空調(diào)技術(shù)在鋼鐵工業(yè)碳減排技術(shù)應(yīng)用

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【摘要】在鋼鐵工業(yè)中，部分建筑因設(shè)備運行釋放大量余熱，通常情況下采用空調(diào)設(shè)備進行溫度調(diào)節(jié)，甚至在室外溫度很低的冬季仍需制冷運行。鋼鐵工業(yè)作為能耗大戶，在實現(xiàn)“雙碳目標”的道路上，具有非常重要的作用。本文介紹了鋼鐵工業(yè)建筑目前常用的空調(diào)設(shè)計方案，結(jié)合云南地區(qū)的氣候特性，以碳減排為目的分析了適用于該地區(qū)的空調(diào)技術(shù)，指出了應(yīng)因地制宜制定空調(diào)方案，避免“以不變應(yīng)萬變”的設(shè)計思路。

【關(guān)鍵詞】空調(diào)技術(shù)；鋼鐵工業(yè)；天然冷源；消除余熱；雙碳目標

0引言

2020年，在全球氣候雄心峰會上，宣布：“到2030年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億m3，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億kW以上?！?030碳達峰和2060碳中和（以下簡稱“雙碳目標”），展現(xiàn)了我國應(yīng)對氣候變化的堅定決心，在未來40年極大地促進我國產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型升級?！半p碳目標”將加速制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型升級。工業(yè)是我國CO2排放和能源消耗的最主要領(lǐng)域，2019年我國總共消費48.6億t標煤，其中工業(yè)占比超過60%，因此工業(yè)碳達峰是2030全國碳達峰的重中之重。近年來我國工業(yè)在保持快速發(fā)展的同時也在持續(xù)降低碳排放強度。構(gòu)建綠色低碳的工業(yè)制造業(yè)體系，不僅關(guān)乎工業(yè)可持續(xù)發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級，也是應(yīng)對氣候變化的重要手段。工業(yè)制造業(yè)低碳綠色轉(zhuǎn)型的未來發(fā)展方向，必然是要選擇量大面廣、因地制宜、節(jié)能低碳的方案進行綠色設(shè)計。而對于高能耗的鋼鐵工業(yè)，除去高能耗的工藝設(shè)備外，輔助設(shè)備、輔助工藝的節(jié)能降耗對碳減排同樣具有非常重要的地位。通常情況下，碳減排可以采用如下?lián)Q算等式：節(jié)約1度電=減排0.997kg“二氧化碳”=減排0.272kg“碳”鋼鐵工業(yè)中大部分電氣室運行時產(chǎn)生大量的余熱，常規(guī)設(shè)計采用空調(diào)降溫。由于其需要常年運行的特征，空調(diào)的電耗相當(dāng)可觀。相對于以舒適度為主要考量標準的民用建筑，工業(yè)建筑以其對溫濕度要求不高、吹風(fēng)感無要求等特點，給空調(diào)技術(shù)的選擇提供了較大空間?；谏鲜鲈颍疚囊試覍嵤半p碳目標”為切入點，系統(tǒng)分析鋼鐵工業(yè)不同的空調(diào)技術(shù)，作為云南地區(qū)的鋼鐵工業(yè)空調(diào)技術(shù)比選，以供此領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者、設(shè)計研究人員參考。

1鋼鐵工業(yè)常用空氣調(diào)節(jié)技術(shù)

從形式上，空調(diào)系統(tǒng)分為集中空調(diào)系統(tǒng)（也稱中央空調(diào)）和分散式空調(diào)（也稱單元式空調(diào)）兩種。集中空調(diào)系統(tǒng)是通過冷水機組（壓縮式制冷、吸收式制冷等）制備冷凍水，通過管道輸送至空調(diào)機房，再通過全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)向空調(diào)房間送入冷空氣進行空氣調(diào)節(jié)。空調(diào)機組通常采用風(fēng)機盤管或組合式空氣處理機組。空調(diào)房間中的余熱通過空調(diào)機組交換到冷凍水，冷凍水再通過冷水機組交換到冷卻水，冷卻水的熱量通過冷卻塔（或其他冷源）放散。分散式空調(diào)根據(jù)冷卻介質(zhì)不同，分為風(fēng)冷冷風(fēng)空調(diào)機和水冷冷風(fēng)空調(diào)機。風(fēng)冷冷風(fēng)空調(diào)機在運行時，高溫高壓的制冷劑氣體在室外換熱器中（冷凝器）放熱，熱量通過室外循環(huán)空氣帶走；液體制冷劑在室內(nèi)換熱器中（蒸發(fā)器）吸熱，達到消除室內(nèi)余熱的目的。水冷冷風(fēng)空調(diào)機與風(fēng)冷空調(diào)機在運行時的區(qū)別在于：高溫高壓的制冷劑氣體在室外換熱器中（冷凝器）放熱，熱量通過冷卻水帶走。鋼鐵工業(yè)中，目前絕大部分采用壓縮式或吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)，例如離心式冷水機組、螺桿式冷水機組、溴化鋰吸收式冷水機組。還有以風(fēng)冷冷風(fēng)空調(diào)機、水冷冷風(fēng)空調(diào)機為代表的單元式空調(diào)機組；對于民用建筑中常用的多聯(lián)機，近十年來也有應(yīng)用。

2不同空調(diào)技術(shù)分析

2.1壓縮式空調(diào)

壓縮式空調(diào)包括但不限于離心式冷水機組、螺桿式冷水機組、單元式風(fēng)冷/水冷冷風(fēng)空調(diào)機組等。運用逆卡諾循環(huán)原理，壓縮機將氣態(tài)的制冷劑壓縮為高溫高壓的氣態(tài)制冷劑→冷凝器散熱后成為常溫高壓的液態(tài)制冷機→毛細管或膨脹閥→蒸發(fā)器→壓縮機，以此循環(huán)，不斷地將熱量從低溫側(cè)帶入高溫側(cè)。得益于制冷量范圍廣、能效比較高、可靠、穩(wěn)定、初投資較低等特征，壓縮式空調(diào)在鋼鐵工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2吸收式空調(diào)

吸收式制冷是利用某些具有特殊性質(zhì)的工質(zhì)對，通過一種物質(zhì)對另一種物質(zhì)的吸收和釋放，產(chǎn)生物質(zhì)的狀態(tài)變化，從而伴隨吸熱和放熱過程。吸收式制冷裝置由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、循環(huán)泵、節(jié)流閥等部件組成，工作介質(zhì)包括制取冷量的制冷劑和吸收、解吸制冷劑的吸收劑，二者組成工質(zhì)對。以溴化鋰吸收式冷水機組為典型代表，充分利用鋼鐵工業(yè)中的低中壓余熱蒸汽，提供空調(diào)冷凍水，在鋼鐵工業(yè)中也有應(yīng)用。由于其初投資高、能效比較低的特征，限制了其應(yīng)用空間。

2.3直接蒸發(fā)式空調(diào)

蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)是利用室外空氣中的干濕球溫度差所具有的“天然冷卻能力”，使用水作為制冷劑，通過水與空氣之間的熱濕交換，利用水蒸發(fā)吸熱制冷以取代壓縮式制冷的空調(diào)技術(shù)。對被處理的空氣或水進行降溫處理，以滿足室內(nèi)溫濕度要求的空調(diào)系統(tǒng)[1]。使空氣和水直接接觸，通過水的蒸發(fā)而使空氣溫度下降，即為直接蒸發(fā)式空調(diào)。對于工業(yè)建筑中的高溫車間，如熔煉車間、變頻機房、數(shù)據(jù)中心等，由于生產(chǎn)和使用過程散熱量較大，但散濕量較小或無散濕量，且空調(diào)區(qū)全年需要以降溫為主，此時采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，或蒸發(fā)冷卻與機械制冷聯(lián)合的空調(diào)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)壓縮式空調(diào)機相比，耗電量只有其1/10~1/8，初投資只有其3/5[2]，見表1。直接蒸發(fā)式空調(diào)的空氣直接與水接觸，其送風(fēng)中含濕量較大，接近飽和狀態(tài)，另外，循環(huán)水中滋生的細菌等對空氣質(zhì)量造成影響，因而，其應(yīng)用范圍大大降低。加上對室外干濕球溫度有限制、維護工作較復(fù)雜，目前在鋼鐵工業(yè)中鮮有應(yīng)用。

2.4間接蒸發(fā)式空調(diào)

間接蒸發(fā)式空調(diào)通過空氣—水熱交換器（主要有板式、管式、板管式等類型）將冷負荷轉(zhuǎn)移給室外空氣，實現(xiàn)非接觸式換熱。循環(huán)水的制取，分為集中式和分散式。集中式采用冷卻塔等統(tǒng)一制取后通過水泵輸送到各空調(diào)單元，而分散式則隨空調(diào)單元布置。該技術(shù)避免了空調(diào)送風(fēng)中含濕量的增加、水中細菌對送風(fēng)的污染等問題，受輸送管道絕熱保護或熱交換器效率的影響，相同室外環(huán)境下，送風(fēng)溫度較直接蒸發(fā)式空調(diào)高，環(huán)境適宜區(qū)間相對狹窄。但是，鋼鐵工業(yè)需要大量的循環(huán)冷卻水，在冷卻水溫度適宜的情況下，同一制備循環(huán)冷卻水并進行水處理，合理計算熱交換器進出風(fēng)溫度、進出水溫度，效益明顯，從而該空調(diào)技術(shù)有較好的應(yīng)用條件。

3空調(diào)技術(shù)適應(yīng)性分析

不同的空調(diào)技術(shù)有其固有的優(yōu)勢，與之相應(yīng)的，就有其最佳適應(yīng)環(huán)境。就云南地區(qū)而言，除操作習(xí)慣、管理維護復(fù)雜度等人的因素，空調(diào)技術(shù)適應(yīng)性應(yīng)重點考慮以下兩大因素：

3.1氣候特征

云南省位于西南地區(qū)，氣候基本屬于亞熱帶和熱帶季風(fēng)氣候，滇西北屬高原山地氣候。云南氣候基本屬于亞熱帶高原季風(fēng)型，立體氣候特點顯著，類型眾多、年溫差小、日溫差大、干濕季節(jié)分明、氣溫隨地勢高低垂直變化異常明顯。一般海拔高度每上升100m，溫度平均遞降0.6~0.7℃。全省平均氣溫，最熱（7月）月均溫在19~22℃之間，最冷（1月）月均溫在6~8℃以上。云南省大部分區(qū)域為溫和地區(qū)，其面積占全省約86%，比較典型的昆明市，極端最高溫度30.4℃，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度26.2℃，濕球溫度20℃，夏季通風(fēng)室外計算溫度23℃，夏季通風(fēng)室外計算相對濕度68%[1]。云南大部分地區(qū)均屬于蒸發(fā)冷卻技術(shù)適用和可用的區(qū)域[3]。

3.2空調(diào)房間工藝設(shè)備要求

3.2.1溫度對設(shè)備的影響。鋼鐵工業(yè)建筑以電氣室、操作室為主。對于電氣室內(nèi)的電氣設(shè)備，周圍空氣溫度的高低直接影響其散熱冷卻效果溫度過高，會加速絕緣老化、使塑料材料變形變質(zhì)，會使熱繼電器誤動作、電子元件劣化、電氣設(shè)備降容；溫度過低，會使電氣設(shè)備內(nèi)某些材料變硬變脆，使有些油類的粘度增大或凝固，影響設(shè)備的正常動作。日溫差過大，易產(chǎn)生凝露，使絕緣性能降低，還會使零部件變形、開裂、瓷件碎裂等。通常情況下，要求電氣室溫度范圍為5~35℃。3.2.2濕度對設(shè)備的影響。當(dāng)空氣中相對濕度大于65%時，電氣設(shè)備的表面會覆以一層約0.001~0.01μm的水膜，濕度越大，水膜越厚，當(dāng)相對濕度接近100%時，水膜厚度可達到幾十微米，從而使電氣設(shè)備的絕緣強度大大降低。另外，當(dāng)相對濕度為80%~95%、溫度在25~30℃時，易使霉菌旺生，從而腐蝕電氣設(shè)備的金屬部件和印刷電路板等。相對濕度過低，會使塑料等絕緣材料變形、龜裂。通常情況下，要求電氣室相對濕度范圍為30%~65%。3.2.3粉塵對設(shè)備的影響工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的危害性粉塵大多比電阻不高，又由于粉塵的塵粒荷電性、吸水性，彌漫在空氣中。通過風(fēng)機直接將室外含塵空氣送入工業(yè)建筑后，很容易使粉塵在電氣設(shè)備的周圍凝集沉降，從而破壞電氣設(shè)備的絕緣強度、在操作過程中極易造成電氣擊穿短路事故。有的粉塵還堆集在電子板內(nèi)，造成電氣誤動、短路等，對其安全運行造成很大危害。通常情況下，要求對送入建筑物內(nèi)的空氣進行凈化處理，或采用房間正壓的空調(diào)/通風(fēng)方式。

4空調(diào)技術(shù)選擇

4.1案例分析

以云南省昆明地區(qū)某鋼鐵項目為例，該項目采用分散式風(fēng)冷冷風(fēng)空調(diào)機組，共計制冷量1350kW，共計86臺，制冷功率600kW，平均COP值2.25。以全年運行時間300d計算，年耗電量432萬kWh。假設(shè)采用天然冷源的新風(fēng)供冷方式，按夏季通風(fēng)室外計算溫度23℃（暫按可以取室外新風(fēng)考慮）、室內(nèi)設(shè)計溫度30℃計算，排除室內(nèi)余熱所需新風(fēng)量為：L=Q0.337×（tp-ts）式中：L-通風(fēng)換氣量，m3/h；Q-室內(nèi)顯熱發(fā)熱量，W；tp-室內(nèi)排風(fēng)設(shè)計溫度，℃；ts-送風(fēng)溫度，℃。經(jīng)計算，送風(fēng)量L=572276m3/h。若采用風(fēng)機直接供冷，風(fēng)機數(shù)量為65臺，平均每臺風(fēng)量8810m3/h，采用機械送、機械排的通風(fēng)方式，綜合設(shè)備樣本選型，風(fēng)機功率為0.55kW/臺，共計71.5kW，年耗電量51.48萬kWh，年減排1035014.4kg“碳”。鋼鐵工業(yè)除了是高能耗大戶，也是高污染大戶，廠區(qū)內(nèi)環(huán)境較差，為了提高工藝、延長電氣設(shè)備的使用壽命，風(fēng)機入口應(yīng)設(shè)初、中效過濾器。為避免雨季室外空氣濕度太大對工藝、電氣設(shè)備產(chǎn)生影響，方案設(shè)計時應(yīng)做氣流組織分析和模擬，也可以采用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)。假設(shè)采用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)方式，粗略估算，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算濕球溫度20℃，通過高效冷卻塔降溫后的水溫及扣減管道損失后約24℃，按照5℃溫差選用空氣處理機組，冷卻水回水溫度為29℃。由于熱交換器效率的影響，空調(diào)送回風(fēng)溫度暫按25℃/30℃計算，其工況能夠滿足工藝、電氣房間的要求。經(jīng)計算，總風(fēng)量801187m3/h，空調(diào)數(shù)量為86臺，平均每臺風(fēng)量9317m3/h，根據(jù)樣本選型，設(shè)有初效過濾器及表冷段的空氣處理機組功率為5.5kW/臺，共計473kW，加上水泵、冷卻塔的耗電量以后可以看出，在夏季采用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)方式省電效果并不明顯。但是，昆明地區(qū)的夏季持續(xù)時間并不長，絕大多數(shù)時間氣溫低于20℃，因而，在過渡季節(jié)和冬季，熱交換器效率提高、冷卻水溫度降低、空氣處理機組風(fēng)量降低、功率下降以后，其省電效果會非常顯著。

4.2復(fù)合式空氣調(diào)節(jié)

鋼鐵工業(yè)建筑相對于民用建筑，其功能復(fù)雜、大小不一、要求迥異，常用的壓縮式空調(diào)以不變應(yīng)萬變的設(shè)計方案，能夠簡化設(shè)計和管理，但是對于充分利用天然冷源、降低碳排放方面，可選擇的路徑非常狹窄。綜合空調(diào)技術(shù)的適應(yīng)性分析，應(yīng)根據(jù)不同的情況，因地制宜，優(yōu)化設(shè)計方案。（1）對于室外溫濕度環(huán)境適宜的地區(qū)，優(yōu)先采用全新風(fēng)置換換熱方案。（2）其余地區(qū)，則應(yīng)考慮運行穩(wěn)定、技術(shù)經(jīng)濟等方面，選用“壓縮式空調(diào)+新風(fēng)供冷”“壓縮式空調(diào)+間接蒸發(fā)式供冷”“間接蒸發(fā)式空調(diào)+新風(fēng)供冷”“直接蒸發(fā)式空調(diào)+間接蒸發(fā)式空調(diào)”等多種組合的方式，以在不同條件、不同工況下運行不同模式。

4.3復(fù)合式空調(diào)研究方向

目前，市場上的空調(diào)產(chǎn)品眾多，但是采用復(fù)合式空氣調(diào)節(jié)技術(shù)的產(chǎn)品并不多見。而在“雙碳目標”下的制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型升級，將是以減少碳排放為目的引發(fā)的技術(shù)革新、就業(yè)增長、產(chǎn)業(yè)壯大等驅(qū)動下的轉(zhuǎn)型升級。而事實上，產(chǎn)品全生命周期80%的資源環(huán)境影響取決于設(shè)計研發(fā)階段。因此，開發(fā)各種系列的多樣化復(fù)合式空調(diào)機組，對于降低碳排放方面具有重要意義。

5結(jié)論

（1）云南地區(qū)，尤其是昆明市等夏季室外設(shè)計濕球溫度或露點溫度較低的地區(qū)的鋼鐵工業(yè)建筑，適宜采用“蒸發(fā)冷卻制冷+新風(fēng)供冷”等復(fù)合式空調(diào)技術(shù)。（2）采用復(fù)合式空調(diào)技術(shù)節(jié)省電耗、降低碳排放具有明顯的效果，加快復(fù)合式空調(diào)機組產(chǎn)品的研發(fā)意義深遠。（3）空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)工業(yè)建筑物的用途、規(guī)模、使用特點、負荷特性與參數(shù)要求、所在地區(qū)氣候特征、海拔高度等綜合確定。

參考文獻

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作者:桑杭武 單位:中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司