空調技術在鋼鐵工業(yè)碳減排技術應用

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【摘要】在鋼鐵工業(yè)中，部分建筑因設備運行釋放大量余熱，通常情況下采用空調設備進行溫度調節(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“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設計方案，結合云南地區(qū)的氣候特性，以碳減排為目的分析了適用于該地區(qū)的空調技術，指出了應因地制宜制定空調方案，避免“以不變應萬變”的設計思路。

【關鍵詞】空調技術；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，中國單位國內生產總值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，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億kW以上。”2030碳達峰和2060碳中和（以下簡稱“雙碳目標”），展現了我國應對氣候變化的堅定決心，在未來40年極大地促進我國產業(yè)鏈的轉型升級?！半p碳目標”將加速制造業(yè)產業(yè)鏈的轉型升級。工業(yè)是我國CO2排放和能源消耗的最主要領域，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。構建綠色低碳的工業(yè)制造業(yè)體系，不僅關乎工業(yè)可持續(xù)發(fā)展和轉型升級，也是應對氣候變化的重要手段。工業(yè)制造業(yè)低碳綠色轉型的未來發(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計。而對于高能耗的鋼鐵工業(yè)，除去高能耗的工藝設備外，輔助設備、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換算等式：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生大量的余熱，常規(guī)設計采用空調降溫。由于其需要常年運行的特征，空調的電耗相當可觀。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、吹風感無要求等特點，給空調技術的選擇提供了較大空間?；谏鲜鲈?，本文以國家實施“雙碳目標”為切入點，系統(tǒng)分析鋼鐵工業(yè)不同的空調技術，作為云南地區(qū)的鋼鐵工業(yè)空調技術比選，以供此領域相關學者、設計研究人員參考。

1鋼鐵工業(yè)常用空氣調節(jié)技術

從形式上，空調系統(tǒng)分為集中空調系統(tǒng)（也稱中央空調）和分散式空調（也稱單元式空調）兩種。集中空調系統(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機房，再通過全新風空調系統(tǒng)向空調房間送入冷空氣進行空氣調節(jié)?？照{機組通常采用風機盤管或組合式空氣處理機組?？照{房間中的余熱通過空調機組交換到冷凍水，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。分散式空調根據冷卻介質不同，分為風冷冷風空調機和水冷冷風空調機。風冷冷風空調機在運行時，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；液體制冷劑在室內換熱器中（蒸發(fā)器）吸熱，達到消除室內余熱的目的。水冷冷風空調機與風冷空調機在運行時的區(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。還有以風冷冷風空調機、水冷冷風空調機為代表的單元式空調機組；對于民用建筑中常用的多聯機，近十年來也有應用。

2不同空調技術分析

2.1壓縮式空調

壓縮式空調包括但不限于離心式冷水機組、螺桿式冷水機組、單元式風冷/水冷冷風空調機組等。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帶入高溫側。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，壓縮式空調在鋼鐵工業(yè)得到了廣泛的應用。

2.2吸收式空調

吸收式制冷是利用某些具有特殊性質的工質對，通過一種物質對另一種物質的吸收和釋放，產生物質的狀態(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，提供空調冷凍水，在鋼鐵工業(yè)中也有應用。由于其初投資高、能效比較低的特征，限制了其應用空間。

2.3直接蒸發(fā)式空調

蒸發(fā)冷卻空調系統(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技術。對被處理的空氣或水進行降溫處理，以滿足室內溫濕度要求的空調系統(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。對于工業(yè)建筑中的高溫車間，如熔煉車間、變頻機房、數據中心等，由于生產和使用過程散熱量較大，但散濕量較小或無散濕量，且空調區(qū)全年需要以降溫為主，此時采用蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)，或蒸發(fā)冷卻與機械制冷聯合的空調系統(tǒng)，與傳統(tǒng)壓縮式空調機相比，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)式空調的空氣直接與水接觸，其送風中含濕量較大，接近飽和狀態(tài)，另外，循環(huán)水中滋生的細菌等對空氣質量造成影響，因而，其應用范圍大大降低。加上對室外干濕球溫度有限制、維護工作較復雜，目前在鋼鐵工業(yè)中鮮有應用。

2.4間接蒸發(fā)式空調

間接蒸發(fā)式空調通過空氣—水熱交換器（主要有板式、管式、板管式等類型）將冷負荷轉移給室外空氣，實現非接觸式換熱。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單元，而分散式則隨空調單元布置。該技術避免了空調送風中含濕量的增加、水中細菌對送風的污染等問題，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，送風溫度較直接蒸發(fā)式空調高，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溫度、進出水溫度，效益明顯，從而該空調技術有較好的應用條件。

3空調技術適應性分析

不同的空調技術有其固有的優(yōu)勢，與之相應的，就有其最佳適應環(huán)境。就云南地區(qū)而言，除操作習慣、管理維護復雜度等人的因素，空調技術適應性應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℃，夏季空氣調節(jié)室外計算干球溫度26.2℃，濕球溫度20℃，夏季通風室外計算溫度23℃，夏季通風室外計算相對濕度68%[1]。云南大部分地區(qū)均屬于蒸發(fā)冷卻技術適用和可用的區(qū)域[3]。

3.2空調房間工藝設備要求

3.2.1溫度對設備的影響。鋼鐵工業(yè)建筑以電氣室、操作室為主。對于電氣室內的電氣設備，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，會使熱繼電器誤動作、電子元件劣化、電氣設備降容；溫度過低，會使電氣設備內某些材料變硬變脆，使有些油類的粘度增大或凝固，影響設備的正常動作。日溫差過大，易產生凝露，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濕度對設備的影響。當空氣中相對濕度大于65%時，電氣設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，從而使電氣設備的絕緣強度大大降低。另外，當相對濕度為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粉塵對設備的影響工業(yè)生產過程中產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備的周圍凝集沉降，從而破壞電氣設備的絕緣強度、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，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的空氣進行凈化處理，或采用房間正壓的空調/通風方式。

4空調技術選擇

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冷冷風空調機組，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。假設采用天然冷源的新風供冷方式，按夏季通風室外計算溫度23℃（暫按可以取室外新風考慮）、室內設計溫度30℃計算，排除室內余熱所需新風量為：L=Q0.337×（tp-ts）式中：L-通風換氣量，m3/h；Q-室內顯熱發(fā)熱量，W；tp-室內排風設計溫度，℃；ts-送風溫度，℃。經計算，送風量L=572276m3/h。若采用風機直接供冷，風機數量為65臺，平均每臺風量8810m3/h，采用機械送、機械排的通風方式，綜合設備樣本選型，風機功率為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)內環(huán)境較差，為了提高工藝、延長電氣設備的使用壽命，風機入口應設初、中效過濾器。為避免雨季室外空氣濕度太大對工藝、電氣設備產生影響，方案設計時應做氣流組織分析和模擬，也可以采用間接蒸發(fā)冷卻空調技術。假設采用間接蒸發(fā)冷卻空調方式，粗略估算，夏季空氣調節(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，空調送回風溫度暫按25℃/30℃計算，其工況能夠滿足工藝、電氣房間的要求。經計算，總風量801187m3/h，空調數量為86臺，平均每臺風量9317m3/h，根據樣本選型，設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、空氣處理機組風量降低、功率下降以后，其省電效果會非常顯著。

4.2復合式空氣調節(jié)

鋼鐵工業(yè)建筑相對于民用建筑，其功能復雜、大小不一、要求迥異，常用的壓縮式空調以不變應萬變的設計方案，能夠簡化設計和管理，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。綜合空調技術的適應性分析，應根據不同的情況，因地制宜，優(yōu)化設計方案。（1）對于室外溫濕度環(huán)境適宜的地區(qū)，優(yōu)先采用全新風置換換熱方案。（2）其余地區(qū)，則應考慮運行穩(wěn)定、技術經濟等方面，選用“壓縮式空調+新風供冷”“壓縮式空調+間接蒸發(fā)式供冷”“間接蒸發(fā)式空調+新風供冷”“直接蒸發(fā)式空調+間接蒸發(fā)式空調”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復合式空調研究方向

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

5結論

（1）云南地區(qū)，尤其是昆明市等夏季室外設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+新風供冷”等復合式空調技術。（2）采用復合式空調技術節(jié)省電耗、降低碳排放具有明顯的效果，加快復合式空調機組產品的研發(fā)意義深遠。（3）空調系統(tǒng)設計時，應根據工業(yè)建筑物的用途、規(guī)模、使用特點、負荷特性與參數要求、所在地區(qū)氣候特征、海拔高度等綜合確定。

參考文獻

[1]住建部.工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范：GB50019—2015[S].北京：中國計劃出版社，2015.

[2]住建部.蒸發(fā)冷卻制冷系統(tǒng)工程技術規(guī)程：JGJ342—2014[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[3]李娟.蒸發(fā)冷卻空調技術地區(qū)適用性分析及室外設計參數修正研究[D].西安：西安建筑科技大學，2019.

[4]住建部.民用建筑熱工設計規(guī)范：GB50176—2016[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[5]住建部.工業(yè)建筑節(jié)能設計統(tǒng)一標準：GB51245—2017[S].北京：中國計劃出版社，2017.

作者:桑杭武 單位:中冶賽迪工程技術股份有限公司