一、壓縮空氣系統節能的背景與意義
【壓縮機網】1.低碳零碳大背景
當前，全球生態環境破壞嚴重，氣候變暖、重大地質事件頻頻爆發；碳排放量持續增長，導致城市熱島效應、溫室效應，原有生產結構遭遇全球性挑戰。而能源短缺、分布不平衡，促使以煤炭為主的能源結構需加快轉型。
基于大國責任擔當，我國印發了《“十四五”現代能源體系規劃》，提出碳達峰、碳中和“雙碳”目標。黨的十八大以來，我國加快構建清潔低碳、安全高效的能源體系，加快能源結構調整優化，推動能源結構從高碳向低碳轉變，深入推進能源變革。
工業領域的能源消費量占全國總體消費量65%左右，是節能降碳的主要領域之一，也是實現“雙碳”目標的重要領域。其中，壓縮空氣作為僅次于電力的第二大動力能源，也是具有多種用途的工藝氣源，具有輸送儲存方便、來源豐富、透明無污染等特點，是工業生產過程中不可缺少的重要組成部分。故壓縮空氣是實現氣動節能的研究熱點之一。
2.壓縮空氣系統節能改造
壓縮空氣系統通常包含空壓機、儲氣罐、過濾器、干燥器等重要部件。針對壓縮空氣系統的節能改造，可以是壓縮機主機，也可以是控制系統以及干燥工藝，還可以是過濾器、輸送和使用環節等。
本文主要探討三個方面的節能技術：一是空壓機的吸氣預處理，二是空壓機的冷卻和熱回收，三是壓縮空氣的后處理。
二、空壓機吸氣預處理
1.空壓機吸氣預處理的核心思路
空壓機吸氣預處理主要針對夏季高溫、高濕環境。環境吸氣溫度高了必然造成能耗增加、效率降低、排氣溫度升高等一系列影響。空壓機吸氣溫度過高還會導致故障頻發。另外，現在高用電能耗與緊張的電力資源、昂貴的用電成本之間的矛盾十分嚴重。而研究表明，空壓機的吸氣溫度對能耗有顯著影響，每降低1℃，能耗可降低0.65%。因此，尤其在夏季高溫地區，研究空壓機吸氣預處理對于節能具有重要意義。
所謂的吸氣預處理就是降溫減濕，那到底要不要去減濕？降溫降到什么程度？我們做一些理論分析。假設環境空氣壓力為100kPa，溫度為38℃，含濕量為21.75g/kg，等熵效率為0.72，制冷設備COP為3.4。
由上圖可見，隨著吸氣溫度從38℃降低至18℃，含濕量從21.75g/kg降低至17.75g/kg時，比功率從6.98kW/(m3·min-1)降低至6.27kW/(m3·min-1)。
從壓縮機進氣溫度和濕度對能耗的影響角度看，溫度對比功率的影響大于含濕量，吸氣預處理以降溫為主要目的，除濕代價太大。因為放熱器的表面溫度低于供電溫度以后，一旦出現水分凝結造成的潛熱量非常大，也就說給制冷的等負荷要增加很多。所以吸氣預處理的核心思路是主降溫不控濕，降低濕度的收益非常薄弱，這與常規空調產品直接拿來用有區別。空調可調節溫度相對低一點，這意味著冷源溫度要高一些。比如研究表明，利用空調降溫，環境溫度從35℃降到28、29℃很容易，但是不建議降到26℃以下。
2.傳統冷源供應的吸氣預處理不足
目前空壓機吸氣預處理研究不足之處：
（1）傳統冷源供應方式能耗高、成本高，控制精度低；
（2）預處理設備能耗地域差異性大，控制目標不明確；
（3）缺乏吸氣預處理設備設計或選型的理論支撐；
（4）評價指標或評價方法不完善，尚未產品化。
3.不同冷源供應的吸氣預處理方案對比
3.1節能性分析
蒸汽壓縮制冷吸氣預處理方案可直接采用市面上的空調機組作為吸氣預處理設備。由于空調機組制冷能力有限，因此僅適用于冷負荷需求較小的場合。
相比于市面上的空調機組，冷水機組能夠提供更大的冷量和更高的制冷效率，同時運行效果更穩定可靠，但同時增加了循環水管路，因此增加了系統的管理和維護難度，系統相對復雜。
該方案可通過調節進入氣水換熱器的流量及溫度控制吸氣溫度，通過閉式冷卻塔對循環水預冷，降低了吸氣預處理設備的額外能耗，但冷卻塔的制冷效果受環境空氣參數影響。增加閉式冷卻塔和循環水管路等設備會增加設備的成本和復雜程度。
選取氣候條件差異比較大的南京和烏魯木齊進行對比。進行吸氣預處理后，壓縮空氣比功率明顯降低，在南京氣候下最大幅度達到2.32%，在烏魯木齊氣候下最大幅度達到2.58%。由此可以發現，不同方案差異較小，干燥地區采用蒸發冷卻的優勢較為明顯。
3.2經濟性分析
在南京和烏魯木齊氣候下，方案三投資回收期均為最短，分別為23.1個月和15.3個月，采用冷卻塔預冷后可以有效提高系統經濟效益。
由此可見，如果一年365天用氣，投資回收期會很短；如果只在夏天用，那么單獨配置一個冷源，由于使用率低會導致投資回收期比較長。方案三組合式吸氣預處理方案在小氣量的時候，特別是60、80立方以下不太適合，方案一蒸汽壓縮制冷吸氣預處理方案更可行。組合式方案特別適用于大氣量空壓站，效率更高。整體來看，它的投資回收期一般不會低于10個月。
由此，后來產生的一種思路就是不單獨配置冷源。很多廠房可能有空調，可以把空調用冷源引過來用，但是這也存在應用的極限性。于是又產生了新的思路：給冷干機多加一個蒸發器，相當于給空壓機組配了一個小的空調，只不過空氣進入壓縮機之前先經過蒸發器，把空氣空氣冷卻一下。
第一蒸發器為翅管式結構，當表面溫度低于空氣露點溫度時，析出冷凝水并在蒸發器表面形成水膜不利于換熱。由析濕系數可算得壓縮空氣經過吸氣預處理之后的水蒸氣凝結量，根據分析確定吸氣溫度。
空氣壓縮過程實際能耗：
析濕系數：
第一蒸發器熱負荷：
4.1評價方法
設定環境溫度在30℃以上開啟吸氣預處理系統；空壓機吸氣量在45～55m3/min，排氣壓力0.8MPa；冷卻至26℃進入壓縮機；蒸發溫度隨吸氣溫度變化，空氣-制冷劑溫差取10℃。
（1）性能評價指標——比功率
空壓機比功率：
（2）節能評價指標——節能百分比（PPS）
節省的壓縮功率：
吸氣預處理額外能耗：
節能百分比：
系統節省的電量及電費：
按照上述參數估算，環境溫度高于30℃開始運行，控制在26℃，系統一年節約電量5747.85度，節約電費4598.28元，很快就能把投資回收回來。下一步就是怎樣落實到產品上做結構設計等等。
三、空壓機冷卻/熱回收
1.空壓機壓縮過程噴液冷卻
空壓機主機節能的一個重要途徑就是壓縮過程噴液冷卻，噴液有三個目的：冷卻、密封、降噪。其實密封的核心就是能效提升，冷卻就是改善溫度控制。噴油機就是工作過程噴油，無油機可以考慮噴水。
不同廠家的噴液設置方法有多種多樣，本文列出3種。第一種是從吸氣腔中噴液，第二種是從兩個轉子腔開多個孔噴，還有一種是在轉子交線處噴液
目前，市面上的噴液方式多種多樣，但是噴液位置對最終效果的影響，目前還沒有很細致的實驗對比。
從理論角度分析，轉速越高，噴液和氣的冷卻時間越短，那就要對氣體的霧化提升，這又導致密封變差。所以針對多個孔的，就要進行功能區分，比如大孔主密封，小孔主霧化。區分控制，效果會好一些。
2.空壓機熱回收
空壓機熱回收主要涉及油熱和氣體熱兩方面。我們曾進行封閉式試驗，嘗試直接蒸發回收熱量，類似于加熱水散蒸方式。但我們的核心設計是采用換熱器直接蒸發回收熱量。此外，筆者還設計了一種以水為工作介質的半開式系統，具有接觸式傳熱特性，可實現零排放。在這個系統中，一級壓縮后的氣體和部分熱量進入二級壓縮機進行進一步壓縮和供能。同時，該系統不僅可以控制蒸汽的產生，還可以直接產生熱水。
從綠色工業生產的角度來看，我們行業面臨的主要挑戰之一是油污排放和污水處理問題。針對這些問題，一些熱量可以用于空氣的蒸濕除濕過程，這被稱為HDH。與傳統的放熱器相比，HDH對放熱器的腐蝕要求較低，因為它主要利用空氣加熱來蒸發污水中的水分。
在這個過程中，水分從污水中蒸發到空氣中，使空氣的濕度增加。隨后，通過冷卻方法，這些水分可以在較低的溫度下凝結下來，從而實現污水處理的目的。這種方法不僅有助于減少油污排放，還可以提高空氣質量，是一種綠色、高效的解決方案。
四、壓縮空氣后處理
后處理其實包括兩個方面，一個是過濾，還有一個是干燥。過濾器除油，干燥器除水。現在干燥機廠商很多，有吸附式、冷凍式，還有組合式的，其核心就是：滿足壓力露點要求的前提下，降低能耗、減小壓損；減少設備投資成本以及維護成本。
現在空壓機變頻了，干燥機很多也是變頻的，所以整個空氣系統都是變頻的。在現實應用中，我們的產品本身是節能的，但是用戶沒有合理的利用，這就可能導致不節能。所以科學的綜合控制很重要。另外，降低冷干機里發熱器的壓力損失也是一個核心問題。
對于吸附式干燥機，吸附劑的選擇至關重要。在空調系統中，也常用到吸附干燥轉輪。然而，吸附劑通常以霧狀存在，其性能和質量可能因生產批次和工藝的不同而有所差異。為了準確標定和測量吸附劑的性能，我們需要采用科學的方法和技術。
隨著科技的進步，我們還需要根據對壓力分辨率的具體要求，合理選擇和設置新技術。在吸附式干燥機的再生方法研究和干燥器結構設計方面，也有許多工作需要做。
此外，組合式干燥器是另一種值得關注的技術。它結合了冷干燥和吸附干燥的優點，核心問題在于熱回收的基本理論和應用。筆者最近在浙江的一家企業，就參與了一個組合式干燥器的項目，用于橋梁空氣的干燥和防腐。
在壓縮機行業中，目前主要采用的是靜態系統措施。相比之下，轉輪作為動態系統措施，雖然具有其獨特優勢，但也面臨著密封等挑戰。因此，我們正在嘗試將轉輪技術應用于低壓鼓風領域，探索如何有效地結合冷熱和轉輪技術。我們的團隊目前正在進行相關的結構設計和生產準備工作，并計劃進行調試。
同時，筆者也在思考如何將在其他行業接觸到的技術和經驗與壓縮機行業相結合。由于轉輪具有模塊化設計的特點，我們可以單獨更換轉輪部分，這能大大提高使用的便利性。相信通過不斷的探索和創新，我們可以為壓縮機行業帶來更多的技術進步和解決方案。
作者簡介
沈九兵，江蘇鎮江人，畢業于西安交通大學，現就職于江蘇科技大學能源與動力工程學院人工環境系，主要從事壓縮機方向研究。
一、壓縮空氣系統節能的背景與意義
【壓縮機網】1.低碳零碳大背景
當前，全球生態環境破壞嚴重，氣候變暖、重大地質事件頻頻爆發；碳排放量持續增長，導致城市熱島效應、溫室效應，原有生產結構遭遇全球性挑戰。而能源短缺、分布不平衡，促使以煤炭為主的能源結構需加快轉型。
基于大國責任擔當，我國印發了《“十四五”現代能源體系規劃》，提出碳達峰、碳中和“雙碳”目標。黨的十八大以來，我國加快構建清潔低碳、安全高效的能源體系，加快能源結構調整優化，推動能源結構從高碳向低碳轉變，深入推進能源變革。
工業領域的能源消費量占全國總體消費量65%左右，是節能降碳的主要領域之一，也是實現“雙碳”目標的重要領域。其中，壓縮空氣作為僅次于電力的第二大動力能源，也是具有多種用途的工藝氣源，具有輸送儲存方便、來源豐富、透明無污染等特點，是工業生產過程中不可缺少的重要組成部分。故壓縮空氣是實現氣動節能的研究熱點之一。
2.壓縮空氣系統節能改造
壓縮空氣系統通常包含空壓機、儲氣罐、過濾器、干燥器等重要部件。針對壓縮空氣系統的節能改造，可以是壓縮機主機，也可以是控制系統以及干燥工藝，還可以是過濾器、輸送和使用環節等。
本文主要探討三個方面的節能技術：一是空壓機的吸氣預處理，二是空壓機的冷卻和熱回收，三是壓縮空氣的后處理。
二、空壓機吸氣預處理
1.空壓機吸氣預處理的核心思路
空壓機吸氣預處理主要針對夏季高溫、高濕環境。環境吸氣溫度高了必然造成能耗增加、效率降低、排氣溫度升高等一系列影響。空壓機吸氣溫度過高還會導致故障頻發。另外，現在高用電能耗與緊張的電力資源、昂貴的用電成本之間的矛盾十分嚴重。而研究表明，空壓機的吸氣溫度對能耗有顯著影響，每降低1℃，能耗可降低0.65%。因此，尤其在夏季高溫地區，研究空壓機吸氣預處理對于節能具有重要意義。
所謂的吸氣預處理就是降溫減濕，那到底要不要去減濕？降溫降到什么程度？我們做一些理論分析。假設環境空氣壓力為100kPa，溫度為38℃，含濕量為21.75g/kg，等熵效率為0.72，制冷設備COP為3.4。
由上圖可見，隨著吸氣溫度從38℃降低至18℃，含濕量從21.75g/kg降低至17.75g/kg時，比功率從6.98kW/(m3·min-1)降低至6.27kW/(m3·min-1)。
從壓縮機進氣溫度和濕度對能耗的影響角度看，溫度對比功率的影響大于含濕量，吸氣預處理以降溫為主要目的，除濕代價太大。因為放熱器的表面溫度低于供電溫度以后，一旦出現水分凝結造成的潛熱量非常大，也就說給制冷的等負荷要增加很多。所以吸氣預處理的核心思路是主降溫不控濕，降低濕度的收益非常薄弱，這與常規空調產品直接拿來用有區別。空調可調節溫度相對低一點，這意味著冷源溫度要高一些。比如研究表明，利用空調降溫，環境溫度從35℃降到28、29℃很容易，但是不建議降到26℃以下。
2.傳統冷源供應的吸氣預處理不足
目前空壓機吸氣預處理研究不足之處：
（1）傳統冷源供應方式能耗高、成本高，控制精度低；
（2）預處理設備能耗地域差異性大，控制目標不明確；
（3）缺乏吸氣預處理設備設計或選型的理論支撐；
（4）評價指標或評價方法不完善，尚未產品化。
3.不同冷源供應的吸氣預處理方案對比
3.1節能性分析
蒸汽壓縮制冷吸氣預處理方案可直接采用市面上的空調機組作為吸氣預處理設備。由于空調機組制冷能力有限，因此僅適用于冷負荷需求較小的場合。
相比于市面上的空調機組，冷水機組能夠提供更大的冷量和更高的制冷效率，同時運行效果更穩定可靠，但同時增加了循環水管路，因此增加了系統的管理和維護難度，系統相對復雜。
該方案可通過調節進入氣水換熱器的流量及溫度控制吸氣溫度，通過閉式冷卻塔對循環水預冷，降低了吸氣預處理設備的額外能耗，但冷卻塔的制冷效果受環境空氣參數影響。增加閉式冷卻塔和循環水管路等設備會增加設備的成本和復雜程度。
選取氣候條件差異比較大的南京和烏魯木齊進行對比。進行吸氣預處理后，壓縮空氣比功率明顯降低，在南京氣候下最大幅度達到2.32%，在烏魯木齊氣候下最大幅度達到2.58%。由此可以發現，不同方案差異較小，干燥地區采用蒸發冷卻的優勢較為明顯。
3.2經濟性分析
在南京和烏魯木齊氣候下，方案三投資回收期均為最短，分別為23.1個月和15.3個月，采用冷卻塔預冷后可以有效提高系統經濟效益。
由此可見，如果一年365天用氣，投資回收期會很短；如果只在夏天用，那么單獨配置一個冷源，由于使用率低會導致投資回收期比較長。方案三組合式吸氣預處理方案在小氣量的時候，特別是60、80立方以下不太適合，方案一蒸汽壓縮制冷吸氣預處理方案更可行。組合式方案特別適用于大氣量空壓站，效率更高。整體來看，它的投資回收期一般不會低于10個月。
由此，后來產生的一種思路就是不單獨配置冷源。很多廠房可能有空調，可以把空調用冷源引過來用，但是這也存在應用的極限性。于是又產生了新的思路：給冷干機多加一個蒸發器，相當于給空壓機組配了一個小的空調，只不過空氣進入壓縮機之前先經過蒸發器，把空氣空氣冷卻一下。
第一蒸發器為翅管式結構，當表面溫度低于空氣露點溫度時，析出冷凝水并在蒸發器表面形成水膜不利于換熱。由析濕系數可算得壓縮空氣經過吸氣預處理之后的水蒸氣凝結量，根據分析確定吸氣溫度。
空氣壓縮過程實際能耗：
析濕系數：
第一蒸發器熱負荷：
4.1評價方法
設定環境溫度在30℃以上開啟吸氣預處理系統；空壓機吸氣量在45～55m3/min，排氣壓力0.8MPa；冷卻至26℃進入壓縮機；蒸發溫度隨吸氣溫度變化，空氣-制冷劑溫差取10℃。
（1）性能評價指標——比功率
空壓機比功率：
（2）節能評價指標——節能百分比（PPS）
節省的壓縮功率：
吸氣預處理額外能耗：
節能百分比：
系統節省的電量及電費：
按照上述參數估算，環境溫度高于30℃開始運行，控制在26℃，系統一年節約電量5747.85度，節約電費4598.28元，很快就能把投資回收回來。下一步就是怎樣落實到產品上做結構設計等等。
三、空壓機冷卻/熱回收
1.空壓機壓縮過程噴液冷卻
空壓機主機節能的一個重要途徑就是壓縮過程噴液冷卻，噴液有三個目的：冷卻、密封、降噪。其實密封的核心就是能效提升，冷卻就是改善溫度控制。噴油機就是工作過程噴油，無油機可以考慮噴水。
不同廠家的噴液設置方法有多種多樣，本文列出3種。第一種是從吸氣腔中噴液，第二種是從兩個轉子腔開多個孔噴，還有一種是在轉子交線處噴液
目前，市面上的噴液方式多種多樣，但是噴液位置對最終效果的影響，目前還沒有很細致的實驗對比。
從理論角度分析，轉速越高，噴液和氣的冷卻時間越短，那就要對氣體的霧化提升，這又導致密封變差。所以針對多個孔的，就要進行功能區分，比如大孔主密封，小孔主霧化。區分控制，效果會好一些。
2.空壓機熱回收
空壓機熱回收主要涉及油熱和氣體熱兩方面。我們曾進行封閉式試驗，嘗試直接蒸發回收熱量，類似于加熱水散蒸方式。但我們的核心設計是采用換熱器直接蒸發回收熱量。此外，筆者還設計了一種以水為工作介質的半開式系統，具有接觸式傳熱特性，可實現零排放。在這個系統中，一級壓縮后的氣體和部分熱量進入二級壓縮機進行進一步壓縮和供能。同時，該系統不僅可以控制蒸汽的產生，還可以直接產生熱水。
從綠色工業生產的角度來看，我們行業面臨的主要挑戰之一是油污排放和污水處理問題。針對這些問題，一些熱量可以用于空氣的蒸濕除濕過程，這被稱為HDH。與傳統的放熱器相比，HDH對放熱器的腐蝕要求較低，因為它主要利用空氣加熱來蒸發污水中的水分。
在這個過程中，水分從污水中蒸發到空氣中，使空氣的濕度增加。隨后，通過冷卻方法，這些水分可以在較低的溫度下凝結下來，從而實現污水處理的目的。這種方法不僅有助于減少油污排放，還可以提高空氣質量，是一種綠色、高效的解決方案。
四、壓縮空氣后處理
后處理其實包括兩個方面，一個是過濾，還有一個是干燥。過濾器除油，干燥器除水。現在干燥機廠商很多，有吸附式、冷凍式，還有組合式的，其核心就是：滿足壓力露點要求的前提下，降低能耗、減小壓損；減少設備投資成本以及維護成本。
現在空壓機變頻了，干燥機很多也是變頻的，所以整個空氣系統都是變頻的。在現實應用中，我們的產品本身是節能的，但是用戶沒有合理的利用，這就可能導致不節能。所以科學的綜合控制很重要。另外，降低冷干機里發熱器的壓力損失也是一個核心問題。
對于吸附式干燥機，吸附劑的選擇至關重要。在空調系統中，也常用到吸附干燥轉輪。然而，吸附劑通常以霧狀存在，其性能和質量可能因生產批次和工藝的不同而有所差異。為了準確標定和測量吸附劑的性能，我們需要采用科學的方法和技術。
隨著科技的進步，我們還需要根據對壓力分辨率的具體要求，合理選擇和設置新技術。在吸附式干燥機的再生方法研究和干燥器結構設計方面，也有許多工作需要做。
此外，組合式干燥器是另一種值得關注的技術。它結合了冷干燥和吸附干燥的優點，核心問題在于熱回收的基本理論和應用。筆者最近在浙江的一家企業，就參與了一個組合式干燥器的項目，用于橋梁空氣的干燥和防腐。
在壓縮機行業中，目前主要采用的是靜態系統措施。相比之下，轉輪作為動態系統措施，雖然具有其獨特優勢，但也面臨著密封等挑戰。因此，我們正在嘗試將轉輪技術應用于低壓鼓風領域，探索如何有效地結合冷熱和轉輪技術。我們的團隊目前正在進行相關的結構設計和生產準備工作，并計劃進行調試。
同時，筆者也在思考如何將在其他行業接觸到的技術和經驗與壓縮機行業相結合。由于轉輪具有模塊化設計的特點，我們可以單獨更換轉輪部分，這能大大提高使用的便利性。相信通過不斷的探索和創新，我們可以為壓縮機行業帶來更多的技術進步和解決方案。
作者簡介
沈九兵，江蘇鎮江人，畢業于西安交通大學，現就職于江蘇科技大學能源與動力工程學院人工環境系，主要從事壓縮機方向研究。
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