轉(zhuǎn)輪式排風(fēng)熱回收型空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性分析

羅 絨,黃 翔,靳貴銘

(西安工程大學(xué),陜西西安710048)

1 前 言

目前,建筑能耗已占到全國能源消耗的近30%,建筑節(jié)能不僅是經(jīng)濟(jì)問題,而且是重要的戰(zhàn)略問題。建筑能耗中采暖和空調(diào)的能耗比重約占50%。空調(diào)系統(tǒng)在改善人類生產(chǎn)、工作和生活環(huán)境的同時,也在消耗著大量的礦物燃料,全球氣候變暖和大氣臭氧層破壞等環(huán)境問題都與空調(diào)及制冷行業(yè)有關(guān),由此可見:空調(diào)節(jié)能技術(shù)是建筑節(jié)能中的一個重要組成部分,也是 “十二五”節(jié)能減排工作的一個重要的 “節(jié)能”方向,采用環(huán)保的空調(diào)技術(shù)也是促進(jìn) “減排”工作中的一個組成部分。

空調(diào)系統(tǒng)耗能特點(diǎn)之一是系統(tǒng)同時存在供熱 (冷)和排熱 (冷)的處理過程,如果能將需排掉的熱 (冷)量移向需熱 (冷)的地方,即熱能回收,就能有效地利用能源[1],減少對城市的熱污染;用排風(fēng)中的余冷與余熱來預(yù)處理新風(fēng),就可以減少處理新風(fēng)所需的能量,降低機(jī)組負(fù)荷[2]。本文通過利用轉(zhuǎn)輪式顯熱熱回收器回收空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)中的熱(冷)量來處理新風(fēng),達(dá)到節(jié)能的目的。

2 轉(zhuǎn)輪式熱回收器的結(jié)構(gòu)及工作原理

在空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷中,新風(fēng)負(fù)荷所占比例比較大,一般占空調(diào)總負(fù)荷的20%～30%。為保證室內(nèi)的新風(fēng)要求,空調(diào)運(yùn)行時要排走室內(nèi)部分空氣,必然會帶走部分能量,而同時又要投入能量對新風(fēng)進(jìn)行處理。如果在系統(tǒng)中安裝轉(zhuǎn)輪式顯熱熱回收裝置,用排風(fēng)中的能量來處理新風(fēng),就可減少處理新風(fēng)所需的能量,降低機(jī)組負(fù)荷,提高空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[3]。

轉(zhuǎn)輪式熱回收器是一種外形似圓盤,內(nèi)部裝填一定數(shù)量的蜂巢狀芯材 (鋁箔)的轉(zhuǎn)動式空氣-空氣換熱器,如圖1。排風(fēng)由轉(zhuǎn)輪一側(cè)的入口吸入,將所含的部分冷量 (熱量)傳遞給轉(zhuǎn)輪,而新風(fēng)從轉(zhuǎn)輪的另一側(cè)吸入,轉(zhuǎn)輪以0.01～10r/min的速度旋轉(zhuǎn),將積蓄在轉(zhuǎn)輪上的冷量 (熱量)傳遞給新風(fēng)[4]。

圖1 轉(zhuǎn)輪式熱回收器工作原理圖

3 建筑概況及空調(diào)要求

南京市某高級辦公樓,空調(diào)面積4000m2,房間要求的最大送風(fēng)量為6000m3/h;夏季空調(diào)要求:房間空調(diào)要求為溫度 tNx=26℃,相對濕度 ψx=50%,顯熱負(fù)荷15kW,潛熱負(fù)荷0.0013kg/s,送風(fēng)溫度為tOx=19℃;冬季空調(diào)要求:房間空調(diào)要求為溫度tNd=20℃,相對濕度 ψd=50%,顯熱負(fù)荷-4.8kW,潛熱負(fù)荷0.0013kg/s,送風(fēng)溫度為tod=27℃;則夏季和冬季空調(diào)要求的最大送風(fēng)量為 qm=6000×1.2=7200kg/h=2kg/s。

4 節(jié)能性分析計算

圖2是轉(zhuǎn)輪式排風(fēng)熱回收型空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖。從空調(diào)房間出來的空氣一部分經(jīng)過轉(zhuǎn)輪式熱回收器與新風(fēng)進(jìn)行換熱,從而對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱 (冷)處理,換熱后的排風(fēng)以廢氣的形式排出,經(jīng)過預(yù)處理后的新風(fēng)與回風(fēng)混合后再被處理到送風(fēng)狀態(tài)送入室內(nèi)。

圖2 轉(zhuǎn)輪式排風(fēng)熱回收型空調(diào)系統(tǒng)圖

當(dāng)室內(nèi)外溫差小,就沒有必要使用排風(fēng)熱回收,因而在新風(fēng)的入口處設(shè)置了一個旁通管道,在過渡季節(jié)時打開使用。

圖2中的1,2,3,4,5點(diǎn)分別代表新風(fēng)入口,新風(fēng)經(jīng)轉(zhuǎn)輪式顯熱熱回收器新風(fēng)側(cè)預(yù)處理后的出口,回風(fēng),排風(fēng)經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻段2處理后進(jìn)入轉(zhuǎn)輪式顯熱熱回收器回風(fēng)側(cè)入口,排風(fēng)出口五個狀態(tài)點(diǎn)。轉(zhuǎn)輪式熱回收器的熱效率如下[4]:

顯熱效率:

冬季

夏季

式中:

tg1—室外新風(fēng)的初始溫度,℃;

tg2—新風(fēng)經(jīng)熱回收器后的溫度,℃;

tg1′—排風(fēng)進(jìn)入熱回收器之前的溫度,℃

本文對江蘇省南京市某辦公樓夏季和冬季熱回收情況進(jìn)行節(jié)能分析,數(shù)據(jù)采用的是中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)集中的典型氣 (設(shè)計典型)年逐時參數(shù)[5],夏季7月份和冬季1月份的日平均溫度曲線圖,如圖3和4所示。

4.1 轉(zhuǎn)輪式熱回收器的顯熱熱回收

本文將轉(zhuǎn)輪式排風(fēng)熱回收型空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于江蘇省南京市某辦公樓為實例分析對象,僅對最熱月7月和最冷月1月進(jìn)行了初步分析,其中夏季運(yùn)行時間為31天,冬季運(yùn)行時間為31天,運(yùn)行方式為全新風(fēng)方式,且新風(fēng)量與排風(fēng)量相等;假設(shè)夏季在室外溫度大于28℃時開始供冷,冬季在室外溫度小于10℃時開始供暖。

設(shè)定轉(zhuǎn)輪式熱回收器的顯熱熱回收效率 ηt=70%,室外溫度為 T1,經(jīng)過轉(zhuǎn)輪式熱回收器后的溫度為T2,室內(nèi)排風(fēng)溫度為T3,經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻段2后的溫度為 T4,其中T3是恒定的值,T1,T2是時間的函數(shù)。根據(jù)轉(zhuǎn)輪式熱回收器的熱效率公式 (1)和 (2)和圖3、4的室外溫度變化曲線T1,可以得到經(jīng)過轉(zhuǎn)輪式熱回收器預(yù)冷 (熱)后T2的表達(dá)式:

夏季:

冬季:

根據(jù)圖3和圖4得到室外溫度曲線 T1(t),表達(dá)式 (3)和 (4)得到經(jīng)過轉(zhuǎn)輪式熱回收器后的溫度曲線 T2(t),室內(nèi)排風(fēng)溫度:夏季 T3x=26℃,冬季T3d=20℃,送風(fēng)溫度:夏季 Tdes-s=19℃,冬季Tdes-w=27℃,由以上參數(shù)得到夏季和冬季的顯熱熱回收節(jié)能圖見圖5和6。

圖5 夏季七月份顯熱回收節(jié)能圖

圖6 冬季一月份顯熱回收節(jié)能圖

如圖5和圖6所示,加入排風(fēng)熱回收裝置之前,空調(diào)系統(tǒng)的冷 (熱)負(fù)荷應(yīng)該為陰影部分和斜線部分的冷 (熱)量之和,加入轉(zhuǎn)輪式熱回收裝置后,空調(diào)系統(tǒng)只需提供斜線部分的冷 (熱)量,陰影部分則是所回收的能量,其中方格部分是由送風(fēng)溫差帶來的冷熱負(fù)荷量。

4.2 顯熱節(jié)能比分析

節(jié)能比是回收的能量與原來所需的能量的比值,它的比例大小是用戶十分關(guān)注的問題。

設(shè)送風(fēng)溫差為 △t,夏季T3x=Tdes-s+△t=(17+9)℃,冬季T3d=Tdes-w+△t=(20+7)℃;則按照節(jié)能比的公式[2]:

式中:

ηt—轉(zhuǎn)輪式熱回收器的熱回收效率,70%;

S△t—送風(fēng)溫差冷 (熱)負(fù)荷的面積,m2;

Stot—總冷 (熱)負(fù)荷的面積,m2

(1)夏季供冷節(jié)能比:

由于上面提到了夏季在室外溫度大于28℃時開始供冷,由圖5可以看出,7月1日-7月7日溫度均小于28℃,因此供冷時間為24天;

(2)冬季節(jié)能比:(1-0.24)=53%

從上面的計算結(jié)果可以看出,在夏季最熱月7月可回收54%的冷量和冬季最冷月1月可回收53%的熱量,顯熱熱回收效果基本上一致,可見在南方城市使用排風(fēng)熱回收裝置效果仍然很顯著,而且可以大大減少新風(fēng)熱負(fù)荷,最終達(dá)到節(jié)能的目的。

5 結(jié)論

通過對江蘇省南京市某高級辦公樓排風(fēng)熱回收空調(diào)系統(tǒng)的實際分析計算得出夏季最熱月7月和冬季最冷月1月基本上可以回收53%的冷熱量,可見利用排風(fēng)熱回收裝置回收排風(fēng)中的冷熱量是一種有效的節(jié)能方式,具有較大的節(jié)能潛力。

[1]余霞,王文,王如竹.熱管在空調(diào)中的應(yīng)用 [J].暖通空調(diào),2004,34(5):26-29

[2]袁旭東,柯瑩,王鑫.空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)熱回收的節(jié)能性分析[J].制冷與空調(diào),2007,7(1):76-81

[3]孫志高,馬榮生,李舒宏.空調(diào)系統(tǒng)熱回收節(jié)能分析[J].北京節(jié)能,2000,(2):20-22

[4]黃翔.空調(diào)工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006

[5]中國氣象信息中心氣象資料室,清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國建筑熱環(huán)境分析專象數(shù)集 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[6]黃翔.蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:474

[7]黃翔.蒸發(fā)冷卻空調(diào)理論與應(yīng)用.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010:369