冷凝排風(fēng)熱回收一體機(jī)在杭州地區(qū)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析

潘祖棟，王志毅，楊松杰，汪新民

（浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江諸暨311835）

冷凝排風(fēng)熱回收一體機(jī)在杭州地區(qū)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析

潘祖棟，王志毅，楊松杰，汪新民

（浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江諸暨311835）

冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)利用建筑排風(fēng)的冷熱量作為空調(diào)機(jī)組的冷熱源來處理新風(fēng)，具有很高的機(jī)組效率。以杭州某辦公樓為例，分析了在冷熱源采用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的系統(tǒng)中引入冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)對系統(tǒng)能耗的影響；計(jì)算得到設(shè)備使用年限內(nèi)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)投資回收期。在類似的系統(tǒng)中采用冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)具有較好的應(yīng)用前景。

排風(fēng)；熱回收；空氣源熱泵；投資回收

0 引言

伴隨著人們對于空氣品質(zhì)的重視，新風(fēng)的大量使用帶來空調(diào)系統(tǒng)的能耗問題。新風(fēng)負(fù)荷在空調(diào)負(fù)荷中所占的比例很大，在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取排風(fēng)熱回收措施在“GB 50189-2015公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”中被提出。傳統(tǒng)的新風(fēng)空調(diào)機(jī)組直接處理室外空氣，一般采用大焓差表冷器，同時(shí)需要輔助冷熱源，能耗很大，同時(shí)冷熱源效率不高[1]；空氣-空氣熱交換器排風(fēng)熱回收裝置回收排風(fēng)中的冷(熱)能對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理。可以是顯熱回收和全熱回收。由于其熱回收效率在70%左右，經(jīng)過空氣-空氣熱交換器排風(fēng)熱回收裝置處理的新風(fēng)和回風(fēng)混合后仍然需要加熱（或冷卻）處理后送進(jìn)室內(nèi)。如果能夠?qū)照{(diào)排風(fēng)中的余熱加以充分利用，相應(yīng)降低新風(fēng)處理的能耗，減小與之相關(guān)的冷熱源、輸配系統(tǒng)及管道的容量，可以降低空調(diào)系統(tǒng)的和運(yùn)行費(fèi)用，提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[2-5]。

1 冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)

冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)是利用建筑排風(fēng)作為空調(diào)機(jī)組冷凝風(fēng)的一體型全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組。

冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)將空調(diào)新風(fēng)機(jī)組和熱泵系統(tǒng)相結(jié)合（如圖1所示），充分利用建筑物的排風(fēng)能量，通過部分混合新風(fēng)，冬季提高進(jìn)入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器入口的溫度，通過換熱回收排風(fēng)的能量，利用熱泵冷凝器加熱引入室內(nèi)的新風(fēng)。

圖1 冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)系統(tǒng)流程

制冷時(shí)機(jī)組利用低溫的建筑排風(fēng)與新風(fēng)混合作為機(jī)組的冷源，因?yàn)榈蜏氐姆块g排風(fēng)，可以有效降低機(jī)組的冷凝溫度，壓縮機(jī)功耗減少，提高了能效比。

制熱時(shí)機(jī)組利用高溫的建筑排風(fēng)和新風(fēng)混合作為機(jī)組的熱源，回收房間的排風(fēng)，提高了蒸發(fā)溫度，提高了制熱量，降低了結(jié)霜溫度，擴(kuò)大了機(jī)組的運(yùn)行范圍。杭州四季分明，受冬、夏季風(fēng)交替控制，天氣狀況會發(fā)生明顯的季節(jié)性變化，形成春天陰雨、夏天潮熱、秋天干爽、冬天濕冷的四季室外氣象參數(shù)變化，空氣源熱泵冷熱水機(jī)組空調(diào)是杭州地區(qū)常見的空調(diào)形式。本文的冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)應(yīng)用分析基于杭州地區(qū)。

1.2 對空調(diào)系統(tǒng)的影響

在空氣源熱泵冷熱水機(jī)組系統(tǒng)中引入冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)后，系統(tǒng)通過熱泵技術(shù)回收排風(fēng)中的能量，減少了新風(fēng)負(fù)荷。空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷的減少相應(yīng)減少了空氣源熱泵冷熱水機(jī)組系統(tǒng)的能耗，不過冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體的引入增加了排風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量引起能耗以及壓縮機(jī)的能耗。

冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)帶來的能耗增加分為兩部分:一是排風(fēng)經(jīng)過換熱器增加的阻力，二是使用一部分新風(fēng)與排風(fēng)混合帶來的風(fēng)量增加，同時(shí)壓縮機(jī)也帶來了一部分能耗。

冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)回收的冷熱量:

式中GF，a—新風(fēng)量，kg/s；

hin—進(jìn)機(jī)組的空氣焓值，kJ/kg；

hout—出機(jī)組的空氣焓值，kJ/kg。

排風(fēng)機(jī)的能耗增加為:

式中ηFan—風(fēng)機(jī)全壓效率；

GEx—空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)量，m3/h；

GMix—室外混入風(fēng)量，m3/h；

ΔPEx—制冷劑換熱器存在增加的阻力，kPa；

PMix—室外混入風(fēng)量需要風(fēng)機(jī)克服的阻力，kPa。

空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的能耗減少:

式中COP—空氣源熱泵冷熱水機(jī)組性能系數(shù)。

冷水循環(huán)水泵的節(jié)能計(jì)算:

式中HChw，p—冷凍水泵揚(yáng)程，Pa；

ΔtChw—冷凍水供回水溫差，℃；

cChw—冷凍水比熱容，kJ/（kg·K）；

ηChw，p—冷凍水泵全壓效率。

熱水循環(huán)泵的節(jié)能計(jì)算:

式中Hhw，pump—熱水循環(huán)泵揚(yáng)程，Pa；

Δthw—熱水供回水溫差，℃；

chw—熱水比熱容，kJ/（kg·℃）；

ηhw，p—熱水泵全壓效率。

2 實(shí)際工程應(yīng)用分析

2.1 工程概述

杭州某辦公樓，建筑面積1.4萬m2，空調(diào)面積為1.21萬m2。按照使用功能，分為占75%的辦公區(qū)域和25%的公共區(qū)域。建筑層高為3.6m，建筑層數(shù)為10層，建筑體型系數(shù)為0.3，窗墻比為0.4，沒有設(shè)計(jì)外遮陽，內(nèi)遮陽采用淺色百葉窗，遮陽系數(shù)為0.51。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)等性能參數(shù)見表1。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)與負(fù)荷計(jì)算

杭州室外設(shè)計(jì)計(jì)算溫度及室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度見表2、表3。

空調(diào)使用時(shí)間為周一到周五，8:00-20：00。負(fù)荷計(jì)算數(shù)據(jù)見表4。

表2 杭州室外設(shè)計(jì)計(jì)算溫度

表3 室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度

表4 負(fù)荷計(jì)算數(shù)據(jù)

空調(diào)系統(tǒng)采用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組，制冷時(shí)間為5-9月，制熱時(shí)間為12、1、2月，空調(diào)運(yùn)行方式為室外溫度低于20℃開始制熱，室外溫度高于26℃開始制冷。新風(fēng)量為每人30m3/h，計(jì)算新風(fēng)量為33810m3/h。

辦公樓的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為1021kW，采暖負(fù)荷為590 kW。

項(xiàng)目選用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組5臺，性能參數(shù)見表5。

表5 空氣源熱泵冷熱水機(jī)組性能參數(shù)

根據(jù)新風(fēng)量33810m3/h，冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)的額定風(fēng)量為7000m3/h，選用5臺。

在運(yùn)行期間測得夏季新風(fēng)進(jìn)出口焓值分別為89.31，59.84kJ/kg；冬季新風(fēng)進(jìn)出口焓值分別為18.52，41.92kJ/kg。由公式（1）計(jì)算得到夏季新風(fēng)冷量回收為343.40kW，冬季新風(fēng)回收熱量為263.72kW。在空氣源熱泵冷熱水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)中采用冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)的年運(yùn)行能耗的變化根據(jù)公式（1）-（5）計(jì)算，結(jié)果見表6。

表6 增加冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)后空調(diào)系統(tǒng)能耗變化

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

采用的系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析計(jì)算，得到投資回收期來判斷其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

空調(diào)冷熱源初投資的減少值:

式中CPr1，CPr2—使用冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)前后空調(diào)冷熱源的初投資。

Q—空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷，kW；

ηx—空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)負(fù)荷與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷的比值，%；

pt—空氣源熱泵冷熱水機(jī)組造價(jià)（元），按照700元/kW。

冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)的初投資為:

式中pe—單位風(fēng)量價(jià)格，按照1000元/m3/h。空調(diào)冷熱源的年運(yùn)行費(fèi)用:

式中Ns—空氣源熱泵機(jī)組耗電量，kW；

ηi—空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷的比例，%；

T—空調(diào)系統(tǒng)的全年運(yùn)行時(shí)間，h；

λi—各種空調(diào)負(fù)荷下運(yùn)行的時(shí)間比例，%；

pd—電價(jià)，取1元/kW·h。

冷熱源節(jié)省的年運(yùn)行費(fèi)用:

式中C02—使用冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)前后空調(diào)系統(tǒng)空氣源熱泵的年運(yùn)行費(fèi)用；

ΔNs—使用冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)后空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備減少的功率，kW；

冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)的靜態(tài)投資回收期:

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得到冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)應(yīng)用于辦公樓的靜態(tài)回收期為3.8a。

動(dòng)態(tài)投資回收期計(jì)算可以為4.7a。

折現(xiàn)率i可以考慮行業(yè)折現(xiàn)率或者社會折現(xiàn)率，不能低于銀行貸款利率，取8%。

3 結(jié)語

冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)利用建筑排風(fēng)冷熱量作為空調(diào)機(jī)組冷凝風(fēng)，運(yùn)行高效、節(jié)能:冷凝器設(shè)計(jì)在排風(fēng)通道中，對排風(fēng)進(jìn)行熱回收，提高了設(shè)備COP值。夏季制冷工況時(shí)，利用回風(fēng)進(jìn)行冷凝，降低機(jī)組冷凝溫度，改善機(jī)組運(yùn)行工況，提高了設(shè)備的可靠性。以杭州某典型辦公樓為例，利用回收期的公式和相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得到靜態(tài)投資回收期為3.8a，動(dòng)態(tài)投資回收期為4.7a，應(yīng)用于類似地區(qū)具有較好的收益和價(jià)值。

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[5]潘際淼.一種基于熱力循環(huán)（熱泵）的全熱式新排風(fēng)熱回收空氣處理機(jī)的分析與改進(jìn)[J].建筑節(jié)能，2010，38（12）.

Economic Analysis of Condensing Exhaust Air Heat Recovery Fresh Air All-in-one Unit in Hangzhou Area

PAN Zu-dong，WANG Zhi-yi，YANG Song-jie，WANG Xin-min
（Zhejiang Dun’an Artificial Environmental Co.，Ltd，Zhuji 311835，China）

Condensing exhaustair heatrecovery fresh air all-in-one unitdeals fresh air with the heatof building exhaustairascold orheatsource and hasvery high unitefficiency.In thispaper,energy consum ption influence ofcondensing exhaustairheatrecovery fresh airall-in-one unitintroduce to the office building ofairsource heatpum p system isanalyzed. Equipm entis calculated using static and dynam ic payback period ofinvestm entin fixed num berofyear.In a sim ilarsystem condensing exhaustairheatrecovery airm achine hasvery good application prospects.

exhaust air；heat recovery；air source heat pum p；investm ent payback

TU 83

B

2095-3429（2017）02-0065-04

2016-12-19

修回日期:2017-02-13

潘祖棟（1976-），男，浙江天臺人，碩士，高級工程師，技術(shù)總監(jiān)，從事制冷空調(diào)產(chǎn)品研發(fā)管理工作。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.015