輻射空調(diào)新風(fēng)處理方式及其能耗特性研究

王文武張建忠黃虎

1南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司

2南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院

0 前言

新風(fēng)系統(tǒng)是輻射空調(diào)重要的組成部分。新風(fēng)不僅需要滿足室內(nèi)人員衛(wèi)生需求，還承擔(dān)室內(nèi)的濕負(fù)荷。由于輻射空調(diào)大都應(yīng)用在低能耗的建筑中，相比常規(guī)空調(diào)，新風(fēng)負(fù)荷占空調(diào)總負(fù)荷的比重更大。如何降低新風(fēng)的能耗及如何使新風(fēng)系統(tǒng)更好配合輻射末端將是輻射空調(diào)能否大面積推廣的關(guān)鍵所在。

本文對輻射空調(diào)工程上常見的帶熱回收的冷卻除濕機(jī)組，帶熱回收的雙冷源新風(fēng)機(jī)組和熱泵式溶液除濕機(jī)組進(jìn)行能耗分析，以南京地區(qū)三臺新風(fēng)量各為5000 m3/h，排風(fēng)量為4250 m3/h的機(jī)組為例，研究其能耗及整體COP值。并分析三種新風(fēng)系統(tǒng)的初投資及年運(yùn)行費(fèi)用，得到了雙冷源系統(tǒng)和熱泵式溶液除濕系統(tǒng)相對于冷卻除濕系統(tǒng)的初投資回收期，為類似工程設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

1 帶熱回收的冷卻除濕機(jī)組

1.1 機(jī)組構(gòu)造及空氣處理過程示意圖

帶熱回收的冷卻除濕新風(fēng)機(jī)組原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，室外的新風(fēng)先經(jīng)過全熱交換器與室內(nèi)的排風(fēng)進(jìn)行熱交換，新風(fēng)被預(yù)冷或預(yù)熱，再經(jīng)過空氣處理段進(jìn)行深度處理，達(dá)到設(shè)計(jì)的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

圖1 帶熱回收裝置的冷卻除濕新風(fēng)機(jī)組

圖2是夏季新風(fēng)處理的過程焓濕圖，室外新風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)W先經(jīng)全熱交換器與室內(nèi)的排風(fēng)進(jìn)行熱交換，處理到狀態(tài)點(diǎn)L，為了滿足輻射空調(diào)的除濕要求，新風(fēng)再經(jīng)過表冷器進(jìn)行深度除濕，處理到O點(diǎn)，送入房間。圖3是冬季新風(fēng)處理焓濕圖，室外狀態(tài)點(diǎn)W首先經(jīng)過全熱交換器與室內(nèi)的排風(fēng)進(jìn)行熱交換，處理到狀態(tài)點(diǎn)L，再經(jīng)過加熱器加熱到S點(diǎn)，新風(fēng)經(jīng)過濕膜加濕器（等焓加濕）加濕后處理到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O。各新風(fēng)的狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)如表1所示。

圖2 冷卻除濕新風(fēng)機(jī)組處理過程焓濕圖（夏季）

圖3 冷卻除濕新風(fēng)機(jī)組處理過程焓濕圖（冬季）

表1 冷卻除濕新風(fēng)機(jī)組新風(fēng)狀態(tài)參數(shù)

1.2 能耗分析

機(jī)組表冷段的冷凍水假定由外置地源熱泵機(jī)組提供。本臺新風(fēng)機(jī)組冷凍水供水溫度為7℃。咨詢相關(guān)地源熱泵廠家并綜合考慮機(jī)組COP的影響因素[5]，取地源熱泵系統(tǒng)夏季綜合的COP值為4.0，冬季為3.0。

查閱相關(guān)轉(zhuǎn)輪熱回收裝置廠家樣本，其熱回收效率在60%～80%之間。相關(guān)資料顯示熱回收效率隨新、排風(fēng)參數(shù)變化的幅度不明顯，然而隨排風(fēng)量與新風(fēng)量比值和迎面風(fēng)速大小的變化比較明顯。本文取其熱回收效率為60%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)輪實(shí)際熱回收效率可以按新、排風(fēng)量相等時(shí)的熱回收效率乘以排風(fēng)量與新風(fēng)量的比值估算[7]。機(jī)組的新風(fēng)量為5000 m3/h。排風(fēng)量為4250 m3/h。則轉(zhuǎn)輪的實(shí)際運(yùn)行效率為60%×85%=50%。

關(guān)于排風(fēng)機(jī)與送風(fēng)機(jī)的能耗，由機(jī)組內(nèi)部阻力，機(jī)外余壓和風(fēng)量確定。風(fēng)機(jī)的配套電機(jī)功率Nm可按下式計(jì)算：

式中：Q 為流量，m3/s；H 為揚(yáng)程，m；p為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；K為電機(jī)安全系數(shù)，取1.2～1.3；ηi為傳動效率，電機(jī)直連ηi=1.0，聯(lián)軸器直聯(lián)傳動ηi=0.95～0.98，三角皮帶傳動ηi=0.9～0.95，本文新風(fēng)機(jī)組風(fēng)機(jī)采用三角帶傳動，取ηi=0.9；η 為風(fēng)機(jī)的內(nèi)效率，取 0.85；γ 為容重，N/m3。

表2是帶轉(zhuǎn)輪熱回收裝置冷卻除濕新風(fēng)機(jī)組機(jī)組內(nèi)部阻力，余壓及風(fēng)機(jī)全壓的統(tǒng)計(jì)表。根據(jù)式（1），送風(fēng)機(jī)與排風(fēng)機(jī)的功率分別為2.75 kW，1.56 kW。

表2 帶熱回收的冷卻除濕新風(fēng)機(jī)組內(nèi)部阻力及風(fēng)機(jī)風(fēng)壓（Pa）

為了分析機(jī)組的整體性能，同時(shí)與后面幾種新風(fēng)機(jī)組的綜合性能的比較，機(jī)組的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)必須一致，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)夏季統(tǒng)一為18℃，65%（O’點(diǎn)）。冬季為20℃，45%[3]。假定夏季冷卻新風(fēng)機(jī)組的再熱的能量由冷凝熱提供。則機(jī)組的表冷器冷量，COP則可按下式計(jì)算：

夏季：

式中：Q1為表冷器的冷量，kW；Q2為再熱負(fù)荷，kW；Gf為新風(fēng)量，kg/s；hW為 W點(diǎn)的空氣焓值，kJ/kg；hO為O點(diǎn)的空氣焓值，kJ/kg；E為外置冷源機(jī)組能耗，kW；E1為再熱能耗，kW；COP機(jī)組則為機(jī)組整體性能系數(shù)；E總為機(jī)組總能耗，主要包括外置冷源，再熱能耗和風(fēng)機(jī)能耗。

冬季：

式中：Q 為加熱器的熱量，kW；Gf為新風(fēng)量，kg/s；hL為L點(diǎn)的空氣焓值，kJ/kg；hS為S點(diǎn)的空氣焓值，kJ/kg；hW為W點(diǎn)的空氣焓值，kJ/kg；E為外置冷源機(jī)組能耗，kW；COP機(jī)組為機(jī)組整體性能系數(shù)；E總為機(jī)組總能耗，主要包括外置冷源和風(fēng)機(jī)能耗。

經(jīng)過計(jì)算，新風(fēng)量為5000 m3/h的帶熱回收的冷卻除濕機(jī)組的能耗如表3所示。

表3 帶熱回收的冷卻除濕新風(fēng)機(jī)組能耗

2 帶熱回收的雙冷源新風(fēng)機(jī)組

2.1 機(jī)組構(gòu)造及空氣處理過程

帶熱回收裝置的雙冷源新風(fēng)機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。室外新風(fēng)先經(jīng)過熱回收轉(zhuǎn)輪與排風(fēng)進(jìn)行換熱，回收排風(fēng)中的能量，再進(jìn)入表冷器進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷后的空氣經(jīng)過蒸發(fā)器深度除濕后通過再熱冷凝器的加熱作用，調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度后送至室內(nèi)。

圖4 帶轉(zhuǎn)輪熱回收裝置的雙冷源新風(fēng)機(jī)組

圖5是新風(fēng)夏季處理的過程焓濕圖，室外新風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)W先經(jīng)過熱回收轉(zhuǎn)輪處理到狀態(tài)點(diǎn)L，其次經(jīng)過表冷器預(yù)冷至狀態(tài)點(diǎn)S，再經(jīng)過蒸發(fā)器進(jìn)行深度除濕，處理到狀態(tài)點(diǎn)M，最后經(jīng)過再熱冷凝器再熱至O點(diǎn)。圖6是新風(fēng)冬季處理的過程焓濕圖，室外新風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)W先經(jīng)過熱回收轉(zhuǎn)輪處理到狀態(tài)點(diǎn)L，其次經(jīng)過加熱器加熱至狀態(tài)點(diǎn)S（直膨式系統(tǒng)關(guān)閉），再經(jīng)過濕膜加濕器加濕至O點(diǎn)（等焓加濕）。各新風(fēng)的狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)如表4所示。

圖5 雙冷源新風(fēng)機(jī)組處理過程焓濕圖（夏季）

圖6 雙冷源新風(fēng)機(jī)組處理過程焓濕圖（冬季）

表4 雙冷源新風(fēng)機(jī)組新風(fēng)狀態(tài)參數(shù)

2.2 能耗分析

機(jī)組表冷段的冷凍水假定由外置高溫地源熱泵機(jī)組提供。本臺新風(fēng)機(jī)組冷凍水供水溫度為10℃。咨詢相關(guān)地源熱泵廠家和綜合考慮機(jī)組COP的影響因素[5]，取地源熱泵系統(tǒng)夏季綜合的COP值為5.5，冬季為3.0。轉(zhuǎn)輪熱回收實(shí)際效率為50%。

表5是帶轉(zhuǎn)輪熱回收裝置雙冷源新風(fēng)機(jī)組內(nèi)部阻力、余壓及風(fēng)機(jī)全壓的統(tǒng)計(jì)表。并根據(jù)式（1），可以算出送、排風(fēng)機(jī)的功率。送風(fēng)機(jī)與排風(fēng)機(jī)的功率分別為2.96 kW，1.82 kW。

表5 帶熱回收雙冷源新風(fēng)機(jī)組內(nèi)部阻力及風(fēng)機(jī)風(fēng)壓（Pa）

經(jīng)過計(jì)算，新風(fēng)量為5000 m3/h的帶熱回收的雙冷源新風(fēng)機(jī)組的能耗如表6所示。

表6 帶熱回收的雙冷源新風(fēng)機(jī)組能耗

3 熱泵式溶液除濕新風(fēng)機(jī)組

3.1 機(jī)組構(gòu)造及空氣處理過程

圖7是熱泵驅(qū)動的新風(fēng)機(jī)的工作原理圖，由溶液全熱回收裝置和熱泵系統(tǒng)組成。室內(nèi)的回風(fēng)首先經(jīng)過溶液全熱回收裝置，再經(jīng)過有冷凝器加熱的溶液噴淋單元1，最后經(jīng)過輔助冷凝器排向室外。新風(fēng)則是先經(jīng)過溶液全熱回收裝置，后經(jīng)過由蒸發(fā)器冷卻的溶液噴淋單元2后，送入室內(nèi)[8]。設(shè)置熱泵的主要原因是僅靠全熱回收裝置無法達(dá)到送風(fēng)溫度和適度的要求，因此加入蒸發(fā)器來對最后一級的溶液進(jìn)行降溫以增強(qiáng)其除濕能力，從而得到適宜的送風(fēng)參數(shù)。

圖7 熱泵式溶液除濕新風(fēng)機(jī)組

圖8和圖9分別是機(jī)組夏季和冬季空氣處理過程焓濕圖，表7為各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)。

圖8 溶液除濕新風(fēng)機(jī)組處理過程焓濕圖（夏季）

圖9 溶液除濕新風(fēng)機(jī)組處理過程焓濕圖（冬季）

表7 溶液除濕新風(fēng)機(jī)組新風(fēng)狀態(tài)參數(shù)

3.2 能耗分析

查閱溶液熱回收器的的影響因素，其熱回收效率主要受到填料總體積，溶液循環(huán)噴淋量及熱回收級數(shù)影響。相關(guān)資料和參考一些工程測試的數(shù)據(jù)表明，溶液熱回收器的效率在65%～75%[2]。綜合考慮新風(fēng)與排風(fēng)的比值及當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，取其實(shí)際熱回收效率為60%計(jì)算。

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對某實(shí)際工程熱泵式溶液除濕新風(fēng)機(jī)組的測試數(shù)據(jù)表明，其熱泵系統(tǒng)的COP夏季可達(dá)到7.0～7.5，冬季在4.5～5.0之間[2]。綜合考慮影響熱泵的效率因素及本地區(qū)的氣候特征，夏季COP按6.5計(jì)算，冬季COP按4.5計(jì)算。

熱泵式溶液新風(fēng)機(jī)組熱回收單元，除濕單元和再生單元的阻力較大，研究表明其阻力與亞高效的過濾器相當(dāng)。本文選取300 Pa作為計(jì)算依據(jù)。并由廠家提供的機(jī)組參數(shù)表明，5000 m3/h的新風(fēng)機(jī)組配置了一個(gè)全熱回收單元模塊，5臺500 W的溶液循環(huán)泵。

表8是熱泵式溶液新風(fēng)機(jī)組內(nèi)部阻力，余壓及風(fēng)機(jī)全壓的統(tǒng)計(jì)表。并根據(jù)式（1），可以算出送、排風(fēng)機(jī)的功率。送風(fēng)機(jī)與排風(fēng)機(jī)的功率分別為3.1 kW，2.9 kW。

表8 熱泵式溶液除濕新風(fēng)機(jī)組內(nèi)部阻力及風(fēng)機(jī)風(fēng)壓（Pa）

經(jīng)過計(jì)算，新風(fēng)量為5000 m3/h的熱泵式溶液新風(fēng)機(jī)組的能耗如表9所示。

表9 熱泵式溶液新風(fēng)機(jī)組能耗

4 新風(fēng)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 新風(fēng)系統(tǒng)初投資分析

新風(fēng)系統(tǒng)主要由新風(fēng)機(jī)組，外置冷熱源系統(tǒng)和循環(huán)水泵組成。咨詢相關(guān)新風(fēng)機(jī)組廠家，地源熱泵機(jī)組廠家，水泵廠家和地埋管施工單位，以上幾種新風(fēng)系統(tǒng)的初投資表10所示：

表10 不同新風(fēng)系統(tǒng)初投資分析（萬元）

4.2 年運(yùn)行費(fèi)用分析

根據(jù)南京地區(qū)50年的氣象資料統(tǒng)計(jì)，南京四季節(jié)的時(shí)段分布如下：春季3月16日至5月20日，共計(jì)65天。秋季9月26日至11月14日，共計(jì)50天。夏季5月21日至9月25日，共計(jì)129天。冬季11月15日至來年的3月15日，共計(jì)121天。過度季節(jié)共計(jì)115天僅開啟通風(fēng)模式。南京地區(qū)的用電價(jià)格取1.0元/kWh計(jì)算。

1）帶熱回收的冷卻除濕機(jī)組年運(yùn)行費(fèi)用

2）帶熱回收雙冷源系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用

3）熱泵式溶液除濕系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用

4.3 初投資回收期分析

本文計(jì)算初投資回收期以帶轉(zhuǎn)輪的冷卻除濕新風(fēng)機(jī)組為計(jì)算基準(zhǔn)，分析帶熱回收的雙冷源系統(tǒng)和熱泵式溶液除濕系統(tǒng)相對于其的初投資回收年限。具體回收年限如表11所示：

表11 初投資回收期分析

5 結(jié)論

1）雙冷源新風(fēng)機(jī)組采用高、低兩種冷源對新風(fēng)進(jìn)行處理，使得能源得到了梯級利用，尤其高溫冷源的利用，使得蒸發(fā)溫度得到提高，大大提高了能效比。其能效比相比帶熱回收裝置的冷卻除濕機(jī)組提高了26%左右。

2）熱泵式溶液除濕機(jī)組利用冷凝熱對溶液進(jìn)行再生，利用溶液回收裝置回收排風(fēng)中的冷量，機(jī)組整體COP值都高于其他兩種新風(fēng)機(jī)組，分別比其他兩種新風(fēng)機(jī)組提高了36%和8%。

3）雙冷源新風(fēng)機(jī)組初投資較低，相對于冷卻除濕機(jī)組回收期僅需4年，是一種經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的新風(fēng)機(jī)組，且系統(tǒng)相對簡單，技術(shù)成熟，可廣泛應(yīng)用于小型辦公、住宅等建筑。

4）熱泵式溶液除濕機(jī)組不存在濕表面，避免了健康問題，同時(shí)溶液具有殺菌作用，特別適用于對室內(nèi)空氣品質(zhì)要求較高的場合，例如醫(yī)院，高檔辦公和高檔酒店等建筑。但是其系統(tǒng)復(fù)雜，規(guī)模較大，且設(shè)備價(jià)格昂貴，初投資較高。