洁净厂房溶液调湿空调技术应用的节能研究

韩智香

上海东方延华节能技术服务股份有限公司

前言

据调查统计数据显示，相对于普通空调系统而言，洁净空调系统的能耗是普通空调系统15倍以上，且洁净空调设备的能耗甚至占到工厂总能耗的40%～60%[1,2]。由此可见，洁净空调系统是洁净厂房第一大用能系统。洁净空调系统节能潜力巨大，有必要对此类空调高能耗的原因进行分析，并采取有效节能措施，改善当前同类空调高消耗、低效率的模式，对于提升洁净厂房能源利用效率、减缓我国能源供应紧张等方面均有重大意义。

1 洁净空调高能耗原因分析

结合洁净厂房生产工艺特点，分析洁净空调高能耗的主要原因包括：

（1）洁净厂房生产排班特点，一般采用“三班倒”进行全天24小时不间断工作，因此洁净空调系统设备开启时间较长，设备运行能耗较大。

（2）洁净厂房对生产环境洁净度要求高，因此所需的新风量和换气次数大。同时洁净空调系统一般采用2-3级过滤方式，其净化过程中的阻力较大，风机功率大。

（3）因洁净厂房生产工艺的要求，洁净空调的室内环境温（湿）度要求较高，室内需要保持恒温/恒湿状态，因此洁净空调系统的制冷、制热、以及空气处理要求比较高，相应设备的能耗较高。

（4）常规洁净空调恒温恒湿是通过低温冷冻水进行除湿处理，除湿后空气温度较低，需要再加热到送风温度，空调处理过程存在除湿过度冷却、再热造成的能源浪费现象，导致洁净空调系统能耗偏高。

2 溶液调湿技术简介

溶液调湿技术是指采用盐溶液对空气的湿度进行调节，基本原理是利用被处理空气的水蒸气分压力与溶液表面蒸汽压力之间的压差驱动水分传递，对空气湿度进行调节。

溶液调湿空调系统如图1所示。夏季工况，室外新风由外界提供的高温冷水(14℃/19℃)降温除湿后，再进入溶液调湿单元进一步除湿，达到送风状态点。除湿后的稀溶液被送入再生单元利用新风进行再生，再生后的浓溶液送入除湿单元，进行下一次循环。冬季工况，室外新风由外界提供的热水(45℃/40℃)加热后，再进入溶液调湿单元，通过溶液与热空气接触，溶液吸收空气热量而释放水分，从而实现对新风的加热加湿。

图1 溶液除湿处理过程示意图

根据文献和项目研究资料，溶液调湿空调系统的节能特点主要体现在：

（1）空气可被直接处理到所需的送风参数点，避免常规冷冻除湿方式导致的过度冷却或再热所造成的能源浪费，比常规空调系统节省30%以上的耗电量[3]；

（2）溶液除湿不再需要低温冷冻水，整个系统只需要18-21℃冷冻水[4]，提高制冷机组的蒸发温度，将显著提升制冷机组运行能效，使制冷机组运行能耗显著降低。

溶液调湿空调技术具有显著的节能效果，且技术的研究日趋成熟，在建筑领域、工业领域都有成功应用的案例，但该技术在应用方面需要重点关注以下几项要点：

（1）由于房间的热湿负荷随使用情况和室外环境而变化，溶液调湿空调的热湿实时控制方面需要加强；

（2）目前常用的溶液为 LiBr、LiCl、CaCl2，这 3种溶液与碳钢、紫铜等材料表面接触时会发生氧化极去腐蚀，即吸氧腐蚀[5]，因此溶液的腐蚀问题有待进一步解决；

（3）由于溶液除湿是利用被处理空气的水蒸气分压力与溶液表面蒸汽压之间的压差驱动水分传递，对空气湿度进行调节。因此若送风的风速过大，存在送风带液的风险。

（4）由于溶液调湿技术设备材料和制造工艺的特殊性，设备制造过程复杂，且溶液调湿空调行业存在一定的垄断性，因此溶液调湿空调应用的投资成本相对较高。

3 溶液调湿技术应用节能的研究

3.1 项目概况

上海某洁净生产车间，采用万级净化空调系统。空调系统冷源选用2台冷水机组，空调冷冻水的供回水温度为7℃/12℃。洁净生产车间配置恒温恒湿空调箱，空调箱功能段如图2所示，室内控制温湿度参数如表1所示：

表1 洁净生产车间室内控制参数

原有空调系统采用冷冻除湿配电加热再热的形式。系统通过调节冷冻水流量等参数来控制送风参数，控制精度较低。此外，原有系统存在冷热抵消，能耗较高。

3.2 空调系统节能改造方案

将项目现有空调系统改造为新风独立调湿空调系统。利用新风对室内进行除湿，以控制室内湿度，保留原有洁净组合空调箱，用于控制室内温度。新风独立除湿系统采用溶液调湿技术。节能改造后空调系统原理图如图3所示：

图3 空调系统溶液调湿技术应用示意图

3.3 溶液调湿技术应用节能分析

3.3.1 空气处理过程状态分析

图4 溶液调湿空气处理过程状态

本项目溶液调湿空气处理过程如图4所示。室外新风（状态点W）)进入溶液调湿新风机组，首先经14℃/19℃的高温冷水预冷预除湿到L点，然后再经过溶液除湿处理到N'1点，经过过滤器过滤后，进入组合空调箱与室内回风混合到N'2点，再由14℃/19℃的高温冷水等湿冷却到O点后送入洁净区域。

3.3.2 空气处理节能分析

原组合空调箱采用一次回风系统，新风量为27 740m3/h，送风量为30 500 m3/h，空气处理过程各状态点焓湿分析过程如表2所示：

表2 原组合空调箱空气处理过程各状态点参数

改造增加预冷式溶液调湿机组，风量与现状保持一致，空气处理过程各状态点焓湿分析过程见表3所示：

通过计算，原洁净空调空气处理需要的冷负荷为506kW，再热量62.0kW。采用溶液除湿技术后，空调空气处理需要的冷负荷为482kW，再热量18.0kW。按空调冷源设备能效系数为3.0，测算得到采用溶液调湿技术后，洁净空调空气处理过程的能耗可节省31%。

3.3.3 空调冷源设备节能分析

溶液除湿不再需要低温冷冻水，因此空调冷源设备的冷冻水供水温度可由常规的低温7℃，提升到14℃，提高制冷机组的蒸发温度，将显著提升制冷机组运行能效，使制冷机组运行能耗显著降低。本项目通过对空调冷源设备运行能效进行检测，对比分析采用溶液除湿前后，空调冷源设备的能效参数变化。

（1）高温冷冻水运行工况检测

检测时间为8月中旬，检测条件下冷冻站开启了一台冷机。冷机检测数据见表4，其中供回水温度为13.5/15.2℃，制冷COP为3.26。

（2）低温冷冻水运行工况检测

与上述高温工况相近的天气条件下，只开一台冷机始终无法满足水温要求，因此开启两台冷机。冷机检测数据见表5，其中供回水温度为9.0/10.8℃，制冷COP为2.78。

表3 溶液调湿空气处理过程各状态点参数

表4 空调冷源设备高温冷冻水工况能效检测数据

表5 空调冷源设备低温冷冻水工况能效检测数据

根据空调冷源设备运行能效检测结果，可知冷源设备在高温冷冻水运行工况较低温冷冻水运行工况的能效系数提高了17%，冷冻水供水温度提高了约4.5℃，冷冻水的水温每提高1℃，冷源设备的能效可提高约3.8%。

4 结论

本文结合洁净厂房生产工艺特点，分析洁净空调高能耗的原因。介绍适用于洁净厂房的溶液调湿空调技术的原理和节能特点，并阐述该技术在应用时需要关注热湿负荷实时控制难度、溶液腐蚀、送风带液、投资成本相对较高等风险。以洁净厂房空调系统节能改造项目为例，重点对溶液调湿空调技术空气处理进行过程状态点分析和节能分析，对溶液调湿空调技术在高温冷媒运行工况下冷源设备的能效系数提升进行检测分析，本文项目案例采用溶液调湿空调技术后，空气处理过程的能耗约节省31%，冷源设备能效约提高17%，冷媒水温每提高1℃，冷源设备的能效可提高约3.8%。可见，溶液调湿空调技术在洁净厂房空调系统节能改造中有良好的应用效果。

[1]石静宜.电半导体厂房空调系统节能研究[D].西安科技大学，2014.

[2]刘晓东.简述洁净厂房节能方面的实践经验[J].科技天地，2016：168-169.

[3]江亿，李震，等.溶液式空调及其应用[J].暖通空调，2004，34:11.

[4]陈晓阳，刘拴强，等.溶液调湿空气处理技术的研究进展[J].暖通空调，2011，41:1.

[5]张杰，耿欣，等.空调系统溶液除湿基本问题的研究进展[J].节能，2012，12.