集中式熱回收空調機組在商務辦公樓中的應用

曹菲菲 張東元 徐曉玲 李 強 顧 翔

1. 上海建浩工程顧問有限公司 上海 200030；2. 上海納鐵福傳動系統有限公司 上海 201315

1 工程概述

凌空SOHO商務辦公區每臺機組新風量在22 000～41 300 m3/h之間，采用集中排風系統。夏天與冬天的室外通風溫度的設計參數分別為34.2 ℃和4.2 ℃，新風與排風之間溫差大于8 K，根據《公共建筑節能設計標準》GB 50189—2005，故采取熱回收空調機組。

《空氣-空氣能量回收裝置》GB/T 21087—2007中指出，能量回收通風裝置是以能量回收總體為核心，通過通風換氣實現排風能量回收功能的設備組合。顯熱交換裝置和全熱交換裝置是新風和排風之間同時產生顯熱和潛熱交換的裝置。能量回收功能的裝置習慣稱為能量回收機組或熱回收機組，將排風中的冷（熱）量傳給送風的能量轉移設備。綜合考慮經濟因素和現場施工實際情況，凌空SOHO辦公樓采用轉輪式熱回收空調系統，其熱回收效率高達70%[1,2]。

2 轉輪式熱回收機組的組成和原理

2.1 轉輪式熱回收機組的組成

轉輪式熱回收機組由新風送風機、排風機、熱回收轉輪、冷暖盤管、水力動態平衡及水量調節一體閥、汽化噴霧、新風及排風風閥、新風初效過濾網及中效過濾網、靜電除塵、排風過濾網等組成。

本工程新風過濾采用三級過濾：初效過濾、中效過濾、靜電除塵。初效過濾采用板式過濾，初阻力≤80 Pa，終阻力≤100 Pa，5.0 μm過濾效率20%≤E≤80%；中效過濾采用袋式過濾，初阻力≤80 Pa，終阻力≤100 Pa，1.0 μm過濾效率20%≤E≤70%。靜電除塵采用Honeywell空氣凈化消毒裝置，靜電除塵采用正電暈，高壓直流電場使得空氣中的氣體分子電離成大量電子和正離子，正離子進入電暈外區和塵粒相撞，使塵粒帶上正電荷，并快速匯集到帶負電荷的集中板上，電子集塵器運用電流型PWM高頻變換技術，能吸附小于0.3 μm的灰塵和病菌。在8 200 V高壓作用下可以瞬間擊穿細菌的細胞壁，從而殺滅細菌。電子集塵器釋放適當臭氧，能殺滅空氣中的細菌，釋放離子氧，能殺菌、凈化空氣。

靜電除塵設備除塵率97%、殺菌率99%、除煙率95%。靜電除塵設備靜壓損失25 Pa，在額定風量下，凈化模塊截面風速1.36～2.11 m/s。

2.2 轉輪

2.2.1 轉輪機構

轉輪是熱回收空調機組的核心部件（圖1），轉輪以特殊復合纖維或鋁合金箔為載體，覆以蓄熱吸濕材料。鋁合金箔具有良好的導熱性，鋁箔表面通過特殊工藝均勻鍍上1層低微孔尺寸的分子篩干燥劑，即沸石分子篩（直徑0.4 nm），它僅允許直徑0.3 nm的水分子通過，其他污染物留在排風中。

鋁合金箔加工成波紋狀和平板狀形狀，然后按1層平板狀1層波紋狀相間卷繞成1個圓柱形的蓄熱芯體，在層與層之間形成許多蜂窩狀的通道，即空氣流道。轉輪端面平整度在1 mm以內。

2.2.2 內置凈化裝置

內置凈化裝置具有空氣流隔離功能，將新風與排風氣流隔離，防止新風和排風交叉污染，防止細菌、灰塵、污染物從排風側攜帶進新風側，限制交叉污染的排風濃度在0.04%范圍內。

圖1 轉輪及轉輪內部結構示意

2.2.3 清潔扇

轉輪設置可調式內置清潔扇清洗部件，免清潔。

2.2.4 轉輪轉動

轉輪由馬達通過皮帶輪控制其轉動，一般以20 r/min的速度緩慢旋轉。在1.5 m/s的風速轉動時，熱回收效率≥75%。

2.3 轉輪式熱回收空調工作原理

轉輪作為蓄熱載體，新風通過顯熱型轉輪的一個半圓，排風同時逆向通過轉輪的另一個半圓（圖2）。冬季室外的環境是低溫低濕，室內是高溫熱風。排風時，將蓄熱載體加熱，當轉輪轉到新風側時，芯體將熱量釋放給新風，新風溫度升高；同時，高溫中的水分被芯體分子篩吸附，當轉輪轉到新風側時，水分向低溫的新風擴散，吸附水分的新風隨之被送到室內，從而回收了潛熱[3-5]。

圖2 轉輪工作示意

夏季室外的環境是高溫高濕，而室內是低溫低濕，在排風的熱回收過程中，排風側轉輪的蓄熱載體被排風冷卻，當轉輪轉到新風側時，對新風進行降溫，從而回收了顯熱；在新風側，高濕的熱風中的水分被分子篩吸附，當轉輪轉到排風側時，水分隨排風擴散，一起排至室外。

綜上所述，新風和排風利用轉輪式熱回收機組進行能量交換，從而達到節能的目的。在夏天熱回收機組可以將新風預冷及除濕，在冬天可以將新風進行預熱及加濕，其轉換效率達到75%以上，從而降低系統新風負荷（圖3）。

圖3 轉輪式熱回收空調工作原理示意

3 集中式熱回收空調系統

3.1 熱回收空調系統布局

凌空SOHO內1#～4#樓辦公區域共采用24臺集中式熱回收空調機組，熱回收空調機組安裝在頂層，每臺機組由水平風管至風井段（1 000 mm×1 000 mm）、垂直風管段（1 200 mm×1 000 mm），經過定風量閥（CAV），將新風送至2～10F的辦公區域，辦公室的回風通過每層安裝于走道的回風閥（MEV）、安裝于回風支管段的280 ℃電動手動防火閥（MEEH）及垂直回風管段（1 250 mm×800 mm）、水平回風管段（1 000 mm×1 000 mm）將回風送至熱回收空調機組的排風口。定風量閥（800 mm×200 mm或630 mm×200 mm）由箱體、閥片、氣囊和帶彈簧片的凸輪結構組成，保證設定風量在4%的誤差范圍內。

3.2 排風兼排煙

由于辦公室面積絕大部分超過100 m2，按照消防關于防排煙的規范要求，自然排煙要求排煙窗面積應大于建筑面積的2%，而本工程辦公室內自然排煙的排煙窗面積沒有滿足規范要求，因此，辦公室內設置機械排煙系統。為了利用風井有限空間，垂直回風管段與垂直排煙風管合用一個垂直風管（1 250 mm×800 mm），平時，垂直風管作回風管用，發生火災時，垂直風管作排煙管用。兩者之間的切換由消防自動報警系統實現。

3.3 集中式熱回收空調系統的優缺點

1）節能：集中式轉輪式熱回收空調系統將排風中的冷（熱）量傳遞給新風，熱回收效率達70%，降低了能耗。

2）占地面積小：相對于分布式空調系統，集中式熱回收空調系統機房占地面積小。凌空SOHO辦公區采用的24臺熱回收空調機組放置在10 m層（設備層），如采用分布式空調系統大約需要36臺空調機組（每臺新風量12 000～15 000 m3/h）。

3）故障影響范圍大：集中式空調系統中任一臺空調機組發生故障，便會影響2～10F的辦公區域。

4 熱回收空調系統控制

熱回收空調機組由熱交換轉輪、盤管、送風機、排風機、雙次汽化加濕器、新風閥、排風閥、初效空氣過濾器、中效空氣過濾器及靜電除塵器等組成。

建筑設備自動化系統（BAS）對轉輪、送風機、排風機、加濕器、靜電除塵器設置數字量控制點；對新風風量、送風溫濕度、回風溫濕度設置模擬量監控點；對初效空氣過濾器、中效空氣過濾器、送風機和排風機設置壓差監控點（圖4）。

圖4 熱回收空調BAS監控原理示意

1）新風閥和排風閥均通過風門驅動器與送風機、排風機連鎖。

2）溫濕度調節：夏天，由冷凍機提供的盤管的進、出水溫分別是6 ℃、12 ℃。冬天，由鍋爐提供的盤管的進、出水溫分別是60 ℃、45 ℃。根據新風的給定溫濕度以及新風送風管道上實際溫濕度自動比例調節（以模擬量0～10 V）安裝在盤管回水管上的電動調節閥開度，以及開/閉雙次汽化加濕器使得新風的溫濕度達到給定值。

3）轉輪監控：在夏季和冬季，轉輪以20 r/min的速度旋轉，利用排出的空氣與進入的空氣進行顯熱和潛熱的交換，從而回收能量。BAS對轉輪啟停控制，接受狀態信號的反饋，接受故障報警信號。在過渡季節，轉輪一般不工作，除非室外與室內的焓值相差過大。新風閥與排風閥分別與送風機、排風機連鎖工作。

4）靜電除塵：BAS對靜電除塵啟停控制，接受狀態信號的反饋，接受故障報警信號。

5）壓差監視：BAS對過濾器、排風機、送風機均設置壓差監控。

6）空調水動態平衡：本工程在空調機組回水管段安裝一體閥，既可以根據模擬輸入量進行電動閥的開度調節，也可以作為動態水力平衡閥。當壓差變化時，KV值動態調節（壓差ΔP↑→KV↓，壓差ΔP↓→KV↑）。

5 熱回收空調系統質量控制

5.1 機房設計

機房深化設計不僅要考慮到大尺寸空調機組設備安裝到位，還要考慮進風管、送風管、回風管、排風管等大尺寸風管安裝，以及后期機房內吸音棉、隔音板安裝的施工空間和配電箱、設備維護的空間。

5.2 機組就位和設備安裝要求

若是機組無法整體一次性就位，那么熱回收空調機組拆卸后的組裝應嚴格按照生產廠家的順序和要求：各功能段之間連接應嚴密平整，機組和風管之間的連接應準確無誤。一體閥（動態平衡閥+電動調節閥）應安裝在水平管段，且需滿足前10D、后5D（D是管道公稱直徑）的要求。機組下部冷凝水排放管的水封高度應符合設計要求，盤管翅片和轉輪鋁箔不應有凹口（設備就位過程中應密切關注轉輪鋁箔，不使其受損）。風管與空調水管均應采取保溫措施，保溫層熱阻應不小于0.8 m2·K/W。

5.3 風管漏風量檢測

本工程中每臺集中式熱回收機組的垂直新風管段約有40 m，水平新風管段約為10 m，回風垂直管段約有40 m、回風水平管段約為20 m。由于管道較長，風管接口的連接應嚴密牢固。風管安裝完成后應進行漏風量檢測，矩形中壓系統的漏風量：Qm≤0.035 2P0.65m3/（h·m2），式中P為風管系統工作壓力。本工程熱回收機組全壓1 344～1 402 Pa，一般工作在500 Pa≤P≤1 500 Pa中壓范圍內。

5.4 調試準備

1）清掃機房，防止雜物和灰塵吸入風機和風管中。

2）清掃機組內部，盤管翅片凹坑、轉輪鋁箔凹口處應用專用梳梳理。

3）檢查機組新風閥、排風閥驅動器安裝是否正確，檢查新風閥、排風閥驅動器與送風機、排風機連鎖線路是否正確，風閥動作是否靈活。

4）檢查轉輪轉動方向是否與機殼上箭頭標志方向一致，如不一致，應調整三相交流電源相序。

5）啟動送風機和排風機，判斷風機運轉過程中是否有異響，若有，應清除風管內部異物。

6）將支管定風量閥、辦公室新風閥及走道回風閥開啟，啟動送風機和排風機，持續一定的時間，清除送、排風支管內的垃圾。

7）對盤管供、回水管道進行清洗，一體閥手動全開。

5.5 風機風量測試

風機風量測試時，選定氣流相對穩定段，選在產生局部阻力之后4～5倍風管直徑（或風管大邊尺寸）和產生局部阻力之前1.5～2倍風管直徑（或風管大邊尺寸）的直管段上（圖5）。

應將待測定風管截面分成若干格（每方格0.05 m2），用數字風速儀測定每個方格的風速，求出平均風速，再計算出總風量∶

式中：F——測定處風管截面積，m2；

K——修正系數（依據風口不同格柵或網格而定，K=0.7～1.0）；

P——平均風速，m/s，一般每個風口測定4～5點。

送風機、排風機測出的風量誤差應小于設計風量±10%。

圖5 風速測定位置示意

5.6 空氣過濾器和靜電除塵安裝及PM2.5測試

在機組內外清洗和管道清洗的基礎上，安裝初效過濾器、中效過濾器、靜電除塵器，靜電除塵器的安裝應符合設備技術要求，其金屬外殼接地必須良好。開啟新風閥和送風機，用數字風速儀測試靜電除塵出口風速，辦公室新風風速，用PM2.5測試儀測試新風PM2.5值。

本工程業主要求PM2.5值的凈化效率高達85%。例如，2014年11月20日室外平均PM2.5值為23，打開1#～4#樓所有空調機組，測得4棟樓室內平均PM2.5值分別為2、4、4、3，空氣處理效率平均值達到86%，滿足設計要求。

5.7 DDC單點監控和單點測試調試

對送風機、排風機、轉輪、靜電除塵、汽化噴霧啟停控制，觀察送風機、排風機、轉輪、靜電除塵、汽化噴霧運行情況，靜電除塵工作情況；對盤管水閥模擬量進行調節，觀看執行器工作情況。單點監測的溫度、濕度應與其他溫濕度表測試相吻合。

5.8 熱回收空調機組調試

5.8.1 調試準備

1）冷凍機組提供6 ℃/12 ℃供回水或鍋爐提供60 ℃/45 ℃供回水。

2）樓層定風量閥按設計風量設定，送風閥全開。

3）配電箱設定在自動狀態。

4）筆記本電腦或編程器與熱回收空調機組DDC相連。

5.8.2 現場調試

1）啟動送風機、排風機連鎖打開新風閥、排風閥，打開靜電除塵；啟動DDC，轉輪轉動，調節回水電動閥、汽化噴霧。

2）設定送風溫、濕度和回風溫、濕度，如雙環調節，內環送風為反饋值，外環回風溫度為反饋值。

3）設定溫、濕度后，實際回風和送風溫、濕度經過一定時間穩定在設定值附近。如果跟蹤速度太慢，應適當提高PI的比例值；如果上下周期波動，偏差超過范圍，則降低或取消微分作用，直至系統消除振蕩。

4）空調機停止運轉時，新風閥、排風閥、調節水閥、加濕器、送排風機、轉輪均自動停止工作。

5）遠程監控：熱回收空調機組DDC通過C-Bus總線通過交換機連接至BAS服務器，通過BAS工作站遠程監控熱回收空調機組。

5.9 測試

記錄熱回收空調機組送回風的溫、濕度、新風風量、穩定時間；記錄辦公室內新風風口的風量和溫、濕度及PM2.5值；記錄過濾器、送排風機的壓差數據。機組送回風溫度與濕度誤差達到設計要求[6-8]。

為了提高熱回收空調系統熱回收效率，必須加強對機房的深化設計、機組安裝、大尺寸風管安裝、一體閥的安裝、漏風量測試、風量測試、系統調試和測試等環節的質量控制。為了熱回收空調系統運行達到設計要求，承包商必須編寫調試大綱，先進行單體調試，后機組綜合調試、遠程控制，調試合格后試運行，最終方可進行系統驗收。

6 結語

凌空SOHO為積極響應國家對節能、減排的號召，均選用高效率的冷熱源機組、風機及水泵，降低空調通風系統和水系統的阻力，使得空調系統風機的耗功率和冷熱水系統的能效比符合《公共建筑節能設計標準》。不僅如此，本工程在商務辦公區利用熱回收空調機組對新風進行預熱（或預冷）處理，降低新風負荷，并且利用空調機組內的三級過濾有效降低室內的PM2.5含量，達到了節能與健康舒適的雙重標準。