乙二醇熱回收系統(tǒng)在甲類廠房空調(diào)中的應(yīng)用

徐子晶

（中國電子系統(tǒng)工程第四建設(shè)有限公司，河北石家莊 050051）

0 引言

在火災(zāi)危險性為甲類的廠房中，空調(diào)系統(tǒng)能耗一直是值得關(guān)注的問題。為了確保安全和遵守法規(guī)，甲類廠房的空調(diào)必須采用全新的風(fēng)系統(tǒng)。如果不對排風(fēng)的能量進(jìn)行回收利用而直接排放，將會導(dǎo)致巨大的能源浪費(fèi)。傳統(tǒng)的熱回收裝置（如轉(zhuǎn)輪式、板式等），其新、排風(fēng)空氣在熱交換的過程中會存在一定的物質(zhì)交換，污染物有可能從排風(fēng)系統(tǒng)泄漏到新風(fēng)送風(fēng)中。因此，傳統(tǒng)的熱回收裝置并不適合應(yīng)用于甲類廠房中。乙二醇熱回收系統(tǒng)由于僅通過中間媒介進(jìn)行新、排風(fēng)的熱交換，不存在新、排風(fēng)交叉污染的問題，適合應(yīng)用于甲類廠房中。

1 乙二醇熱回收系統(tǒng)

1.1 常規(guī)乙二醇熱回收系統(tǒng)工作原理

乙二醇熱回收系統(tǒng)是以乙二醇水溶液為中間媒介，通過流體輸送泵，將排風(fēng)中的熱量轉(zhuǎn)移到新風(fēng)中，從而降低新風(fēng)處理的能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

乙二醇熱回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成：排風(fēng)機(jī)組熱交換盤管、新風(fēng)機(jī)組熱交換盤管、流體輸送泵、定壓補(bǔ)液裝置、閘閥、溫度計、排氣閥、排污閥等。工作原理如圖1所示。

圖1 乙二醇熱回收系統(tǒng)

夏季工況時，乙二醇水溶液通過泵輸送至排風(fēng)機(jī)的熱回收盤管，在與排風(fēng)空氣進(jìn)行換熱的過程中，乙二醇水溶液溫度被降低。之后，乙二醇水溶液進(jìn)入空調(diào)機(jī)組表冷器前的新風(fēng)預(yù)處理盤管。此時，由于室外空氣溫度高于乙二醇水溶液的溫度，因此新風(fēng)溫度被降低，降溫的新風(fēng)進(jìn)入表冷器被進(jìn)一步冷卻。新風(fēng)在進(jìn)入表冷器前已預(yù)先被降溫，減少了表冷器的冷負(fù)荷。如此循環(huán)往復(fù)，排風(fēng)處的能量被新風(fēng)回收利用，從而降低能量消耗。

冬季工況時，乙二醇水溶液仍通過泵進(jìn)行循環(huán)，溫度較高的排風(fēng)將能量轉(zhuǎn)移至溫度較低的新風(fēng)，新風(fēng)溫度提高，減少了空調(diào)加熱器的負(fù)荷。

1.2 改進(jìn)措施

從圖1 常規(guī)乙二醇熱回收系統(tǒng)中可以發(fā)現(xiàn)，乙二醇水溶液的溫度只能在排風(fēng)溫度和新風(fēng)溫度的區(qū)間內(nèi)變化。若設(shè)計的排風(fēng)溫度和室外新風(fēng)溫度的差值較小，則乙二醇盤管與空氣側(cè)的換熱溫差就會變得很小，從而影響換熱效率。此外，夏季工況時，由于乙二醇水溶液溫度較高，新風(fēng)預(yù)處理盤管只能處理顯熱負(fù)荷，即該回收方式只能進(jìn)行顯熱回收，無法進(jìn)行潛熱回收。再者，乙二醇熱回收系統(tǒng)還會消耗動力。相關(guān)資料顯示，常規(guī)的乙二醇熱回收系統(tǒng)對排風(fēng)的顯熱效率只有30%～40%[1]。

由此可見，夏季工況時，若是能夠降低進(jìn)入空調(diào)機(jī)組新風(fēng)預(yù)處理側(cè)的乙二醇水溶液溫度，使新風(fēng)溫度被降低的幅度更大，并能夠處理潛熱負(fù)荷，將大大地提升熱回收系統(tǒng)的節(jié)能效果。

基于上述思考，將常規(guī)的乙二醇熱回收系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的系統(tǒng)工作原理如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)后的乙二醇熱回收系統(tǒng)

在空調(diào)機(jī)組的熱水再熱段盤管之前新增乙二醇再熱段盤管，并通過乙二醇新風(fēng)預(yù)處理段和乙二醇再熱段之間的電動三通閥進(jìn)行冬、夏季工況切換。

夏季工況時，乙二醇水溶液仍然通過泵輸送至排風(fēng)機(jī)的熱回收盤管，在與排風(fēng)空氣進(jìn)行換熱的過程中，乙二醇水溶液溫度被降低。之后，乙二醇水溶液先進(jìn)入空調(diào)機(jī)組熱水再熱段盤管之前的乙二醇再熱盤管。由于乙二醇再熱盤管位于表冷器之后，表冷器出風(fēng)溫度通常較低，這樣，乙二醇水溶液在與表冷器出風(fēng)換熱之后，溫度被進(jìn)一步降低。之后，乙二醇水溶液再進(jìn)入空調(diào)機(jī)組表冷器前的新風(fēng)預(yù)處理盤管。如此，乙二醇水溶液和新風(fēng)之間的溫度差變小，從而增強(qiáng)乙二醇新風(fēng)預(yù)處理段的換熱能力，達(dá)到更好的熱回收效果。此外，由于乙二醇水溶液在進(jìn)入乙二醇再熱盤管時，提前對低溫空氣進(jìn)行再熱，從而減少了熱水再熱段盤管的再熱負(fù)荷。

冬季工況時，電動三通閥切換成冬季熱回收模式。乙二醇水溶液不經(jīng)過乙二醇再熱段，其熱回收原理與常規(guī)乙二醇熱回收系統(tǒng)工作原理相同。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程案例

安徽某甲類廠房空調(diào)采用全新風(fēng)系統(tǒng)，通過組合空調(diào)機(jī)組送新風(fēng)、排風(fēng)機(jī)排風(fēng)的方式實現(xiàn)。

夏季室外空調(diào)計算干球溫度tW=35 ℃，室外空調(diào)計算濕球溫度28 ℃，根據(jù)焓濕圖可得室外空氣比焓hW=89.4 g/kg。冬季室外空調(diào)計算干球溫度tW′=-4 ℃。

室內(nèi)設(shè)計溫度：夏季tn=23±3 ℃，相對濕度45%～65%，冬季tn′=20±3 ℃；空氣密度ρ=1.2 kg/m3，比熱容c=1.01 kJ/（kg·K）；空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量L=50 000 m3/h，制冷工況送風(fēng)溫度to=18 ℃，制熱工況送風(fēng)溫度to′=26 ℃；排風(fēng)機(jī)排風(fēng)量Lp=52 000 m3/h，排風(fēng)溫度tp=tn；30%乙二醇水溶液平均密度近似取值ρ液=1045 kg/m3，比熱容近似取值c液=3.65 kJ/（kg·K）。

乙二醇再熱段前（同時也是表冷器后）的空氣溫度設(shè)定為tL=13 ℃，相對濕度95%，根據(jù)焓濕圖可得乙二醇再熱段前（同時也是表冷器后）的空氣比焓hL=35.5 g/kg。即：乙二醇新風(fēng)預(yù)處理段后的出風(fēng)溫度為ty，乙二醇再熱段后的出風(fēng)溫度為tz。

以下按3 種情況分別討論。

2.1.1 不采用熱回收系統(tǒng)

2.1.2 采用常規(guī)乙二醇熱回收系統(tǒng)

（1）夏季：常規(guī)乙二醇熱回收系統(tǒng)的顯熱回收效率為40%。則，公式變形后得：ty=tW-η（tW-tP）=30.2 ℃；則熱回收量；表冷器冷量QL=898-80.8=817.2 kW；再熱量

（2）冬季：由于室外空氣和排風(fēng)之間的溫差更大，冬季熱回收量要高于夏季[2]。目前產(chǎn)品基本能做到冬季工況下熱回收效率達(dá)到60%，則：，公式變形后得；熱回收量=242.4 kW；加熱器加熱量Qh=262.6 kW。

2.1.3 采用改進(jìn)后的乙二醇熱回收系統(tǒng)

（1）夏季：用試算法，通過驗算各換熱盤管處乙二醇水溶液的流量是否一致來判斷數(shù)據(jù)的可行性，再根據(jù)換熱盤管氣液兩側(cè)的平均溫差來校核其換熱能力能否滿足要求。系統(tǒng)各部分設(shè)定參數(shù)見圖3。

圖3 乙二醇熱回收系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)

經(jīng)查焓濕圖得乙二醇新風(fēng)預(yù)處理段后的出風(fēng)比焓hy=79 g/kg。由圖3 可知，進(jìn)入乙二醇新風(fēng)預(yù)處理盤管的乙二醇溶液溫度t3小于室外空氣的露點溫度，因此，該部分不僅有顯熱交換還有潛熱交換。由此可得乙二醇新風(fēng)預(yù)處理段的冷卻量；乙二醇再熱段的加熱量=84 kW；排風(fēng)機(jī)換熱盤管的換熱量

根據(jù)熱量平衡求出各換熱盤管處乙二醇水溶液的流量。乙二醇新風(fēng)預(yù)處理段：乙二醇再熱段：；排風(fēng)機(jī)換熱盤管:；其中，t1是乙二醇水溶液在新風(fēng)預(yù)處理段出口、排風(fēng)機(jī)入口處的溫度；t2是乙二醇水溶液在排風(fēng)機(jī)出口、乙二醇再熱段入口處的溫度；t3是乙二醇水溶液在乙二醇再熱段出口、新風(fēng)預(yù)處理段入口處的溫度。

由于流量qy、qyh和qp基本一致，由此可判斷試設(shè)定的參數(shù)可行。

進(jìn)行換熱盤管換熱能力校核。對于空氣換熱盤管，冷媒的進(jìn)口溫度，應(yīng)比空氣的出口干球溫度至少低3.5 ℃[3]，因此以乙二醇水溶液的進(jìn)口溫度和換熱盤管空氣出口干球溫度的溫差大于3.5 ℃作為基準(zhǔn)，校核換熱盤管的換熱能力。從圖3 可得，乙二醇新風(fēng)預(yù)處理段Δt=ty-t3=6 ℃；乙二醇再熱段Δt=t2-tZ=8.5 ℃；排風(fēng)機(jī)換熱盤管Δt=t1-te=4 ℃。以上溫差均大于3.5 ℃，因此換熱能力可以滿足要求。

最后，求出表冷器冷量QL=725 kW。由于乙二醇再熱段幾乎可以“免費(fèi)”將送風(fēng)溫度加熱至需要溫度，因此再熱負(fù)荷Qz基本為0。

（2）冬季：熱回收量同常規(guī)乙二醇熱回收系統(tǒng)，Qy′=242.4 kW；加熱器加熱量Qh=262.6 kW。

2.2 節(jié)能分析

通過計算得出3 種情況下各盤管冷熱量的消耗情況（表1、表2）。

表1 夏季各盤管冷熱量的消耗情況

表2 冬季各盤管冷熱量的消耗情況

3 結(jié)論

（1）由表1、表2 可知，夏季時采用常規(guī)的乙二醇熱回收系統(tǒng)有一定的熱回收效果，但是節(jié)能率比較低；而采用改進(jìn)后的乙二醇熱回收系統(tǒng)，由于再熱負(fù)荷的大幅降低和新風(fēng)預(yù)處理能力的增加，使得該系統(tǒng)的節(jié)能率大大增加。冬季由于新、排風(fēng)間的溫差較大，熱回收量要高于夏季，節(jié)能率十分可觀。

（2）采用乙二醇熱回收系統(tǒng)能較好地應(yīng)用于甲類廠房，解決了傳統(tǒng)熱回收系統(tǒng)新排風(fēng)交叉污染的問題。通過對乙二醇熱回收系統(tǒng)的改進(jìn)，可以進(jìn)一步降低甲類廠房空調(diào)系統(tǒng)的能耗。