空調系統熱回收裝置的季節溫度效率評價法

劉 挺,馬國遠,汪亮兵,周 峰

(1.北京工業大學 環境與能源工程學院,北京 100124;2.中國家用電器研究院,北京 100053)

在商場中,新風負荷占總空調負荷的比例很大,同時由于需要引入室外新鮮空氣,所以相應地必須從室內排出大量的空氣,而具有室內參數的系統排風中包含了大量的熱(冷)量,設置熱回收裝置使新風與排風進行熱(冷)量的交換,把排風所帶的熱(冷)量最大可能地傳遞給新風,減少新風的加熱量或制冷量,是廢熱利用,節約能源的有效措施。熱管式熱回收裝置能避免新風與回風的交叉污染,適用于商場等對空氣質量要求較高的場所。根據中國的氣候條件,在北方氣候寒冷,濕度較小的城市(如北京等)較適宜用顯熱回收[1]。鐘珂、亢燕銘等人[2]選取了中國不同氣候區的8個城市,對各區域熱回收裝置的可行性進行了評估,推薦屬于寒冷氣候地區選用顯熱回收裝置為宜。有關數據顯示當顯熱熱回收裝置回收效率達到70%時,就可以使供暖能耗降低40%～50%,甚至更多[3]。

對熱回收裝置應用的性能與節能經濟性評價,文獻[4]以回收裝置的規定最小效率50%與70%,采用回收裝置應用地區冬夏季的總時間數,對小通風量的熱回收裝置進行了經濟性分析。莊琛、顧平道等[5]通過對用于賓館排風能量回收的熱管換熱器和轉輪式全熱換熱器的節能和經濟性分析比較,認為熱管換熱器在能量回收領域更有推廣價值。為了計算實際熱回收量,Mathur引進了熱管換熱器應用地區氣象溫度分區的時間數來確定換熱器的運行時間[6]。文獻[7]研究了熱回收機組氣流的短路與泄漏和風機的能耗,以及對回收能量、熱回收效率的影響。文獻[8]綜述了瑞士和德國熱回收技術的經濟性和研究進展,提到了最小熱回收效率60%的條件。在關于熱回收裝置評價文獻中尚未看到對熱回收裝置效率隨室外空氣溫度變化而變化給予確切考慮的,往往都是以設計(或標準規定)換熱效率來考量其經濟性與節能效益。但對用于空調系統的熱回收裝置,其工況環境全年變化范圍大,尤其熱管式熱回收機組,實際換熱效率與設計效率有一定偏離。為了準確地評價熱回收裝置換熱性能,該文提出了季節溫度效率的評價方法。

1 熱管式熱回收機組

熱管是一種高效的傳熱元件,其導熱能力很高,傳熱量比金屬高出幾個數量級。熱虹吸管也叫重力熱管,與普通熱管不同的是其熱管內沒有吸液芯,冷凝液從冷凝段返回蒸發段不是靠吸液芯所產生的毛細力,而是靠冷凝液自身的重力,故受熱側需位于下方,但殼體用光管就行,不需復雜的工藝,加工成本低。其工作時受熱側吸收熱流體熱量,并將熱量傳給工質(液態),工質吸熱后以蒸發與沸騰的形式轉變為蒸汽,蒸汽在壓差作用下上升至放熱側,同時凝結成液體放出汽化潛熱,熱量傳給放熱側的冷流體,冷凝液依靠重力回流到受熱側。受熱往復循環將熱量從加熱區傳遞到散熱區。熱管內熱量傳遞是通過工質的相變過程進行的,傳熱熱阻小,傳熱量大[9]。

課題組一直致力于熱虹吸管及其換熱器的理論與工程應用研究,已成功開發的一臺熱虹吸管熱回收機組,機組尺寸為 2 680 mm×1 220 mm×190 mm,熱虹吸管管材為16×0.5紫銅管,外加翅片,所充工質為有機低沸點介質,由32根×6排正三角叉排組成整體式熱虹吸管換熱器。現安裝在北京某商場的空調系統中,對該空調系統的排風能量進行回收。機組運行環境是：新、排風量均為15 000 m3/h,夏季排風溫度26℃左右,新風最高溫度38℃,冬季排風溫度16℃左右,新風最低溫度-5℃。為了研究機組在實際工程中的運行效益,對機組運行情況進行監測并采集了其運行的數據。機組的布置和溫度測點見示意圖 1,1-1、2-2、3-3、4-4 4個風口斷面,每個風口布5個熱電偶,依斷面4-4上所示布點。熱電偶均經過校準,由溫度巡檢儀全年不間斷采集運行溫度數據。風量用熱球式風速儀在平直風道上進行測試,并且通過對風道上旁通機房的風口風閥調節,將風量控制在范圍15 000 m3/h。

圖1 機組在空調系統中的布置及溫度布點示意圖

該文通過對熱管式熱回收機組在商場空調系統運行一年的運行數據分析,參照評價房間空調器的季節能效比方法提出了季節溫度效率,用它對熱回收機組1個季節換熱效率進行更切實際運行狀況的評價,以表征熱回收機組全年運行的換熱性能。最后基于該方法對機組全年運行的節能效果進行分析。

2 機組熱回收性能的評價方法

通常用溫度效率E作為熱(冷)量回收的評價指標,定義為換熱器的實際換熱量與理論上最大換熱量之比,它與換熱器的迎面風速、管排數、熱冷空氣流量比M等因素有關[10]。設定V1≤V2,則

式中：V1為熱管蒸發段處空氣流量,m3/h(標況);V2為熱管冷凝段處空氣流量,m3/h(標況);t1為蒸發段進口處熱空氣干球溫度,℃為蒸發段出口處熱空氣干球溫度,℃;t2為冷凝段進口處冷空氣干球溫度,℃;為冷凝段出口處冷空氣干球溫度,℃。

由于機組所在系統的新、排風風量相等,故溫度效率的計算可簡化為：

溫度效率 =新風進、出口溫度差/新、排風進口溫度差,即

但這里所給的定義是在給定具體的新、排風進出口溫度(或標準額定工況)時的溫度效率。對于實際運行時的動態工況,即在1個季節或全年熱回收機組換熱效率的評價,用它顯然有先天不足,不能準確、全面描述。參照評價空調器效率指標的季節能效比,提出季節溫度效率,用它來評價在某1季節內熱回收機組的換熱性能。下面將參考標準中季節能效比的計算思路,推導季節溫度效率的計算公式。

2.1 空調季節能效比計算方法分析

以國家標準《GB/T 7725-2004房間空氣調節器》中房間空調器季節能源消耗效率SEER為準[11],SEER定義在正常的制冷季節,空調器在特定地區制冷運行時總輸出制冷量與總耗電量之比。首先2個重要假設：

1)在保持室內空氣溫度不變的條件下,房間空調器制冷能力、制熱能力以及輸入功率與室外空氣溫度成線性關系;

2)房間冷熱負荷與室外空氣溫度成線性關系。據以上假設,室外溫度為“零負荷溫度點”時,空調負荷為0;室外溫度為“制冷負荷溫度點”時,空調器滿負荷運轉。國家標準中的“零負荷溫度點”為23℃,“制冷負荷溫度點”為35℃。

求取SEER的2個主要方面：

1)根據機組應用地區的氣候環境,劃分溫度區間,同時統計空調季節每個溫度區間下機組運行的時間。

2)計算每個溫度區間空調器的制冷量和耗電量。利用焓差法試驗測得關鍵點35℃時空調器的制冷量、耗電量,低溫制冷時關鍵點29℃的參數值可以根據與額定工況制冷能力()、消耗功率(P c)的比值計算,標準中認為有=1.077Φcr,消耗功率Pc(29)=0.914Pc,然后即可通過一次線性插值確定每個溫度下的和,于是：

2.2 季節溫度效率的計算

大量文獻[12-13]的分析介紹表明,季節能效比的評價方法考慮了空調器在實際運行過程中,工況偏離額定工況時空調性能的變化和空調器開停過程的功率損失,所以用季節能效比對空調器進行評價更為全面、有效和準確。考慮到季節能效比方法上的優越性,參考其計算方法,對評價熱回收機組性能的溫度效率尋求從整個運行季節來評價的季節溫度效率。依照上面分析SEER的計算思路,對季節溫度效率的計算公式進行推導。

1)溫度區間的劃分。熱回收機組是安裝在空調系統進行排風余熱(冷)回收,其工作環境屬于空調工作環境范圍,所以對溫度區間的劃分等采用GB/T 7725-2004標準中的劃分及氣象資料。

2)從溫度效率的推導及定義來看,它表征的是換熱器換熱能力,是換熱效率簡潔又直接的求解形式,最終計算式(4),這里的溫差包含著換熱量的含義。換熱器的設計除滿足達到換取要求的熱量,還得考慮目標換熱能力,一般由換熱效率衡量。文獻[14]中已說明依冬季工況設計的空調用熱管換熱器的結構和經濟性要優于根據夏季工況設計的。機組即是考慮以冬季工況設計,室外工況計算干球溫度為2℃,目標換熱效率為60%。

對機組全年冬夏2個季節的運行狀況進行考察,下面圖2與圖3分別是機組在夏季、冬季運行中室外新風溫度對溫度效率的影響。

圖2 機組在冬季運行中新風溫度與溫度效率

圖3 機組在夏季運行中新風溫度與溫度效率

冬季圍繞換熱器設計的工況溫度2℃,當新風溫度低于該溫度時溫度效率略有下降趨勢,可認為基本保持不變;當高于該溫度時溫度效率下降趨勢明顯,其值整體較高是由于換熱器角度調節對溫度效率的影響。夏季換熱器的設計或校核工況35℃,可以看到是隨新風溫度的升高增大,但增大的趨勢平緩。總體上,溫度效率在新風溫度較大范圍變化時變化小,且趨勢上呈單調變化,認為溫度效率隨新風溫度變化近似呈線性變化。

依照標準《GB/T 7725-2004房間空氣調節器》對計算SEER的試驗溫度點,夏季取35℃和29℃,冬季取7℃和2℃。以夏季空調時回收冷量來推導機組的季節溫度效率計算式,首先通過試驗測得在試驗點的熱回收機組溫度效率E(35)、E(29)。則任意室外新風溫度tj下的溫度效率E(tj)：

由(4)式,t1是室內排風溫度,為26℃,得

則

于是得到夏季季節溫度效率SE夏：

其中：nj為tj溫度區間下機組運行小時數。

同樣地,冬季供熱時機組回收余熱的季節溫度效率計算式：

通過試驗測得在試驗點7℃和2℃的熱回收機組溫度效率E(7)、E(2),任意室外新風溫度tj下的溫度效率E(tj)：

于是得到冬季季節溫度效率SE冬：

3 機組全年運行的節能分析

3.1 機組季節溫度效率及回收能量計算

在暖通空調設計規范中,北京地區空調夏季運行時間為123 d,冬季熱泵供暖運行時間151 d。機組夏季實際運行時間從2007年7月10日到10月1日,冬季運行時間,從 11月7日到2008年4月,覆蓋了規范中要求的時間。通過對2個季度機組運行數據的處理分析,首先得到了夏季試驗溫度點35℃、29℃時,機組溫度效率分別為 56.11%、55.12%,冬季試驗溫度點7℃、2℃時,溫度效率分別為64.95%、66.10%。依據上面提到的方法,計算得在冬夏兩個季節的溫度效率值及回收能量,具體計算值見表1。

表1 機組全年運行效率與回收能量一覽表

計算中北京地區的氣象資料選自中國氣象局信息中心氣象資料室和清華大學建筑學院建筑技術科學系合作編制的《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》[15]。根據機組所在商場運營的時間段為每天8：00-21：00,篩選了北京地區典型氣象(設計典型)年逐時氣象參數在該時間段的逐時氣象數據。

回收能量的計算：

任意室外溫度tj下的回收能量

式中：Q(tj)為任意室外溫度tj下的回收能量,k J;ρ為空氣密度,kg/m3;C p為空氣定壓比熱容,k J/(kg?K)。

總回收能量

式中：Q為總回收能量,k J。

3.2 機組應用的節能效果

表1中列出了計算得的機組全年運行效率及回收能量,可見熱回收機組回收的排風能量是顯著的,而且冬、夏季的季節溫度效率分別為66.08%、55.43%,能保證在設計目標的高效率下運行。冬季回收能量為210GJ,夏季回收能量為34GJ,將其約合為常見的能源形式,按煤的燃燒熱值20.9 MJ/kg、天然氣的燃燒熱值35.6 MJ/m3、電能按3.6 MJ/kWh計,則冬季回收能量約合 10 t煤、5 910 m3天然氣、58 445 kWh電,夏季回收能量約合1.7 t煤、980 m3天然氣、9 693 kWh電。

機組回收的排風能量,冬季與夏季相差較大,這是因為熱管式余熱回收機組回收顯熱的效果明顯。在北京地區,冬季空調排風中可供回收的余熱中顯熱所占比例較大,故冬季使用熱管式熱回收裝置節能效果優于夏季[2,16]。

4 結 論

1)提出了熱管式熱回收機組在不同季節動態工況下的換熱性能的評價指標——季節溫度效率,并推導出了它的計算公式。

2)熱管式熱回收機組在商場空調系統中全年運行的節能顯著,冬季回收能量210GJ,夏季回收能量34GJ。且冬季季節溫度效率為66.08%,夏季季節溫度效率為55.43%,能保證在設計目標的高效率下運行。

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