最大熱回收量/最大制冷M=1.126,得出冬季模式下最多可回收熱為1421kW,小于熱量最大耗量1811kW。因此，在計算冬季模式下?收熱量節能效益時不能利用最大熱耗量進行計算。同時這也解釋了為何冬季模式下需要進行鍋爐輔熱。

熱泵節能主要在于進行了熱量的回收，而熱量節能計算一般等效為當量天然氣。根據天然氣的燃燒熱值，1m3天然氣完全燃燒能提供8.5kW熱量,計算本案例冬夏季模式熱回收量及等效天然氣量如表4 所列。

以年生產250d，18h/d為依據，按冬、夏季模式各125d計算節能年化收益。由于空調冷熱水制備方式不同，冷水主要通過電動冷凍機制備，而熱水通過燃氣鍋爐制備。為對不同種類能源進行計算、對比和分析，需首先統一選定一種標準的燃料作為核定基準，然后用能源折算系數將不同類型能源統一轉化為基準燃料能源的折標數量。依據我國能源結構，煤仍作為主要一次能源，本文選用噸標煤(tee)和千克標煤(kgee)為能源基準。因此，在計算能源消耗總量時,實際節約熱水公用耗量按GB/T-2589-2008進行折標計算，其中天然氣折標系數為1.214tce/（103-m3),標煤的C02排放因子為2.8tCO2/tce計算可得熱泵年節能折標量及減少CO2排放量，如表5所列。

表4 熱回收效益分析

表5 熱泵節能減排年化效果分析

本案例中，車間工業用天燃氣的全年平均價格為3元計算可得理論最多減少生產成本256.7萬元/a,經濟效益非常可觀。對于60JPH以上、采用兩條面漆線生產的項目，可通過采用兩臺熱泵機組替代原有單冷機組，配以鍋爐輔熱。此方案可替代常規空調熱水由鍋爐房供給，實現涂裝車間獨立供給。熱泵機組投資成本較單冷機組高約30%，本案例約增加180萬元投資,根據近1年熱泵機組實際運行負荷觀察,全年拉通冷量負荷一般在70%左右，且考慮到冷卻塔散熱造成的回收熱量損失，實際熱量回收約占理論最大回收量的55%,近似實際減少成本141.2萬元/n,投資回報比大約為1.5年。

3 結語

由以上討論可以發現，不論是干式噴房還是濕式噴房，不論是水性還是溶劑型噴房，熱泵設備運行可靠,均可達到節能減排、降低單車成本的效果，且水性漆較溶劑型漆由于其更高的溫濕度控制要求，采用熱泵技術收益將更明顯。干式噴房相比于濕式噴房，由于其冷量耗量少，無需表冷后加熱的特點，產生的可回收熱量較濕式噴房低，但能耗大幅下降。因此，作者認為，熱泵技術配合干式噴房應用在新舊汽車涂裝生產線是完全可行、可靠且值得大力推薦的。