空調(diào)中分布型主動(dòng)式熱回收系統(tǒng)的分析

王重陽(yáng) 陳 恒魏玉劍張振天

1．上海電力大學(xué)

2．上海市能效中心

3．斐崴節(jié)能科技（上海）有限公司

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)室內(nèi)空氣的溫度、濕度的要求逐漸提高。暖通空調(diào)大型設(shè)備被安裝在各種公共場(chǎng)所和實(shí)驗(yàn)室，而使電力需求大大增加。在商業(yè)建筑中，供熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)（HVAC）系統(tǒng)的耗電量占比達(dá)到了總耗電量的40%～60%[7]，在提倡節(jié)約用電的情況下需對(duì)一些技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造或者創(chuàng)新。在夏天，空調(diào)制冷系統(tǒng)向室內(nèi)供應(yīng)冷風(fēng)，同時(shí)也向大氣散發(fā)大量熱量[2]，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，甚至?xí)?dǎo)致城市熱島效應(yīng)。目前大多數(shù)節(jié)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(jié)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(jié)能技術(shù)，即應(yīng)用在空調(diào)系統(tǒng)中的分布型主動(dòng)式熱回收技術(shù)。

1 分布型主動(dòng)式熱回收技術(shù)原理

空調(diào)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境除濕、控溫、除異味的效果，必須保證有充足的新風(fēng)和合理的送風(fēng)。但從余熱回收和節(jié)能角度考慮，目前暖通空調(diào)系統(tǒng)中普遍存在著余熱未被利用和新風(fēng)加熱能耗高的現(xiàn)象。Konvekta將分布型主動(dòng)式熱回收技術(shù)加入其中，即在系統(tǒng)的送風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)加入熱回收盤管、一套水力模塊（換熱介質(zhì)可以是水或乙二醇等）、循環(huán)泵組以及集成控制單元等設(shè)備。如圖1所示，回風(fēng)側(cè)的熱回收盤管作用是將排風(fēng)熱量回收到換熱介質(zhì)中，送風(fēng)側(cè)的換熱盤管作用是加熱新風(fēng)，代替鍋爐熱源。

圖1 主動(dòng)式熱回收技術(shù)簡(jiǎn)圖流程

熱回收系統(tǒng)的流程：當(dāng)室內(nèi)熱空氣經(jīng)過回風(fēng)側(cè)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(fèi)加熱經(jīng)除濕處理后溫度較低的新鮮空氣，以達(dá)到節(jié)約原空調(diào)系統(tǒng)加熱能耗的目的。

2 熱回收盤管的設(shè)計(jì)

空氣橫掠盤管與換熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換，擬達(dá)到最大的換熱效果，可以使換熱面積最大、換熱系數(shù)最大、保證有較大的努塞爾數(shù)和降低臨界雷諾數(shù)，使流體較早進(jìn)入紊流狀態(tài)。

2.1 應(yīng)用流體旋轉(zhuǎn)法強(qiáng)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(nèi)插扭帶作為一種內(nèi)插式強(qiáng)化換熱技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛研究[8]，它可以使流體旋轉(zhuǎn)流動(dòng)和產(chǎn)生二次流，加強(qiáng)了流體的紊流程度，增強(qiáng)了換熱效果。

Konvekta盤管換熱器的布置較為靈活，新風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)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(cè)特有的集管設(shè)計(jì)提供了較好的逆流換熱，雷諾數(shù)能達(dá)8 000以上，換熱溫差1℃左右。能適用于實(shí)驗(yàn)室、動(dòng)物房等不使用循環(huán)風(fēng)的環(huán)境中，安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定。

如圖2所示，換熱介質(zhì)流入盤管后，介質(zhì)按照設(shè)計(jì)的管路依次流動(dòng)，每一個(gè)拐點(diǎn)都有一個(gè)隔斷，使流體按照設(shè)定路線流動(dòng)，保證換熱介質(zhì)充分與盤管接觸，增強(qiáng)了換熱面積。同時(shí)，管路設(shè)計(jì)必須保證管內(nèi)的流動(dòng)為紊流，因?yàn)閷恿髦挥型鈱拥膿Q熱介質(zhì)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(shù)（Re）的情況下有較高的換熱效率。

圖2 熱回收盤管流動(dòng)圖

以某應(yīng)用為例，當(dāng)天室外空氣為32℃時(shí)，空氣進(jìn)入盤管進(jìn)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(jī)的能效比。高效換熱盤管在溫差很小情況下，換熱表現(xiàn)依然出色。

2.2 盤管保護(hù)

在冬天室外新風(fēng)溫度很低的情況下，流經(jīng)盤管的乙二醇溫度也會(huì)很低。當(dāng)乙二醇循環(huán)到排風(fēng)側(cè)的盤管時(shí)會(huì)與室內(nèi)的高溫空氣進(jìn)行換熱，此時(shí)換熱器表面溫度很低，甚至低于排風(fēng)的露點(diǎn)，此時(shí)會(huì)使盤管換熱處結(jié)霜，逐漸積累會(huì)造成排風(fēng)側(cè)盤管阻塞使換熱效果降低。

為了防止熱回收盤管的凍結(jié)，Konvekta產(chǎn)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(jìn)入排風(fēng)側(cè)換熱的乙二醇溫度在露點(diǎn)以上，對(duì)排風(fēng)盤管起保護(hù)作用，使運(yùn)行安全有效。

3 經(jīng)典除濕系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前，常用的除濕方法有冷凍除濕、溶液除濕、轉(zhuǎn)輪除濕三種。一般空調(diào)除濕后空氣的溫度較低，需要再次加熱才能達(dá)到送風(fēng)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(dá)到了除濕的目的，但是造成了能源的浪費(fèi)。本文結(jié)合分布型主動(dòng)式熱回收技術(shù)對(duì)冷凍除濕進(jìn)行分析。

3.1 除濕系統(tǒng)工作原理

經(jīng)典除濕系統(tǒng)如圖3所示，排風(fēng)側(cè)的盤管進(jìn)行余熱回收，送風(fēng)側(cè)的第一組盤管將新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷降溫，第二組盤管通入冷凍水將預(yù)冷后的空氣降低至露點(diǎn)溫度除濕，空氣除濕后由于溫度較低需要進(jìn)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(dá)到室內(nèi)的送風(fēng)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(jīng)典除濕系統(tǒng)

3.2 加裝除濕系統(tǒng)后的能耗分析

圖4 實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)流程示意圖

以上海市某應(yīng)用案例為例，其實(shí)驗(yàn)室裝有6套Konvekta分布型主動(dòng)式熱回收系統(tǒng)，分布靈活可以滿足各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的送風(fēng)要求，本文對(duì)其中一組系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析。圖4為實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)流程示意圖，其中板式換熱器的作用是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)熱，當(dāng)熱回收的溫度過低，無法達(dá)到對(duì)新風(fēng)加熱的要求時(shí)讓其運(yùn)行，從而讓新風(fēng)達(dá)到目標(biāo)設(shè)定的溫度。由圖4可見，當(dāng)天的空氣濕度符合標(biāo)準(zhǔn)，不需要開啟表冷器進(jìn)行降溫除濕，板式換熱器的開度為0%，回收的熱量可以達(dá)到加熱新風(fēng)的設(shè)定溫度，節(jié)省了燃?xì)赓M(fèi)用。該系統(tǒng)回收的熱量免費(fèi)將新風(fēng)從11．5℃加熱到室內(nèi)要求的16．3℃，省去了鍋爐的能耗，達(dá)到了節(jié)能的效果。

3.2.1 能耗計(jì)算及分析

所需熱量：

式中：Q-換熱量（kJ）；

M-氣流質(zhì)量流量（kg）；

h-氣流比焓值（kJ/kg）

焓值計(jì)算：

式中：t-空氣溫度（℃）

d-空氣含濕量（kg/kg干空氣）；

根據(jù)上海市12月某日氣候數(shù)據(jù)（圖5）對(duì)空氣焓值和能耗逐時(shí)計(jì)算，見表1。

圖5 上海市冬季某日逐時(shí)氣候數(shù)據(jù)

如圖5所示，上海冬季某日溫度和濕度隨時(shí)間不斷變化，室內(nèi)要求的送風(fēng)溫度為25℃，濕度為40%（＜8．5 g/kg干空氣）。通過計(jì)算，可得出當(dāng)日空調(diào)系統(tǒng)處理新風(fēng)逐時(shí)所需能耗，則逐時(shí)累加可得一天中所需的加熱能耗為4 889．07kWh。此系統(tǒng)的排風(fēng)溫度為20℃，根據(jù)室內(nèi)外溫差可得回收的熱量為2 078．50kWh。冬季各項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1 冬季各項(xiàng)參數(shù)

根據(jù)上海市12月氣候數(shù)據(jù)(圖6)，逐日計(jì)算機(jī)組能耗和熱量回收等情況。其室內(nèi)目標(biāo)溫度仍為25℃，濕度為40%（＜8．5g/kg干空氣）。計(jì)算得到12月份原空調(diào)系統(tǒng)的熱需求量為113 958．64kWh，回收熱量為55 821．05kWh，折算出12月每臺(tái)主動(dòng)式熱回收機(jī)組節(jié)省天然氣量5 629m3，節(jié)省資金約21 334元。

圖6 上海市12月氣候數(shù)據(jù)

上海市8月某日氣候數(shù)據(jù)對(duì)空氣焓值和能耗逐時(shí)計(jì)算，見圖7。

圖7 上海市夏季某日逐時(shí)氣候數(shù)據(jù)

夏季某日各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。室內(nèi)要求的送風(fēng)溫度為18℃，濕度為55%（＜8．5 g/kg干空氣），計(jì)算并逐時(shí)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(shù)據(jù)見圖8。

圖8 上海市8月份氣候數(shù)據(jù)

通過8月份的能耗逐日累加，計(jì)算得出8月份原空調(diào)系統(tǒng)的熱需求量為83 715．96kWh，而熱回收系統(tǒng)達(dá)到的回收量為37 412．99 kWh。通過天然氣的熱值折算出每臺(tái)主動(dòng)式熱回收空調(diào)機(jī)組每月可以節(jié)約天然氣3 773 m3，即節(jié)約燃?xì)赓M(fèi)約14 298．7元。

如表3所示，通過對(duì)上海冬季和夏季典型月份的能耗計(jì)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(tǒng)的熱回收率可達(dá)48%，當(dāng)月每臺(tái)機(jī)組可為用戶節(jié)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(tái)機(jī)組可為用戶節(jié)省資金約為14 299元。由此可知，分布式主動(dòng)式熱回收系統(tǒng)可有效對(duì)熱量進(jìn)行回收，達(dá)到節(jié)能減排和節(jié)省資金的目的。

逐時(shí)能耗數(shù)據(jù)匯總見圖9，逐日能耗數(shù)據(jù)匯總見圖10。

表2 夏季各項(xiàng)參數(shù)

表3 能耗數(shù)據(jù)匯總

圖9 逐時(shí)能耗數(shù)據(jù)匯總

圖10 逐日能耗數(shù)據(jù)匯總

3.3 上海某應(yīng)用案例實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

上海某研究中心加裝分布型主動(dòng)式熱回收的能耗數(shù)據(jù)見表4，曲線見圖11。

表4 能耗數(shù)據(jù)（7-11月）

圖11 應(yīng)用項(xiàng)目7-11月系統(tǒng)熱回收率

由表4能耗數(shù)據(jù)可知，上海市應(yīng)用項(xiàng)目7～11月的實(shí)測(cè)熱需求量為1 173 945kWh，實(shí)測(cè)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(dāng)室內(nèi)外溫差越大，系統(tǒng)熱回收的效率越高。該應(yīng)用項(xiàng)目的送風(fēng)量為180 000 m3/h，Konvekta分布型主動(dòng)式熱回收技術(shù)適用于新風(fēng)量較大的場(chǎng)合。

4 總結(jié)

本文介紹了一種適用于新風(fēng)量較大場(chǎng)合的暖通系統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)——分布型主動(dòng)式熱回收技術(shù)，并通過瑞士Konvekta主動(dòng)式熱回收系統(tǒng)及其在上海市某應(yīng)用案例的實(shí)測(cè)能耗數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

分布型主動(dòng)式熱回收技術(shù)利用空調(diào)余熱加熱除濕新風(fēng)，避免了鍋爐蒸汽或電加熱的使用，有利于節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境。通過對(duì)上海市某應(yīng)用案例實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)熱回收率可達(dá)48%，冬季可以為用戶節(jié)省資金約21 334元/臺(tái)/月，夏季約14 299元/臺(tái)/月。經(jīng)濟(jì)效益顯著。

分布型主動(dòng)式熱回收系統(tǒng)能有效減少企業(yè)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(yīng)用于對(duì)除異味、溫濕度要求較高、新風(fēng)量大的生產(chǎn)車間或者辦公樓內(nèi)，如制藥廠、化工廠、實(shí)驗(yàn)室、動(dòng)物房等場(chǎng)所。該系統(tǒng)布置靈活、熱回收率高，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。