I. 壓縮空氣系統的節能意義是什麼？
1. 減碳背景與「碳中和」目標
當今全球環境正受到氣候變遷與日益頻繁的自然災害所嚴重影響。碳排放的增加導致溫室效應、都市熱島效應等重大問題。同時，能源消耗分布不均與資源短缺的情況，讓能源結構轉型，尤其是減少對煤炭的依賴，變得比以往任何時候都更加迫切。
為了應對這一挑戰，中國已在「十四五」能源發展規劃中提出「碳達峰」與「碳中和」的戰略目標。工業部門約占全國總能源消耗的65%，因此成為節能減碳的重點領域。在各種工業能源中，壓縮空氣僅次於電力，其在日常運作中扮演著至關重要的角色，是工業生產中不可或缺的一部分。
2. 空壓系統中的節能
空壓系統包含壓縮機、儲氣罐、精密過濾器和乾燥機等重要組件。要實現空壓系統的節能，可以從壓縮機本身、控制系統、乾燥處理流程以及過濾裝置等多個環節著手。
本文將聚焦於三項主要的節能技術，包括：(1) 空壓機吸氣預處理；(2) 空壓機冷卻與熱能回收；(3) 壓縮後氣體處理。
II. 空壓機吸氣的預處理
1. 吸氣預處理的核心思維
空壓機吸氣的預處理主要針對夏季高溫高濕環境所帶來的挑戰。當環境氣溫升高時，會導致一系列問題，如能耗增加、運行效率下降及排氣溫度升高等。吸氣溫度過高還可能導致空壓機出現故障。因此，對吸氣進行預處理不僅可提升系統運行穩定性，更在節能方面具有重要意義。
此外，目前存在高電力消耗與電力資源短缺的矛盾，加上電費日益高漲，更突顯節能需求。多項研究表明，空壓機吸氣溫度對能耗影響顯著：每降低1°C，電力消耗可降低約0.65%。因此，針對夏季炎熱地區進行吸氣預處理的研究，對實現節能具有關鍵價值。
吸氣預處理主要目的為降溫與除濕。但是否真的有必要進行除濕？溫度應降低至什麼程度才合適？我們可以從理論角度進行分析。假設環境氣壓為100kPa，氣溫為38°C，相對濕度為21.75g/kg，等熵效率為0.72，冷卻裝置的性能係數（COP）為3.4。
當吸氣溫度由38°C降至18°C，濕度由21.75g/kg降至17.75g/kg時，比能耗（即單位流量所需功率）由6.98kW/(m³·min)降至6.27kW/(m³·min)。
從吸氣溫度與濕度對能耗的影響來看，溫度的影響遠大於濕度。因此，吸氣預處理的主要目標應是降低溫度，而非除濕，因為除濕所需成本過高。
其原因在於：當熱交換器表面溫度低於露點溫度時，若發生水氣凝結現象，會釋放大量潛熱，導致冷卻負載大幅上升。換句話說，若存在凝結過程，為達同樣冷卻效果所需的制冷功率將大幅增加。
因此，吸氣預處理的核心思路應為：「以降溫為主，濕度不作控制」。降低濕度所帶來的節能效果有限。這一點也與一般空調產品有明顯差異——若僅用空調進行吸氣預處理，並不完全適用於空壓機系統。
空調系統可將溫度降至略低的水平，亦即僅需中高溫冷源。例如，研究指出，將吸氣溫度從35°C降至28–29°C是完全可行的，但不應低於26°C。此方案不僅簡便，且在實際應用中具備良好節能效果。
2. 傳統冷卻方法的缺點
目前的傳統冷卻方法存在以下幾項限制：
能源消耗大、成本高，控制精度較低。
進氣處理設備的能耗在不同地區間存在較大差異。
缺乏完善的理論基礎支撐進氣處理設備的設計或選型。
評估方法或評價標準尚不健全，尚未形成標準化產品。
3. 根據不同冷源的進氣預處理解決方案比較
3.1. 能源節省能力分析
採用蒸氣壓縮式冷卻系統進行進氣預處理時，可直接使用市面上常見的商用空調作為進氣預處理設備。然而，由於此類空調的製冷能力有限，因此僅適用於冷負荷需求較低的應用場景。
與傳統空調相比，冷水機組（Chiller）可提供更大的製冷量和更高的冷卻效率，其運行效能亦更穩定可靠。然而，該系統需額外安裝冷卻水循環管路，從而增加系統管理與維護的複雜性。
此方案可透過控制進入氣-水熱交換器的水流量與溫度來調整進氣溫度。循環水可透過封閉式冷卻塔進行預冷，進而降低氣體處理設備的額外能耗。然而，冷卻塔的降溫效率會受環境因素（如氣溫與濕度）影響。額外配置封閉式冷卻塔與水路循環系統，將提高設備投資成本與系統複雜度。
為進行比較，選擇了氣候條件差異較大的兩個地區——南京與烏魯木齊。在應用進氣預處理方案後，壓縮空氣的單位電耗顯著下降：南京最大降幅達2.32%，烏魯木齊則為2.58%。由此可見，各方案間差異雖不大，但在乾燥氣候地區，蒸發冷卻方式表現出明顯優勢。
3.2. 經濟性分析
在南京與烏魯木齊的氣候條件下，方案三的投資回收期最短，分別為23.1個月與15.3個月。使用冷卻塔進行預冷能顯著提升系統的經濟效益。
可見，若壓縮機系統全年365天持續運行，則投資回收期相當短。但若僅於夏季使用，單獨投資一套冷卻系統則不具經濟性，因其使用率偏低，將導致回收期延長。
方案三——結合式進氣預處理系統不適用於氣量需求小的情況，特別是當流量低於60–80 m³/min時。在這種情況下，方案一——蒸氣壓縮式冷卻更具可行性。
相對而言，結合式處理方案則特別適合於大型空壓站，這些場所對氣體需求量大且對效率要求高。整體來看，此方案的投資回收期通常不超過10個月。
4. 使用冷凍式乾燥機進行空氣壓縮機進氣的預處理
根據上述分析，一個新的構想被提出：無需額外安裝專門的冷源。在許多工廠中，空調系統已經存在，因此可以引導空調系統的冷源用於壓縮機進氣的冷卻。然而，這個方案的應用範圍有限，並非隨時皆可實現。
由此又產生另一個新想法：在冷凍式乾燥機中增加一個蒸發器，等同於為空氣壓縮機配備一台“小型空調”。空氣在進入壓縮機前，先經由蒸發器進行預冷，有效降低進氣溫度。
第一個蒸發器採用鰭片式管狀結構。當蒸發器表面溫度低於空氣露點時，水氣會凝結並在蒸發器表面形成一層水膜，這會降低熱交換效率。
根據除濕係數，可以計算出空氣通過預處理後的凝結水量，從而確定最佳的進氣溫度。
4.1. 評估方法
設定評估條件如下：當環境溫度超過30℃時，進氣預處理系統啟動；壓縮機的進氣流量為45–55 m³/min，排氣壓力為0.8 MPa；空氣在進入壓縮機前被冷卻至26℃。冷媒的蒸發溫度根據進氣溫度變化，空氣與冷媒的溫差設為10℃。
當環境溫度高於30℃且系統將進氣溫度控制在26℃時，該系統每年可節省5747.85 kWh電力，約合人民幣4598.28元。因此，投資回收期非常短。
下一步是將研究結果應用於實際產品中，展開結構設計與具體實施。
III. 空氣壓縮機的冷卻與熱能回收
1. 壓縮過程中的液體噴射
為空氣壓縮機主機節能的一項重要解決方案是，在壓縮過程中進行液體噴射。液體噴射主要有三個目的：冷卻、密封與降噪。其中，密封有助於提高能源效率，而冷卻則有助於提升溫度控制的效果。對於有油壓縮機，整個工作過程中會持續噴油；而對於無油壓縮機，則可以考慮噴水方式。
目前，市面上各廠商所採用的液體噴射方式多種多樣，本文列出三種常見方式：
第一種方式：從進氣腔噴射液體。
第二種方式：在雙螺桿腔體上鑽多個噴射孔。
第三種方式：在兩螺桿交匯點進行液體噴射。
目前，雖然存在多種噴射方式，但噴射位置對最終運行效果的具體影響仍缺乏深入的實驗研究與對比分析。
從理論角度來看，當螺桿轉速越高，液體與壓縮空氣接觸的時間越短，因此需要提高液體的霧化效率（即噴霧細化），但這會降低密封效果。因此，對於多孔噴射設計，應進行功能分區，例如：
大孔主要負責密封功能。
小孔則用於噴霧冷卻。
這種分區並實施功能獨立控制的設計方式，將能帶來更高的整體運行效率。
2. 回收空壓機的熱能
空壓機的熱能回收主要涉及兩大熱源：來自潤滑油的熱能與來自壓縮空氣的熱能。我們曾經在密閉系統中進行過實驗，目標是透過蒸發方式直接回收熱能，原理類似於加熱水產生蒸氣。不過，我們的核心設計是利用熱交換器進行直接蒸發式的熱能回收。
此外，作者還設計了一套半密閉系統，採用水作為熱傳媒，具有接觸式換熱的特性，可實現無排放的熱能回收。在此系統中，經過第一級壓縮後的空氣連同部分熱能進一步進入第二級壓縮機進行再次壓縮並提供動力。同時，此系統還能夠調節蒸氣生成過程，並直接生產熱水。
從綠色工業生產的角度來看，我們產業所面臨的主要挑戰之一是廢油排放與廢水處理問題。為解決這些問題，可利用部分熱能應用於空氣的加濕與除濕處理過程，稱為 HDH（加濕-除濕加熱，Humidification-Dehumidification Heating）。相較於傳統散熱器，HDH 對防腐蝕的要求較低，因其主要利用熱空氣使廢水中的水分蒸發。
在此過程中，廢水中的水分會蒸發至空氣中，提高空氣濕度，隨後再將濕空氣冷卻，使水蒸氣在較低溫下凝結，從而實現廢水處理的目的。此方法不僅能減少廢油排放，亦能改善空氣品質，是一種綠色、高效的解決方案。
IV. 壓縮後的壓縮空氣處理
壓縮空氣的後處理實際上包括兩個方面：一是過濾，二是乾燥。過濾裝置用於去除油分，乾燥設備則用於去除水分。目前市場上有多種乾燥機，包括吸附式、冷凍式及複合式等。這些設備的核心在於：在滿足壓力露點要求的基礎上，實現節能降耗、降低電力損耗與壓降，同時減少設備投資成本與維護成本。
當前，空壓機已逐漸向變頻控制方向發展，許多乾燥機也採用了變頻技術，因此整個壓縮空氣系統皆可實現變頻運行。在實際應用中，即使我們的產品本身具有節能特性，但若使用者操作不當，仍可能出現不節能的情況。因此，科學的整體控制至關重要。此外，降低冷凍式乾燥機中加熱器所造成的壓降損失，也是目前的一個關鍵問題。
對於吸附式乾燥機，吸附劑的選擇是核心要素。在空調系統中，也經常使用轉輪吸附技術來實現乾燥。不過，吸附劑多為粉末狀或塗層狀，其性能與品質會因製程及批次不同而產生差異。要準確評估吸附劑的性能，需採用科學的方法與技術。
隨著技術的不斷進步，我們還需根據實際應用中的壓力露點需求，合理選擇並配置新技術。在吸附式乾燥設備的再生方法研究與結構設計方面，仍有許多工作需進一步開展，以提升能效與節能水準。
此外，複合式乾燥設備也是值得關注的技術之一。該設備結合了冷凍與吸附兩種方式的優勢，其核心問題是熱能回收的基本理論與實際應用。筆者近期參與了浙江省某企業的複合式乾燥設備項目，該項目應用於橋梁工程中的壓縮空氣乾燥與防腐。
目前空壓機產業主要採用靜態系統方式，與之相比，轉輪式這一動態系統雖具備一定優勢，但亦面臨密封性挑戰。因此，我們正在嘗試將轉輪技術應用於低壓鼓風機領域，探索將冷卻、加熱與轉輪技術有效結合，以達到節能目的。
目前，我們團隊正在進行結構設計、製造準備與試驗規劃。
同時，筆者也在思考如何將從其他產業中接觸到的技術與經驗整合到空壓機行業。由於轉輪設計具有模組化特性，可單獨更換轉輪部分，這在實際使用中大大提升了便利性。相信透過不斷的探索與創新，能為空壓機產業帶來更多技術突破與新解決方案。
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