空調技術在鋼鐵工業碳減排技術應用

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了空調技術在鋼鐵工業碳減排技術應用范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

【摘要】在鋼鐵工業中，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，甚至在室外溫度很低的冬季仍需制冷運行。鋼鐵工業作為能耗大戶，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建筑目前常用的空調設計方案，結合云南地區的氣候特性，以碳減排為目的分析了適用于該地區的空調技術，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；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鏈的轉型升級?！半p碳目標”將加速制造業產業鏈的轉型升級。工業是我國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，其中工業占比超過60%，因此工業碳達峰是2030全國碳達峰的重中之重。近年來我國工業在保持快速發展的同時也在持續降低碳排放強度。構建綠色低碳的工業制造業體系，不僅關乎工業可持續發展和轉型升級，也是應對氣候變化的重要手段。工業制造業低碳綠色轉型的未來發展方向，必然是要選擇量大面廣、因地制宜、節能低碳的方案進行綠色設計。而對于高能耗的鋼鐵工業，除去高能耗的工藝設備外，輔助設備、輔助工藝的節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：節約1度電=減排0.997kg“二氧化碳”=減排0.272kg“碳”鋼鐵工業中大部分電氣室運行時產生大量的余熱，常規設計采用空調降溫。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，系統分析鋼鐵工業不同的空調技術，作為云南地區的鋼鐵工業空調技術比選，以供此領域相關學者、設計研究人員參考。

1鋼鐵工業常用空氣調節技術

從形式上，空調系統分為集中空調系統（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向空調房間送入冷空氣進行空氣調節?？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，熱量通過室外循環空氣帶走；液體制冷劑在室內換熱器中（蒸發器）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。鋼鐵工業中，目前絕大部分采用壓縮式或吸收式制冷空調系統，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。運用逆卡諾循環原理，壓縮機將氣態的制冷劑壓縮為高溫高壓的氣態制冷劑→冷凝器散熱后成為常溫高壓的液態制冷機→毛細管或膨脹閥→蒸發器→壓縮機，以此循環，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、穩定、初投資較低等特征，壓縮式空調在鋼鐵工業得到了廣泛的應用。

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，產生物質的狀態變化，從而伴隨吸熱和放熱過程。吸收式制冷裝置由發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、循環泵、節流閥等部件組成，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，充分利用鋼鐵工業中的低中壓余熱蒸汽，提供空調冷凍水，在鋼鐵工業中也有應用。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直接蒸發式空調

蒸發冷卻空調系統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[1]。使空氣和水直接接觸，通過水的蒸發而使空氣溫度下降，即為直接蒸發式空調。對于工業建筑中的高溫車間，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，且空調區全年需要以降溫為主，此時采用蒸發冷卻空調系統，或蒸發冷卻與機械制冷聯合的空調系統，與傳統壓縮式空調機相比，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，另外，循環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，目前在鋼鐵工業中鮮有應用。

2.4間接蒸發式空調

間接蒸發式空調通過空氣—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。循環水的制取，分為集中式和分散式。集中式采用冷卻塔等統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，相同室外環境下，送風溫度較直接蒸發式空調高，環境適宜區間相對狹窄。但是，鋼鐵工業需要大量的循環冷卻水，在冷卻水溫度適宜的情況下，同一制備循環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勢，與之相應的，就有其最佳適應環境。就云南地區而言，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，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。云南省大部分區域為溫和地區，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]。云南大部分地區均屬于蒸發冷卻技術適用和可用的區域[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”。鋼鐵工業除了是高能耗大戶，也是高污染大戶，廠區內環境較差，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冷卻空調技術。假設采用間接蒸發冷卻空調方式，粗略估算，夏季空氣調節室外計算濕球溫度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冷卻空調方式省電效果并不明顯。但是，昆明地區的夏季持續時間并不長，絕大多數時間氣溫低于20℃，因而，在過渡季節和冬季，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

鋼鐵工業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，優化設計方案。（1）對于室外溫濕度環境適宜的地區，優先采用全新風置換換熱方案。（2）其余地區，則應考慮運行穩定、技術經濟等方面，選用“壓縮式空調+新風供冷”“壓縮式空調+間接蒸發式供冷”“間接蒸發式空調+新風供冷”“直接蒸發式空調+間接蒸發式空調”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技術的產品并不多見。而在“雙碳目標”下的制造業產業鏈的轉型升級，將是以減少碳排放為目的引發的技術革新、就業增長、產業壯大等驅動下的轉型升級。而事實上，產品全生命周期80%的資源環境影響取決于設計研發階段。因此，開發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，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的鋼鐵工業建筑，適宜采用“蒸發冷卻制冷+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意義深遠。（3）空調系統設計時，應根據工業建筑物的用途、規模、使用特點、負荷特性與參數要求、所在地區氣候特征、海拔高度等綜合確定。

參考文獻

[1]住建部.工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范：GB50019—2015[S].北京：中國計劃出版社，2015.

[2]住建部.蒸發冷卻制冷系統工程技術規程：JGJ342—2014[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[3]李娟.蒸發冷卻空調技術地區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范：GB50176—2016[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[5]住建部.工業建筑節能設計統一標準：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