大空間建筑冬季熱回收利用的節(jié)能分析

謝方祥 雷 波 余 濤

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大空間建筑冬季熱回收利用的節(jié)能分析

謝方祥 雷 波 余 濤

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

大空間建筑冬季易出現(xiàn)垂直溫度分層現(xiàn)象，根據(jù)這一特點(diǎn)，提出將上部空間熱空氣直接抽送至人員活動(dòng)區(qū)的熱回收方案，建立上下區(qū)域的溫度差與熱回收風(fēng)量之間的權(quán)衡關(guān)系，獲得了該方案下的理論最優(yōu)熱回收風(fēng)量區(qū)間。并通過(guò)典型鐵路客站公共區(qū)域的模擬計(jì)算，表明了實(shí)際最優(yōu)熱回收風(fēng)量是在理論最優(yōu)熱回收風(fēng)量區(qū)間內(nèi)，得到了其熱回收的節(jié)能潛力。

大空間建筑；溫度差；熱回收風(fēng)量；節(jié)能潛力

0 引言

為了追求建筑美觀以及擁有更好的采光性能，玻璃幕墻、大型采光天窗、透光膜等材料被廣泛的應(yīng)用到大空間建筑中。這些材料的大面積使用，導(dǎo)致太陽(yáng)輻射、冷風(fēng)滲透等因素對(duì)室內(nèi)空間熱環(huán)境影響更大，形成的熱壓與風(fēng)壓對(duì)室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的作用更加明顯。在冬季下午時(shí)刻，整個(gè)空間沿垂直方向形成明顯的熱分層，上部空間的溫度比人員活動(dòng)區(qū)的溫度常高3℃以上[1]。目前，許多大空間建筑的節(jié)能研究?jī)H注重如何降低熱分層對(duì)負(fù)荷的影響，如利用大空間結(jié)構(gòu)邏輯與溫度分層結(jié)合的節(jié)能策略[2]、利用熱壓通風(fēng)降低制冷設(shè)備的冷量[3]等，并未涉及對(duì)上部空間空氣的熱量直接回收利用。通常，上部空間空氣的熱量經(jīng)由建筑傳熱損失掉或者利用自然通風(fēng)排出室內(nèi)，造成熱量的浪費(fèi)。

針對(duì)這一現(xiàn)象，本文提出一種將上部空間“高溫”氣體直接抽送至人員活動(dòng)區(qū)的熱回收方案，并對(duì)該方案下實(shí)際節(jié)約的能耗與溫度差的關(guān)系進(jìn)行分析，確定熱回收的風(fēng)量參數(shù)，得到其節(jié)能潛力。

1 熱平衡分析

將整個(gè)空間沿豎直方向劃分為人員活動(dòng)區(qū)與上部空間，人員活動(dòng)區(qū)的高度保證人員和設(shè)備的熱環(huán)境需求，一般可設(shè)置為2m[5]。設(shè)置虛擬面作為分隔上部空間與人員活動(dòng)區(qū)的邊界（見(jiàn)圖1），但不影響人員活動(dòng)區(qū)與上部空間之間空氣的流動(dòng)、各項(xiàng)熱擾的分布、室內(nèi)表面的長(zhǎng)波互輻射、進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射在內(nèi)表面上的分布等[6]。基于區(qū)域空氣熱平衡原理，將人員活動(dòng)區(qū)與上部空間各視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以節(jié)點(diǎn)計(jì)算溫度作為各區(qū)域的平均溫度。

當(dāng)開(kāi)啟熱回收時(shí)，人員活動(dòng)區(qū)與上部空間之間的氣流運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)因素分為兩類(lèi)：一類(lèi)是由采暖送風(fēng)系統(tǒng)射流與熱回收機(jī)械循環(huán)作用下的氣流運(yùn)動(dòng)，另一類(lèi)是受滲透、室內(nèi)熱源與太陽(yáng)輻射直射、散射的共同作用，導(dǎo)致人員活動(dòng)區(qū)與上部空間的空氣存在密度差，從而引起的氣流運(yùn)動(dòng)。在這兩種氣流運(yùn)動(dòng)的共同作用下，人員活動(dòng)區(qū)與上部空間的熱平衡如圖1所示。

圖1 開(kāi)啟熱回收時(shí)的熱平衡示意圖

由于可以通過(guò)調(diào)整采暖供熱量Q保證人員活動(dòng)區(qū)的熱環(huán)境需求，故在理想工況下，人員活動(dòng)區(qū)的溫度在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)可認(rèn)為不改變，都為采暖設(shè)計(jì)溫度t。此時(shí)人員活動(dòng)區(qū)空氣的熱平衡方程為：

而上部空氣溫度t受人員活動(dòng)區(qū)的氣流運(yùn)動(dòng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失、熱循環(huán)作用的影響。

故建立上部空間空氣的熱平衡方程：

式中，Q為室內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量；Q為人員活動(dòng)區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量；Q為上部空間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量；Q為人員活動(dòng)區(qū)的冷風(fēng)滲透熱損失；Q為上部空間的冷風(fēng)滲透熱損失；Q為熱回收提供至人員活動(dòng)區(qū)的熱量；Q為人員活動(dòng)區(qū)與上部空間輻射、對(duì)流轉(zhuǎn)移的總凈熱量，包含采暖送風(fēng)由于熱空氣浮升力作用導(dǎo)致直接流入上部空間的部分熱量、受熱循環(huán)作用影響而增加的流動(dòng)熱量、人員活動(dòng)區(qū)與上部空間空氣自然流動(dòng)換熱量和人員活動(dòng)區(qū)與上部空間凈輻射換熱量；V為上部空間體積；為空氣比熱容；為空氣密度。

上述8個(gè)熱量參數(shù)共同建立了人員活動(dòng)區(qū)與上部空間的熱平衡，由于熱回收風(fēng)量的變化，即Q值在變化，其他熱量參數(shù)也隨之改變。但由于采用熱回收技術(shù)的最終目的是降低采暖能耗，故只需分別獲得無(wú)熱回收與采用熱回收的采暖供熱量，即可通過(guò)兩者的差值說(shuō)明熱回收技術(shù)的節(jié)能性。

2 熱回收理論計(jì)算

在冬季，熱回收的開(kāi)啟必須滿(mǎn)足條件：人員活動(dòng)區(qū)需要采暖來(lái)保證熱環(huán)境需求，同時(shí)上部空間空氣溫度高于人員活動(dòng)區(qū)的空氣溫度。而實(shí)際是否采用熱回收技術(shù)除了必須滿(mǎn)足上述條件外還取決于通過(guò)熱回收減少的采暖能耗是否大于熱回收風(fēng)機(jī)運(yùn)行的能耗，且應(yīng)盡可能保證兩者的差值越大，同時(shí)還需要具有合理的投資回收期。當(dāng)上部空間與人員活動(dòng)區(qū)存在較大的溫度差時(shí)，從理論上分析采用熱回收所帶來(lái)的最大熱量為：

式中，為熱回收風(fēng)量，m3/s；Δ為上部空間與人員活動(dòng)區(qū)的溫差，℃。

若采用空氣源熱泵采暖，提供同等的熱量所需能耗為：

式中，為空氣源熱泵冬季平均能效比。

而在熱回收過(guò)程中，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗為：

式中，為風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率；為整個(gè)熱回收管路阻抗，kg/m7。

從節(jié)能的角度出發(fā)，應(yīng)用熱回收技術(shù)必須滿(mǎn)足條件：熱回收風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗N不得大于提供同等熱量的熱泵運(yùn)行能耗N。根據(jù)式（4）、（5）得：

從式（6）可得到熱回收風(fēng)量與溫度差Δ的權(quán)衡關(guān)系。

由于室外氣象參數(shù)、太陽(yáng)輻射等因素的影響，上部空間與人員活動(dòng)區(qū)溫差是逐時(shí)變化的，為了保證熱回收技術(shù)的應(yīng)用是節(jié)能的，根據(jù)式（8）可知熱回收的風(fēng)量也應(yīng)該逐時(shí)變化，故必然存在對(duì)應(yīng)溫差Δ下的熱回收風(fēng)機(jī)允許運(yùn)行的最大風(fēng)量（ΔT）。此時(shí)實(shí)際節(jié)約的能耗為：

豎直空間的溫度差Δ是已知的，結(jié)合式（9）表明Δ是關(guān)于熱回收風(fēng)量的三次函數(shù)，求導(dǎo)為：

綜上，冬季上部空間熱空氣回收利用的權(quán)衡關(guān)系與最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)范圍如圖2所示。

圖2 熱回收風(fēng)量與溫度差的權(quán)衡關(guān)系

3 算例

鐵路客站具有空間大、人員流動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，受太陽(yáng)輻射影響大，熱分層現(xiàn)象明顯。因此，選擇以典型鐵路客站作為計(jì)算對(duì)象，進(jìn)行熱回收的模擬計(jì)算。設(shè)定典型客站的尺寸長(zhǎng)40m，寬100m，高16m，坐北朝南分布，將其沿豎直方向劃分為4層，分別以高度2m、5m、6m、3m作為劃分區(qū)間，定義為人員活動(dòng)區(qū)、中間層1、中間層2、頂部，并以拉薩氣象參數(shù)作為計(jì)算條件。采用Energy plus的多區(qū)域模型模擬計(jì)算得到冬季頂部與人員活動(dòng)區(qū)的逐時(shí)最大溫差ΔT為13.9℃，而開(kāi)啟熱回收的最小溫差條件必須保證熱回收技術(shù)的應(yīng)用具有意義，故在本文中設(shè)定頂部與人員活動(dòng)區(qū)的溫差Δ≥1.5℃時(shí)開(kāi)啟熱回收，即開(kāi)啟熱回收時(shí)的頂部與人員活動(dòng)區(qū)的最小溫差ΔT=1.5℃。

根據(jù)計(jì)算模型，設(shè)定拉薩冬季空氣源熱泵平均能效比按照2.5計(jì)算[7]，熱回收管路阻抗為20kg/m7，熱回收風(fēng)機(jī)最大運(yùn)行效率取90%，得到：

進(jìn)而根據(jù)公式（8）可得頂部與人員活動(dòng)區(qū)最小溫差下允許運(yùn)行的最大熱回收風(fēng)量為：

熱回收理論允許運(yùn)行的最大熱回收風(fēng)量為：

圖3表明當(dāng)熱回收開(kāi)啟控制條件不變時(shí)，隨著熱回收風(fēng)量增大，熱回收的實(shí)際節(jié)能率（熱回收實(shí)際節(jié)約能耗與無(wú)熱回收時(shí)能耗的比值）呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。在熱回收風(fēng)量為15～20m3/s時(shí)，其實(shí)際節(jié)能率最大，為1.89%。同時(shí)該熱回收風(fēng)量也在理論計(jì)算的最優(yōu)區(qū)間7～20m3/s內(nèi)，符合理論計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明了實(shí)際計(jì)算得到的最優(yōu)熱回收風(fēng)量范圍15～20m3/s可以作為風(fēng)機(jī)最合理的運(yùn)行參數(shù)。

圖3 不同熱回收風(fēng)量下的節(jié)能率

4 結(jié)論

[1] 陳雷,任榮.不同分層高度下的空調(diào)室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測(cè)分析[J].制冷與空調(diào),2010,24(2):68-70.

[2] 李傳成.大空間建筑通風(fēng)節(jié)能策略[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

[3] 林凱.高大空間熱分層實(shí)測(cè)與熱壓通風(fēng)冷卻潛力[J].建筑節(jié)能,2017,45(2):1-6.

[4] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

[5] 宋芳婷.中庭熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬方法研究[D].北京:清華大學(xué),2004.

[6] 李欣林.拉薩地區(qū)空氣源熱泵供暖應(yīng)用研究[D].重慶:重慶大學(xué),2014.

[7] 李立山.EnergyPlus對(duì)被動(dòng)太陽(yáng)房熱環(huán)境模擬準(zhǔn)確性研究[J].制冷與空調(diào),2016,30(6):720-723.

[8] 高軍.建筑空間熱分層理論及應(yīng)用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[9] Yong Wang,Kelvin K.L. Wong,Design configuration for a higher efficiency air conditioning system in large space building[J]. Energy and Building, 2014,(72):167-176.

[10] 殷維.建筑自然通風(fēng)利用率預(yù)測(cè)與節(jié)能評(píng)估模型研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2009.

Energy Saving Potential Analysis of Heat Recovery in Large Space Building in Winter

Xie Fangxiang Lei Bo Yu tao

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

The vertical temperature stratification is found in public area of large space building in winter. According to this characteristic, the heat recovery scheme is that pumps directly the upper space of hot air to the personnel activity area. The relationship between the temperature difference and the ventilation rate of heat recovery is determined, and the optimal range of heat recovery parameters is obtained. Adopting simulation calculation of the typical railway station model, it is proved that the actual optimum air volume of heat recovery is in range of the theoretical optimum air volume, and the energy saving potential of heat recovery is received.

large space building; temperature difference; heat recovery air volume; energy saving potential

1671-6612（2018）01-050-04

TU83

A

謝方祥（1992-），男，在讀碩士研究生，E-mail：fangxiangxie@163.com

雷 波（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：lbswjtu@163.com

2017-06-13