上海市某商業(yè)建筑排風(fēng)熱回收系統(tǒng)節(jié)能性分析

鄔佳佳 劉東

同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院

隨著綠色低碳節(jié)能建筑的發(fā)展，建筑節(jié)能越來越受到人們的重視。空調(diào)系統(tǒng)作為整個建筑的主要能耗大戶，其節(jié)能性和經(jīng)濟性也越來越被人們所關(guān)注，而在空調(diào)系統(tǒng)總負(fù)荷中新風(fēng)負(fù)荷占比較大，約為 30%～50%，在一些人員密集的公共建筑內(nèi)區(qū)，新風(fēng)負(fù)荷所占比例更高，甚至可以達到70%以上[1]。為了能有效減少新風(fēng)負(fù)荷，《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）中規(guī)定：設(shè)有集中排風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較合理時,宜設(shè)置空氣-空氣能量回收裝置[2]。排風(fēng)熱回收技術(shù)作為一種常用的節(jié)能技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用于工程項目中，它可以回收和利用排風(fēng)中蘊含的冷熱量，對新風(fēng)進行預(yù)處理，減小新風(fēng)負(fù)荷，使用合理時能夠起到節(jié)約能源的作用。本文以上海市某商業(yè)建筑的排風(fēng)熱回收系統(tǒng)為研究對象，分析排風(fēng)熱回收技術(shù)的節(jié)能性。

1 熱回收裝置的節(jié)能特性

熱回收裝置根據(jù)能量回收的形式，主要可以分為全熱回收和顯熱回收。常用的全熱回收裝置有板翅式和轉(zhuǎn)輪式熱回收裝置，顯熱回收裝置有板式，熱管式及中間冷媒式熱回收裝置。

熱交換效率是評價熱回收裝置節(jié)能性的重要指標(biāo)，分為全熱回收效率，顯熱回收效率及潛熱回收效率，在工程設(shè)計中關(guān)注較多的是前兩者。

式中：Gs為新風(fēng)的質(zhì)量流量，kg/s；Gmin為送風(fēng)和排風(fēng)較小的氣流率，kg/s；T1為室外新風(fēng)溫度，℃ ；h1為室外新風(fēng)焓值，k J/kg；T2為新風(fēng)經(jīng)預(yù)處理后的溫度，℃ ；h2為新風(fēng)經(jīng)預(yù)處理后的焓值，kJ/kg；T3為室內(nèi)排風(fēng)溫度，℃ ；h3為室內(nèi)排風(fēng)焓值，kJ/kg。

假設(shè)新排風(fēng)量相等時，式（1）、（2）可以簡化為：

當(dāng)新排風(fēng)量相等時，全熱回收裝置回收的熱量Qh、顯熱回收裝置回收的熱量Qt可以表示為：

值得注意的是：1）文獻[3]指出排風(fēng)熱回收裝置使用與否，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H溫濕度、空調(diào)運行時間來分析計算，合理選擇熱回收方式[3]。現(xiàn)有的對于排風(fēng)熱回收系統(tǒng)節(jié)能性研究的案例許多都是僅僅計算設(shè)計工況下的平均熱回收量，結(jié)果往往偏大。實際上室外新風(fēng)狀態(tài)參數(shù)是個變量，絕大多數(shù)時間系統(tǒng)都不在設(shè)計工況下運行，因此，按照全年逐時的室外氣象參數(shù)動態(tài)計算系統(tǒng)節(jié)能量更加合理[4]。因此，式（5）中的h1應(yīng)當(dāng)為室外新風(fēng)的逐時焓值，公式(6)中的T1應(yīng)當(dāng)為室外新風(fēng)的逐時干球溫度。2）在實際工程項目中，排風(fēng)量經(jīng)常小于新風(fēng)量，當(dāng)排風(fēng)量與新風(fēng)量的比值過小時，換熱效率會大幅降低，熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟性會變差。《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[5]中提供了某型號顯熱型轉(zhuǎn)輪熱回收裝置選型圖，由選型圖看出，當(dāng)排風(fēng)量與新風(fēng)量的比值變化時，熱回收裝置的效率也是隨之變化的，排風(fēng)量與新風(fēng)量的比值越小，熱回收效率也越小。根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，當(dāng)新排風(fēng)量不等的時候，熱交換效率近似等于新排風(fēng)量相等時的熱回收效率乘以排風(fēng)量與新風(fēng)量的比值。因此在實際工程中，如果排風(fēng)量與新風(fēng)量不相等，計算系統(tǒng)的熱回收量時則需要根據(jù)廠家提供的熱回收裝置的選型圖對熱回收效率進行修正，但考慮到系統(tǒng)的節(jié)能性，建議設(shè)置旁通風(fēng)管調(diào)節(jié)風(fēng)量。

2 項目概況及節(jié)能分析

2.1 項目概況

本項目位于上海市，為商業(yè)建筑，總建筑面積約為55000 m2，地下兩層，主要為車庫及設(shè)備用房，地上四層，主要為零售及餐飲。該項目冷源采用離心式電制冷冷水機組，熱源采用燃?xì)鉄崴仩t。

表1 為室內(nèi)設(shè)計參數(shù)。

表1 主要功能房間空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

空調(diào)運行時間：9:00-22:00。全年：制冷季 5 月 15日-9 月15日，供熱季 11 月15 日-次年3 月15 日。

2.2 排風(fēng)熱回收節(jié)能潛力分析

本項目總新風(fēng)量為 216000 m3/ h，集中排風(fēng)量為164400 m3/ h。由于商業(yè)中餐飲面積占比較大，內(nèi)區(qū)較多，因此新風(fēng)負(fù)荷在總冷負(fù)荷中占比較大，約為 52%。可見該商業(yè)建筑的新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大。

由《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[6]可得上海市典型氣象年的全年逐時干球溫度、焓值等氣象參數(shù)，見圖1 及圖2。

圖1 上海市典型氣象年逐時干球溫度

圖2 上海市典型氣象年逐時焓值變化圖

圖3 供冷季總供冷時長與室外新風(fēng)焓值及溫度大于室內(nèi)的時長的對比

圖4 供熱季總供熱時長與室外新風(fēng)焓值及溫度小于室內(nèi)的時長的對比

圖3、圖 4 分別列出了供冷（熱）季總時長與室外新風(fēng)焓值及溫度大（小）于室內(nèi)時長的對比圖。

由圖 3 圖4 中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出在供冷（熱）季，室外新風(fēng)焓值及溫度大（小）于室內(nèi)的時長均占到供冷（熱）總時長的60%以上。室外新風(fēng)焓值大（小）于室內(nèi)的時長在供冷（熱）季總時長的占比更是達到了85%以上，分別為86%和96%，而室外新風(fēng)溫度大（小）于室內(nèi)的時長在供冷（熱）季總時長的占比分別為63%和99%。可見上海地區(qū)使用熱回收裝置的節(jié)能潛力很大。

根據(jù)該建筑空調(diào)運行時間及室內(nèi)設(shè)計參數(shù)可計算出在供熱季及供冷季單位體積風(fēng)量新風(fēng)的逐時全熱負(fù)荷及顯熱負(fù)荷，見圖5。

圖5 單位體積風(fēng)量的新風(fēng)逐時全熱負(fù)荷及顯熱負(fù)荷

由圖 5 可以看出供熱季新風(fēng)負(fù)荷中顯熱負(fù)荷占比較高，而在供冷季新風(fēng)負(fù)荷中潛熱負(fù)荷占比較大，經(jīng)計算，夏季單位體積流量新風(fēng)最大潛熱負(fù)荷可以達到43 W/(L/s)，此時潛熱負(fù)荷占新風(fēng)全熱負(fù)荷的 80%，其中在供冷季單位體積流量新風(fēng)全熱負(fù)荷中潛熱負(fù)荷占比達到 50%以上的時間占到總供冷時間的 60%以上，因此綜合來看在上海地區(qū)使用全熱回收裝置更加適合。

2.3 熱回收量計算

以下分別計算該項目使用全熱回收裝置和顯熱回收裝置的熱回收量。因本項目過渡季熱回收系統(tǒng)不運行，為避免增加系統(tǒng)能耗，故設(shè)置旁通風(fēng)管，同時新、排風(fēng)量不相等時，通過旁通風(fēng)管調(diào)節(jié)風(fēng)量。

1）采用全熱回收裝置的熱回收量

若本項目采用轉(zhuǎn)輪式全熱回收裝置，全熱回收效率為 60%，根據(jù)式（3）可以計算出使用熱回收裝置對新風(fēng)進行預(yù)處理后的新風(fēng)焓值，圖 6、圖 7 分別為供冷季及供熱季室外新風(fēng)逐時焓值與經(jīng)預(yù)處理后的新風(fēng)逐時焓值的對比圖。

圖6 供冷季室外新風(fēng)逐時焓值與經(jīng)預(yù)處理后的新風(fēng)逐時焓值的對比圖

圖7 供熱季室外新風(fēng)逐時焓值與經(jīng)預(yù)處理后的新風(fēng)逐時焓值的對比圖

由圖6、圖7 可以看出，在使用了全熱回收裝置后，室外新風(fēng)的焓值顯著降低，新風(fēng)焓值曲線變得平緩，并且室外新風(fēng)的焓值越高，經(jīng)全熱回收裝置處理的效果越明顯，這對于新風(fēng)負(fù)荷占比較大的商業(yè)建筑來說節(jié)能效果顯著。

由于室外新風(fēng)焓值是時間的函數(shù)，在全年空調(diào)使用時間內(nèi)，對于室外新風(fēng)焓值常采用逐時焓值法進行處理。

結(jié)合式（5）式可得使用全熱交換器時的夏季和冬季熱回收量QS和Qw：

式中：h1(t) 為氣象參數(shù)確定的室外逐時平均焓值，kJ/kg；Δt為小時時間長度；n為運行的小時數(shù)。

根據(jù)式（7）～（ 8）計算可得本項目熱回收量（表2）：

表2 本項目空調(diào)季全熱熱回收量

2）采用顯熱回收裝置的熱回收量

若采用熱管式顯熱熱回收裝置，顯熱熱回收裝置效率為 70%，結(jié)合式（6）可得使用顯熱交換器時的夏季和冬季熱回收量QS和Qw：

式中：T1(t)為氣象參數(shù)確定的室外逐時平均溫度，℃ ；Δt為小時時間長度；n為運行的小時數(shù)；c為空氣的比熱容，kJ/(kg·℃)。

根據(jù)式（9）～（ 10）計算可具體得本項目的熱回收量（表3）：

表3 本項目空調(diào)季顯熱熱回收量

由表 2 可以計算出，采用全熱熱回收裝置供冷季及供熱季的回收率分別為48%和46%，由表3 可以計算出，采用顯熱回收裝置供冷季及供熱季的回收率分別為9%和42%，可見在上海地區(qū)使用熱回收裝置回收的能量很可觀，而相比顯熱回收裝置來看，采用全熱回收裝置的節(jié)能效果更加明顯。

3 結(jié)論

1）室外氣象參數(shù)是影響排風(fēng)熱回收系統(tǒng)節(jié)能性的一個重要因素，在工程設(shè)計中，不能僅根據(jù)靜態(tài)工況來分析熱回收裝置的節(jié)能性，應(yīng)當(dāng)根據(jù)項目當(dāng)?shù)厝曛饡r氣象參數(shù)結(jié)合運行時間來分析熱回收裝置的節(jié)能性。

2）根據(jù)分析上海地區(qū)冬季新風(fēng)負(fù)荷中顯熱負(fù)荷占主要部分，而夏季新風(fēng)負(fù)荷中潛熱負(fù)荷占比較大，排風(fēng)熱回收系統(tǒng)建議選用全熱回收系統(tǒng)。

3）現(xiàn)在的大型商業(yè)建筑中，餐飲面積往往占比較高同時內(nèi)區(qū)很大，新風(fēng)負(fù)荷可能占到建筑總負(fù)荷 50%甚至更高，此類建筑使用熱回收裝置的節(jié)能效果顯著。本項目中使用全熱回收裝置后，供冷季和供熱季的回收率可以達到48%和46%。