空調中分布型主動式熱回收系統的分析

王重陽 陳 恒魏玉劍張振天

1．上海電力大學

2．上海市能效中心

3．斐崴節能科技（上海）有限公司

0 引言

隨著我國經濟的迅速發展，人們對室內空氣的溫度、濕度的要求逐漸提高。暖通空調大型設備被安裝在各種公共場所和實驗室，而使電力需求大大增加。在商業建筑中，供熱、通風和空氣調節（HVAC）系統的耗電量占比達到了總耗電量的40%～60%[7]，在提倡節約用電的情況下需對一些技術進行節能改造或者創新。在夏天，空調制冷系統向室內供應冷風，同時也向大氣散發大量熱量[2]，造成了嚴重的環境污染，甚至會導致城市熱島效應。目前大多數節能方法是將這部分熱量回收再利用，例如讓其作為生活用水的熱源，由此能節約加熱生活用水所需的能源[1]。本文分析一種更為高效的節能技術，即應用在空調系統中的分布型主動式熱回收技術。

1 分布型主動式熱回收技術原理

空調系統要實現對室內環境除濕、控溫、除異味的效果，必須保證有充足的新風和合理的送風。但從余熱回收和節能角度考慮，目前暖通空調系統中普遍存在著余熱未被利用和新風加熱能耗高的現象。Konvekta將分布型主動式熱回收技術加入其中，即在系統的送風側和回風側加入熱回收盤管、一套水力模塊（換熱介質可以是水或乙二醇等）、循環泵組以及集成控制單元等設備。如圖1所示，回風側的熱回收盤管作用是將排風熱量回收到換熱介質中，送風側的換熱盤管作用是加熱新風，代替鍋爐熱源。

圖1 主動式熱回收技術簡圖流程

熱回收系統的流程：當室內熱空氣經過回風側盤管的換熱后，乙二醇或水提升一定的溫度，則可以用這部分熱量免費加熱經除濕處理后溫度較低的新鮮空氣，以達到節約原空調系統加熱能耗的目的。

2 熱回收盤管的設計

空氣橫掠盤管與換熱介質進行熱交換，擬達到最大的換熱效果，可以使換熱面積最大、換熱系數最大、保證有較大的努塞爾數和降低臨界雷諾數，使流體較早進入紊流狀態。

2.1 應用流體旋轉法強化換熱

在余熱回收中最主要的是換熱器部分，換熱器直接決定了熱量回收的效果。換熱圓管內插扭帶作為一種內插式強化換熱技術已在國內外得到廣泛研究[8]，它可以使流體旋轉流動和產生二次流，加強了流體的紊流程度，增強了換熱效果。

Konvekta盤管換熱器的布置較為靈活，新風系統和排風系統可以分開布置，不受空間因素的限制。盤管采用0．4 mm厚度的翅片，雙側特有的集管設計提供了較好的逆流換熱，雷諾數能達8 000以上，換熱溫差1℃左右。能適用于實驗室、動物房等不使用循環風的環境中，安全可靠、運行穩定。

如圖2所示，換熱介質流入盤管后，介質按照設計的管路依次流動，每一個拐點都有一個隔斷，使流體按照設定路線流動，保證換熱介質充分與盤管接觸，增強了換熱面積。同時，管路設計必須保證管內的流動為紊流，因為層流只有外層的換熱介質參與換熱，而紊流相較于層流的換熱效果更好。此外，也需保證流體在較大的雷諾數（Re）的情況下有較高的換熱效率。

圖2 熱回收盤管流動圖

以某應用為例，當天室外空氣為32℃時，空氣進入盤管進行換熱后溫度為12℃。采用Konvekta盤管換熱器，空氣與熱媒介的溫差僅為1．5℃，再提供10℃～11℃的冷凍水即可滿足除濕要求，與以往的7℃冷凍水相比，大幅提高了冷凍機的能效比。高效換熱盤管在溫差很小情況下，換熱表現依然出色。

2.2 盤管保護

在冬天室外新風溫度很低的情況下，流經盤管的乙二醇溫度也會很低。當乙二醇循環到排風側的盤管時會與室內的高溫空氣進行換熱，此時換熱器表面溫度很低，甚至低于排風的露點，此時會使盤管換熱處結霜，逐漸積累會造成排風側盤管阻塞使換熱效果降低。

為了防止熱回收盤管的凍結，Konvekta產品在熱回路和冷回路中間加入旁路，如圖1所示，將高溫的乙二醇與低溫的乙二醇混合，確保進入排風側換熱的乙二醇溫度在露點以上，對排風盤管起保護作用，使運行安全有效。

3 經典除濕系統簡介

目前，常用的除濕方法有冷凍除濕、溶液除濕、轉輪除濕三種。一般空調除濕后空氣的溫度較低，需要再次加熱才能達到送風要求，通常采用蒸汽作為熱源，其次是采用電加熱方式。這樣的空氣處理方式，雖然達到了除濕的目的，但是造成了能源的浪費。本文結合分布型主動式熱回收技術對冷凍除濕進行分析。

3.1 除濕系統工作原理

經典除濕系統如圖3所示，排風側的盤管進行余熱回收，送風側的第一組盤管將新風進行預冷降溫，第二組盤管通入冷凍水將預冷后的空氣降低至露點溫度除濕，空氣除濕后由于溫度較低需要進一步加熱，第三組盤管的作用是將余熱回收的熱量去加熱除濕后的低溫空氣，從而達到室內的送風要求。從圖中可以看出，第三組盤管完成熱交換后的低溫乙二醇通入第一組盤管，還可以有效地減少冷凍水的使用量。

圖3 經典除濕系統

3.2 加裝除濕系統后的能耗分析

圖4 實驗室的系統流程示意圖

以上海市某應用案例為例，其實驗室裝有6套Konvekta分布型主動式熱回收系統，分布靈活可以滿足各個實驗室的送風要求，本文對其中一組系統進行能耗分析。圖4為實驗室的系統流程示意圖，其中板式換熱器的作用是對系統進行補熱，當熱回收的溫度過低，無法達到對新風加熱的要求時讓其運行，從而讓新風達到目標設定的溫度。由圖4可見，當天的空氣濕度符合標準，不需要開啟表冷器進行降溫除濕，板式換熱器的開度為0%，回收的熱量可以達到加熱新風的設定溫度，節省了燃氣費用。該系統回收的熱量免費將新風從11．5℃加熱到室內要求的16．3℃，省去了鍋爐的能耗，達到了節能的效果。

3.2.1 能耗計算及分析

所需熱量：

式中：Q-換熱量（kJ）；

M-氣流質量流量（kg）；

h-氣流比焓值（kJ/kg）

焓值計算：

式中：t-空氣溫度（℃）

d-空氣含濕量（kg/kg干空氣）；

根據上海市12月某日氣候數據（圖5）對空氣焓值和能耗逐時計算，見表1。

圖5 上海市冬季某日逐時氣候數據

如圖5所示，上海冬季某日溫度和濕度隨時間不斷變化，室內要求的送風溫度為25℃，濕度為40%（＜8．5 g/kg干空氣）。通過計算，可得出當日空調系統處理新風逐時所需能耗，則逐時累加可得一天中所需的加熱能耗為4 889．07kWh。此系統的排風溫度為20℃，根據室內外溫差可得回收的熱量為2 078．50kWh。冬季各項參數見表1。

表1 冬季各項參數

根據上海市12月氣候數據(圖6)，逐日計算機組能耗和熱量回收等情況。其室內目標溫度仍為25℃，濕度為40%（＜8．5g/kg干空氣）。計算得到12月份原空調系統的熱需求量為113 958．64kWh，回收熱量為55 821．05kWh，折算出12月每臺主動式熱回收機組節省天然氣量5 629m3，節省資金約21 334元。

圖6 上海市12月氣候數據

上海市8月某日氣候數據對空氣焓值和能耗逐時計算，見圖7。

圖7 上海市夏季某日逐時氣候數據

夏季某日各項參數計算結果見表2。室內要求的送風溫度為18℃，濕度為55%（＜8．5 g/kg干空氣），計算并逐時累加獲得一天中的加熱能耗為3 108．99 kWh，回收的熱量為1 386．15 kWh。上海市8月份氣候數據見圖8。

圖8 上海市8月份氣候數據

通過8月份的能耗逐日累加，計算得出8月份原空調系統的熱需求量為83 715．96kWh，而熱回收系統達到的回收量為37 412．99 kWh。通過天然氣的熱值折算出每臺主動式熱回收空調機組每月可以節約天然氣3 773 m3，即節約燃氣費約14 298．7元。

如表3所示，通過對上海冬季和夏季典型月份的能耗計算，得出12月份的熱量需求約為113 958．64kWh，熱量的回收為 55 821．05kWh，該熱回收系統的熱回收率可達48%，當月每臺機組可為用戶節省資金約21 334元。8月的熱量需求為 83 715．96kWh，熱量的回收為 37 412．99kWh，回收率為44%，該月每臺機組可為用戶節省資金約為14 299元。由此可知，分布式主動式熱回收系統可有效對熱量進行回收，達到節能減排和節省資金的目的。

逐時能耗數據匯總見圖9，逐日能耗數據匯總見圖10。

表2 夏季各項參數

表3 能耗數據匯總

圖9 逐時能耗數據匯總

圖10 逐日能耗數據匯總

3.3 上海某應用案例實測數據分析

上海某研究中心加裝分布型主動式熱回收的能耗數據見表4，曲線見圖11。

表4 能耗數據（7-11月）

圖11 應用項目7-11月系統熱回收率

由表4能耗數據可知，上海市應用項目7～11月的實測熱需求量為1 173 945kWh，實測熱回收量為422 741kWh，熱量的平均回收率為36%，二氧化碳減排量為112 616g。此外，當室內外溫差越大，系統熱回收的效率越高。該應用項目的送風量為180 000 m3/h，Konvekta分布型主動式熱回收技術適用于新風量較大的場合。

4 總結

本文介紹了一種適用于新風量較大場合的暖通系統節能減排技術——分布型主動式熱回收技術，并通過瑞士Konvekta主動式熱回收系統及其在上海市某應用案例的實測能耗數據分析，得出以下結論：

分布型主動式熱回收技術利用空調余熱加熱除濕新風，避免了鍋爐蒸汽或電加熱的使用，有利于節能減排、保護環境。通過對上海市某應用案例實測數據分析，該系統熱回收率可達48%，冬季可以為用戶節省資金約21 334元/臺/月，夏季約14 299元/臺/月。經濟效益顯著。

分布型主動式熱回收系統能有效減少企業在能耗上的資金投入，做到不同房間不同溫濕度的控制。可應用于對除異味、溫濕度要求較高、新風量大的生產車間或者辦公樓內，如制藥廠、化工廠、實驗室、動物房等場所。該系統布置靈活、熱回收率高，具有顯著的經濟效益和社會效益。