空调技术在钢铁工业碳减排技术应用

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【摘要】在钢铁工业中，部分建筑因设备运行释放大量余热，通常情况下采用空调设备进行温度调节，甚至在室外温度很低的冬季仍需制冷运行。钢铁工业作为能耗大户，在实现“双碳目标”的道路上，具有非常重要的作用。本文介绍了钢铁工业建筑目前常用的空调设计方案，结合云南地区的气候特性，以碳减排为目的分析了适用于该地区的空调技术，指出了应因地制宜制定空调方案，避免“以不变应万变”的设计思路。

【关键词】空调技术；钢铁工业；天然冷源；消除余热；双碳目标

0引言

2020年，在全球气候雄心峰会上，宣布：“到2030年，中国单位国内生产总值CO2排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿m3，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上。”2030碳达峰和2060碳中和（以下简称“双碳目标”），展现了我国应对气候变化的坚定决心，在未来40年极大地促进我国产业链的转型升级。“双碳目标”将加速制造业产业链的转型升级。工业是我国CO2排放和能源消耗的最主要领域，2019年我国总共消费48.6亿t标煤，其中工业占比超过60%，因此工业碳达峰是2030全国碳达峰的重中之重。近年来我国工业在保持快速发展的同时也在持续降低碳排放强度。构建绿色低碳的工业制造业体系，不仅关乎工业可持续发展和转型升级，也是应对气候变化的重要手段。工业制造业低碳绿色转型的未来发展方向，必然是要选择量大面广、因地制宜、节能低碳的方案进行绿色设计。而对于高能耗的钢铁工业，除去高能耗的工艺设备外，辅助设备、辅助工艺的节能降耗对碳减排同样具有非常重要的地位。通常情况下，碳减排可以采用如下换算等式：节约1度电=减排0.997kg“二氧化碳”=减排0.272kg“碳”钢铁工业中大部分电气室运行时产生大量的余热，常规设计采用空调降温。由于其需要常年运行的特征，空调的电耗相当可观。相对于以舒适度为主要考量标准的民用建筑，工业建筑以其对温湿度要求不高、吹风感无要求等特点，给空调技术的选择提供了较大空间。基于上述原因，本文以国家实施“双碳目标”为切入点，系统分析钢铁工业不同的空调技术，作为云南地区的钢铁工业空调技术比选，以供此领域相关学者、设计研究人员参考。

1钢铁工业常用空气调节技术

从形式上，空调系统分为集中空调系统（也称中央空调）和分散式空调（也称单元式空调）两种。集中空调系统是通过冷水机组（压缩式制冷、吸收式制冷等）制备冷冻水，通过管道输送至空调机房，再通过全新风空调系统向空调房间送入冷空气进行空气调节。空调机组通常采用风机盘管或组合式空气处理机组。空调房间中的余热通过空调机组交换到冷冻水，冷冻水再通过冷水机组交换到冷却水，冷却水的热量通过冷却塔（或其他冷源）放散。分散式空调根据冷却介质不同，分为风冷冷风空调机和水冷冷风空调机。风冷冷风空调机在运行时，高温高压的制冷剂气体在室外换热器中（冷凝器）放热，热量通过室外循环空气带走；液体制冷剂在室内换热器中（蒸发器）吸热，达到消除室内余热的目的。水冷冷风空调机与风冷空调机在运行时的区别在于：高温高压的制冷剂气体在室外换热器中（冷凝器）放热，热量通过冷却水带走。钢铁工业中，目前绝大部分采用压缩式或吸收式制冷空调系统，例如离心式冷水机组、螺杆式冷水机组、溴化锂吸收式冷水机组。还有以风冷冷风空调机、水冷冷风空调机为代表的单元式空调机组；对于民用建筑中常用的多联机，近十年来也有应用。

2不同空调技术分析

2.1压缩式空调

压缩式空调包括但不限于离心式冷水机组、螺杆式冷水机组、单元式风冷/水冷冷风空调机组等。运用逆卡诺循环原理，压缩机将气态的制冷剂压缩为高温高压的气态制冷剂→冷凝器散热后成为常温高压的液态制冷机→毛细管或膨胀阀→蒸发器→压缩机，以此循环，不断地将热量从低温侧带入高温侧。得益于制冷量范围广、能效比较高、可靠、稳定、初投资较低等特征，压缩式空调在钢铁工业得到了广泛的应用。

2.2吸收式空调

吸收式制冷是利用某些具有特殊性质的工质对，通过一种物质对另一种物质的吸收和释放，产生物质的状态变化，从而伴随吸热和放热过程。吸收式制冷装置由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵、节流阀等部件组成，工作介质包括制取冷量的制冷剂和吸收、解吸制冷剂的吸收剂，二者组成工质对。以溴化锂吸收式冷水机组为典型代表，充分利用钢铁工业中的低中压余热蒸汽，提供空调冷冻水，在钢铁工业中也有应用。由于其初投资高、能效比较低的特征，限制了其应用空间。

2.3直接蒸发式空调

蒸发冷却空调系统是利用室外空气中的干湿球温度差所具有的“天然冷却能力”，使用水作为制冷剂，通过水与空气之间的热湿交换，利用水蒸发吸热制冷以取代压缩式制冷的空调技术。对被处理的空气或水进行降温处理，以满足室内温湿度要求的空调系统[1]。使空气和水直接接触，通过水的蒸发而使空气温度下降，即为直接蒸发式空调。对于工业建筑中的高温车间，如熔炼车间、变频机房、数据中心等，由于生产和使用过程散热量较大，但散湿量较小或无散湿量，且空调区全年需要以降温为主，此时采用蒸发冷却空调系统，或蒸发冷却与机械制冷联合的空调系统，与传统压缩式空调机相比，耗电量只有其1/10~1/8，初投资只有其3/5[2]，见表1。直接蒸发式空调的空气直接与水接触，其送风中含湿量较大，接近饱和状态，另外，循环水中滋生的细菌等对空气质量造成影响，因而，其应用范围大大降低。加上对室外干湿球温度有限制、维护工作较复杂，目前在钢铁工业中鲜有应用。

2.4间接蒸发式空调

间接蒸发式空调通过空气—水热交换器（主要有板式、管式、板管式等类型）将冷负荷转移给室外空气，实现非接触式换热。循环水的制取，分为集中式和分散式。集中式采用冷却塔等统一制取后通过水泵输送到各空调单元，而分散式则随空调单元布置。该技术避免了空调送风中含湿量的增加、水中细菌对送风的污染等问题，受输送管道绝热保护或热交换器效率的影响，相同室外环境下，送风温度较直接蒸发式空调高，环境适宜区间相对狭窄。但是，钢铁工业需要大量的循环冷却水，在冷却水温度适宜的情况下，同一制备循环冷却水并进行水处理，合理计算热交换器进出风温度、进出水温度，效益明显，从而该空调技术有较好的应用条件。

3空调技术适应性分析

不同的空调技术有其固有的优势，与之相应的，就有其最佳适应环境。就云南地区而言，除操作习惯、管理维护复杂度等人的因素，空调技术适应性应重点考虑以下两大因素：

3.1气候特征

云南省位于西南地区，气候基本属于亚热带和热带季风气候，滇西北属高原山地气候。云南气候基本属于亚热带高原季风型，立体气候特点显著，类型众多、年温差小、日温差大、干湿季节分明、气温随地势高低垂直变化异常明显。一般海拔高度每上升100m，温度平均递降0.6~0.7℃。全省平均气温，最热（7月）月均温在19~22℃之间，最冷（1月）月均温在6~8℃以上。云南省大部分区域为温和地区，其面积占全省约86%，比较典型的昆明市，极端最高温度30.4℃，夏季空气调节室外计算干球温度26.2℃，湿球温度20℃，夏季通风室外计算温度23℃，夏季通风室外计算相对湿度68%[1]。云南大部分地区均属于蒸发冷却技术适用和可用的区域[3]。

3.2空调房间工艺设备要求

3.2.1温度对设备的影响。钢铁工业建筑以电气室、操作室为主。对于电气室内的电气设备，周围空气温度的高低直接影响其散热冷却效果温度过高，会加速绝缘老化、使塑料材料变形变质，会使热继电器误动作、电子元件劣化、电气设备降容；温度过低，会使电气设备内某些材料变硬变脆，使有些油类的粘度增大或凝固，影响设备的正常动作。日温差过大，易产生凝露，使绝缘性能降低，还会使零部件变形、开裂、瓷件碎裂等。通常情况下，要求电气室温度范围为5~35℃。3.2.2湿度对设备的影响。当空气中相对湿度大于65%时，电气设备的表面会覆以一层约0.001~0.01μm的水膜，湿度越大，水膜越厚，当相对湿度接近100%时，水膜厚度可达到几十微米，从而使电气设备的绝缘强度大大降低。另外，当相对湿度为80%~95%、温度在25~30℃时，易使霉菌旺生，从而腐蚀电气设备的金属部件和印刷电路板等。相对湿度过低，会使塑料等绝缘材料变形、龟裂。通常情况下，要求电气室相对湿度范围为30%~65%。3.2.3粉尘对设备的影响工业生产过程中产生的危害性粉尘大多比电阻不高，又由于粉尘的尘粒荷电性、吸水性，弥漫在空气中。通过风机直接将室外含尘空气送入工业建筑后，很容易使粉尘在电气设备的周围凝集沉降，从而破坏电气设备的绝缘强度、在操作过程中极易造成电气击穿短路事故。有的粉尘还堆集在电子板内，造成电气误动、短路等，对其安全运行造成很大危害。通常情况下，要求对送入建筑物内的空气进行净化处理，或采用房间正压的空调/通风方式。

4空调技术选择

4.1案例分析

以云南省昆明地区某钢铁项目为例，该项目采用分散式风冷冷风空调机组，共计制冷量1350kW，共计86台，制冷功率600kW，平均COP值2.25。以全年运行时间300d计算，年耗电量432万kWh。假设采用天然冷源的新风供冷方式，按夏季通风室外计算温度23℃（暂按可以取室外新风考虑）、室内设计温度30℃计算，排除室内余热所需新风量为：L=Q0.337×（tp-ts）式中：L-通风换气量，m3/h；Q-室内显热发热量，W；tp-室内排风设计温度，℃；ts-送风温度，℃。经计算，送风量L=572276m3/h。若采用风机直接供冷，风机数量为65台，平均每台风量8810m3/h，采用机械送、机械排的通风方式，综合设备样本选型，风机功率为0.55kW/台，共计71.5kW，年耗电量51.48万kWh，年减排1035014.4kg“碳”。钢铁工业除了是高能耗大户，也是高污染大户，厂区内环境较差，为了提高工艺、延长电气设备的使用寿命，风机入口应设初、中效过滤器。为避免雨季室外空气湿度太大对工艺、电气设备产生影响，方案设计时应做气流组织分析和模拟，也可以采用间接蒸发冷却空调技术。假设采用间接蒸发冷却空调方式，粗略估算，夏季空气调节室外计算湿球温度20℃，通过高效冷却塔降温后的水温及扣减管道损失后约24℃，按照5℃温差选用空气处理机组，冷却水回水温度为29℃。由于热交换器效率的影响，空调送回风温度暂按25℃/30℃计算，其工况能够满足工艺、电气房间的要求。经计算，总风量801187m3/h，空调数量为86台，平均每台风量9317m3/h，根据样本选型，设有初效过滤器及表冷段的空气处理机组功率为5.5kW/台，共计473kW，加上水泵、冷却塔的耗电量以后可以看出，在夏季采用间接蒸发冷却空调方式省电效果并不明显。但是，昆明地区的夏季持续时间并不长，绝大多数时间气温低于20℃，因而，在过渡季节和冬季，热交换器效率提高、冷却水温度降低、空气处理机组风量降低、功率下降以后，其省电效果会非常显著。

4.2复合式空气调节

钢铁工业建筑相对于民用建筑，其功能复杂、大小不一、要求迥异，常用的压缩式空调以不变应万变的设计方案，能够简化设计和管理，但是对于充分利用天然冷源、降低碳排放方面，可选择的路径非常狭窄。综合空调技术的适应性分析，应根据不同的情况，因地制宜，优化设计方案。（1）对于室外温湿度环境适宜的地区，优先采用全新风置换换热方案。（2）其余地区，则应考虑运行稳定、技术经济等方面，选用“压缩式空调+新风供冷”“压缩式空调+间接蒸发式供冷”“间接蒸发式空调+新风供冷”“直接蒸发式空调+间接蒸发式空调”等多种组合的方式，以在不同条件、不同工况下运行不同模式。

4.3复合式空调研究方向

目前，市场上的空调产品众多，但是采用复合式空气调节技术的产品并不多见。而在“双碳目标”下的制造业产业链的转型升级，将是以减少碳排放为目的引发的技术革新、就业增长、产业壮大等驱动下的转型升级。而事实上，产品全生命周期80%的资源环境影响取决于设计研发阶段。因此，开发各种系列的多样化复合式空调机组，对于降低碳排放方面具有重要意义。

5结论

（1）云南地区，尤其是昆明市等夏季室外设计湿球温度或露点温度较低的地区的钢铁工业建筑，适宜采用“蒸发冷却制冷+新风供冷”等复合式空调技术。（2）采用复合式空调技术节省电耗、降低碳排放具有明显的效果，加快复合式空调机组产品的研发意义深远。（3）空调系统设计时，应根据工业建筑物的用途、规模、使用特点、负荷特性与参数要求、所在地区气候特征、海拔高度等综合确定。

参考文献

[1]住建部.工业建筑供暖通风与空气调节设计规范：GB50019—2015[S].北京：中国计划出版社，2015.

[2]住建部.蒸发冷却制冷系统工程技术规程：JGJ342—2014[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3]李娟.蒸发冷却空调技术地区适用性分析及室外设计参数修正研究[D].西安：西安建筑科技大学，2019.

[4]住建部.民用建筑热工设计规范：GB50176—2016[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[5]住建部.工业建筑节能设计统一标准：GB51245—2017[S].北京：中国计划出版社，2017.

作者:桑杭武 单位:中冶赛迪工程技术股份有限公司