电能替代在恒温恒湿空调领域的应用分析

电能替代在恒温恒湿空调领域的应用分析

李明浩1李靖1张多娇1赵恩兰1

（1.国网重庆市电力公司客户服务中心重庆404100；2.重庆市能源利用监测中心（重庆市节能技术服务中心）重庆400020）

摘要：电能替代技术具有显著的区域差异、行业差异；本文结合重庆市产业政策，从行业融合角度，提取在多个主流行业中具有典型应用的恒温恒湿空调进行了分析。为电能替代的拓展提供一种行业应用视角的探索及分析。

关键词：电能替代；恒温恒湿空调；

1.项目背景

2014年6月，中央财经领导小组第六次会议提出了能源领域“四革命、一合作”思想；2016年12月，中央财经领导小组第十四次会议，提出“宜气则气，宜电则电，尽可能利用清洁能源”；2017年10月，党的十九大报告提出，将人与自然和谐共生作为新时代坚持和发展中国特色社会主义的基本方略，树立和践行绿水青山就是金山银山理念，坚持节约资源和保护环境基本国策。

电能替代是在终端能源消费环节，使用电能替代散烧煤、燃油、天然气的能源消费方式，如热泵、工业电锅炉（窑炉）、电动汽车、靠港船舶使用岸电、电蓄能调峰等。电能具有清洁、安全、便捷等优势，实施电能替代对于推动能源消费革命、落实国家能源战略、促进能源清洁化发展意义重大。另一方面，受天然气供给结构影响，天然气对外依存度大，重庆市冬季供应紧缺成为常态，而重庆市统调机组平均利用小时数仅3000小时左右，电力阶段性过剩。在这种背景下，通过研究在天然气应用场景的精准电能替代具有重要意义。本文电能替代主要指的是电能替代天然气。

本文在对重庆工业企业调研的基础上，结合恒温恒湿空调的应用做电能替代的专题分析，以引导恒温恒湿空调应用朝电能方向拓展。

2.恒温恒湿空调介绍

2.1恒温恒湿空调简介

恒温恒湿空调系统的任务，是将室内的温湿度及洁净度控制在一定的波动范围内，以满足工业生产、科学研究等特殊场合对室内环境的要求。近年来，随着我国生产力的发展和科技水平的不断提高，恒温恒湿空调系统的应用场合越来越多，温湿度要求也不断提高。

恒温恒湿空调是一种工艺性空调，在工业领域有着广泛应用，主要功能是将室内的温度及湿度控制在一定精度的范围内，以满足工业生产、科学研究等特殊场合的要求。随着社会经济的不断发展，科技、生产也要求越来越严格，恒温恒湿空调系统的应用需求越来越大，温湿度要求也不断提高。

2.2恒温恒湿空调处理过程

在恒温恒湿空调工程中，为了实现空气控制指标。通常包括以下几个空气处理过程。

1）空气冷却处理

通过冷却处理使空气的终状态温度和比焓值比初状态温度有明显降低。通常处理手段有：表冷器间接冷却；喷水室直接冷却。应用较多的是表冷器，表冷器中通入冷媒。

2）空气加热处理

与空气冷却处理相反的操作过程，通过加热处理使空气的终状态温度和比焓值比初状态温度有明显升高。通常处理手段有：表冷器（热水媒介）间接加热，蒸汽换热器加热，电加热，燃气燃烧加热。应用较多的是表冷器加热及电加热。

3）空气加湿处理

通过加水处理使空气的气态相对含湿量比初状态有升高。通常处理手段有：喷水室喷水加湿、高压喷雾加湿，喷蒸汽加湿、电加湿、水膜加湿；喷水室直接冷却。根据是否引入外部热源汽化加入空气的水分，又分为等温加湿和等焓加湿。应用较多的是电加湿（等温加湿）、蒸汽加湿（等焓加湿）、喷雾加湿（等焓加湿）和水膜加湿（等焓加湿）。

4）空气减湿处理

空气减湿处理是空气加湿处理的反操作，通过减湿处理使空气中气体水的相对含湿量比初状态有降低。通常处理手段有：表冷器冷却脱湿、吸附脱湿（液体吸附减湿、固体吸附减湿）。应用较多的是冷却脱湿和转轮脱湿。

恒温恒湿空调的要求通常通过恒温恒湿组合柜实现，可满足比较精确的参数控制要求：室内温度±1℃和相对湿度±5%。

3.恒温恒湿空调在重庆市应用情况初步分析

3.1恒温恒湿工艺在重庆主要行业应用的典型企业

恒温恒湿空调在重庆主要行业应用包括：电子、医药、汽车、化工、材料、装备、消费品、公建建筑等领域。部分企业典型应用环节如下：

电子行业：主要用于电子设备（液晶面板、集成电路等）生产工艺环节、云计算数据中心等；

医药行业：主要用于医药冷库恒温恒湿、药品生产车间等；

汽车行业：主要集中在喷涂车间等精密加工车间；

化工行业：恒温恒湿实验室等；

材料行业：纺织生产、激光器材生产等；

装备行业：变压器厂生产等；

消费品行业：卷烟厂生产储存、啤酒厂生产等；

公建建筑：医院（手术室）、大学（实验室）等。

3.2恒温恒湿空调的能耗估算

恒温恒湿空调能耗较大，包括空气加热、冷却、加湿、减湿环节，其中主要是冬天加热加湿和夏天减温减湿；结合重庆市全年气象条件，估算能耗如下：

4、气象条件

以重庆市全年逐时气象资料（1971~2003年）作为计算能耗用的气象资料，全年逐时气象数据见图1。

图1.重庆市年平均逐时温度/湿度曲线图

5、估算条件（按电子工业厂房考虑）

1）空调面积：1.5万m2

2）恒温恒湿条件：23±3℃，50±5%

3）新风换气次数满足5~10Pa正压要求，对应取2次/h

4、计算软件

本次分析采用DeST软件[1]。

6、计算结果

根据软件分析计算，统计全年逐时负荷曲线见图2。

图2.全年逐时负荷曲线图

根据计算结果统计：

全年热负荷总量：279万kW.h；

全年冷负荷总量：680万kW.h。

7、电能替代分析

7.1典型企业恒温恒湿空调电能替代分析

在调研的基础上，统计几个典型企业的恒温恒湿空调工艺见表1。

表1.恒温恒湿典型工艺统计表

从以上表的统计中，恒温恒湿空调根据驱动热源的不同，可分为天然气及电力两类典型工艺：

1、以热能（天然气）为主的恒温恒湿工艺

恒温恒湿组合风柜有出风段、中效段、风机段、冷/热水盘管段、蒸汽加湿段、回风段、初效段，新风段可能需要加设预加热器或者预表冷器。某工厂（以某烟草企业/某电子企业2为代表）典型流程见下图：

图3.消费品行业某烟草企业/电子行业某企业2恒温恒湿组合柜工艺图

此工艺中，恒温恒湿处理方式如下：

1）降温减湿通过表冷器实现，表冷器中通入7/12℃冷水实现降温减湿，冷水通常通过电制冷机或溴化锂制冷机制取。消耗电能或（天然气、蒸汽、热水）热能；在重庆的实际能源单价条件下，电制冷经济性高于溴化锂制冷。目前普遍采用电制冷，对于采用溴化锂制冷的企业，即是实施电替代的一个关键点。减湿的另外一种工艺是转轮减湿，通过蒸汽（或高温热水）再生，也是实施电替代的一个关键点。

2）升温加热通过蒸汽加热器或表冷器实现，蒸汽加热器中通入0.2~0.4MPa蒸汽对空气进行加热；蒸汽通常通过蒸汽锅炉或电极锅炉制取。表冷器通入热水对空气进行加热，热水通常通过热水锅炉制取；蒸汽锅炉及热水锅炉消耗天然气或电能，在重庆的实际能源单价条件下，天然气锅炉经济性高于电锅炉。

3）加湿通过蒸汽加湿器实现，利用水蒸汽压力（0.2~0.4MPa）雾化并实现等温加湿。此部分蒸汽与“2）升温加热”工序一样，也是实施电替代的一个关键点。

4）二次加湿，通过高压微雾加湿（等焓加湿）实现对空气湿度的精细控制。此部分加湿通过高压水泵实现，主要能耗为电能。

8、以电能为主的恒温恒湿工艺

恒温恒湿组合风柜有初效段、风机段、冷/热水盘管段、电加热段、电热加湿段、中效过滤段、送风段。工厂（以云计算企业为代表）典型流程见下图：

图4.电子行业某企业3恒温恒湿组合柜工艺图

此工艺中，恒温恒湿处理方式如下：

1）降温减湿通过表冷器实现，与上一节相同，表冷器中通入7/12℃冷水实现降温减湿，冷水通常通过电制冷机或溴化锂制冷机制取。消耗电能或（天然气、蒸汽、热水）热能；在重庆的实际能源单价条件下，电制冷经济性高于溴化锂制冷。电子行业普遍采用电制冷，对于采用溴化锂制冷的企业，即是实施电替代的一个关键点。

2）升温加热通过电加热器实现，优点是温度控制精度高，尤其适用于要求较高的电子车间，消耗电能。

3）加湿通过电加湿器实现，利用电能雾化加热成蒸汽对空气进行等温加湿。优点是湿度控制精度高，无需设置二次加湿。消耗电能，可直接替代干蒸汽加湿。

对比以上两种不同的典型恒温恒湿处理工艺。有较大潜力实现对天然气替代的工序有：

1）电制冷机替代溴化锂制冷机（直燃机）；

2）电加热替代蒸汽加热/锅炉热水加热；

3）电热泵热水加热替代锅炉热水加热；

4）电加湿、高压喷雾加湿替代锅炉蒸汽加湿；

5）转轮减湿中加热再生环节可用电加热替代蒸汽加热。

调研可见，某云计算企业实现了全部用电能进行恒温恒湿的生产运行工艺，电子企业的恒温恒湿工艺中有一大部分能耗为天然气，通过天然气锅炉产蒸汽或热水进行加热、加湿，加热、加湿环节有较大的电替代的潜力及技术可行性。

8.2恒温恒湿空调电替代前后能耗分析

1、能源单价

1）电力单价

按最新电力政策[2]重庆市大工业用电一部制单价为：0.6932元/kW.h（10kV）、0.6732元/kW.h（110kV）。

2）天然气单价：

按最新天然气价格政策[3]重庆市当前工商业天然气单价为：2.03元/Nm3。

2、电能替代经济性对比

1）对比条件

对比电能及天然气热能驱动两种不同工况的直接运行成本；

电能驱动工况对应工艺：离心式电制冷机组制冷供冷水脱湿及降温、热泵机组制热供热水加热。

热能（天然气）驱动工况对应工艺：直燃机制冷机组（溴化锂制冷机）制冷供脱湿及降温、热水锅炉供热水加热。

加湿工艺的能耗按加热环节考虑（即等温加湿），忽略加湿环节的水泵电耗；忽略各项输送损失及水耗；忽略制冷过程中冷却塔能耗。

按3.2节计算的能耗为分析对象。

2）对比结果

对比结果见表2。

表2.恒温恒湿空调运行成分对比表

3）对比结果分析

从表2对比表中可见，以电力为主驱动的方案与以天然气为主驱动的方案在重庆市当前气、电单价条件下，电力方案年总费用为163.07万元；天然气方案年总费用为197.06万元。电力方案较天然气方案节省运行费用20.8%。恒温恒湿空调领域的电力替代具备经济可行性。

9.结论

本文按照电能替代的视角阐述了恒温恒湿空调的组成。初步阐述了恒温恒湿空调在重庆市的行业应用分布情况；计算了恒温恒温空调的能耗；分析了恒温恒湿空调应用在电能替代方面的可行性，对比了恒温恒湿空调电能替代前后的经济性。为电能替代提供一种跨行业的典型应用分析。

参考文献：

[1]DeST，www.dest.tsinghua.edu.cn

[2]渝价〔2018〕135号，《重庆市物价局关于降低一般工商业电价有关问题的通知》[EB]

[3]渝价〔2018〕128号，《重庆市物价局关于调整非居民用天然气销售价格的通知》[EB]