热回收机组空调领域应用节能效果

[摘要] 　　1、现状　　能源的高消耗对我国发展造成了很大的压力，根据发改委能源组提供的材料

　　1、现状

　　能源的高消耗对我国发展造成了很大的压力，根据发改委能源组提供的材料，从1980年到1985年我们国家GDP的年增长率是10.7%，能源消费的增长率是10.9%，1986—1990年GDP年增长是7.9%，能源消费的增长率9.2%。1991—1995年GDP的年增长率是 12%，能源消费的增长率是5.9%。1995—2000年，GDP开始时8.3%，后来调整为8.6%，能源消费增长率是0.6%。2001—2005 年GDP年增长率是9.47%，能源的消费增长是9.93%。其中2003年GDP的增长率是10%，能源是15.3%，2004年GDP是10.1%，能源增长率是16.1%。从这个数字可以看出，我们国家从1980—2005年GDP的增长一直在7.8—12%之前，基本上是这个范围内波动，而能源消耗的波动很大，特别是2003、2004年，能源的消费增长远远高于GDP的增长。和发展国家相比我国每平方米的能耗是他们的3倍，这说明在能源的高消费上必须要引起全社会的重视。

　　目前中国每年竣工建筑面积约为20亿m2，其中公共建筑约有4亿m2。在公共建筑（特别是大型商场、高档旅馆酒店、高档办公楼等）的全年能耗中，大约50%～60%消耗于空调制冷与采暖系统，20%～30%用于照明。而在空调采暖这部分能耗中，大约20%～50%由外围护结构传热所消耗（夏热冬暖地区大约20%，夏热冬冷地区大约35%，寒冷地区大约40%，严寒地区大约50%）。从目前情况分析，这些建筑在围护结构、采暖空调系统，以及照明方面，共有节约能源50%的潜力。采暖空调节能潜力最大，在暖通空调设计方面加以控制就能够有效的节能能源。而新风带来的潜热负荷可以占到空调总负荷的20％－40％，因此开发节能的新风系统是建筑节能领域的一项重大课题。
解决空调建筑物室内空气品质及通风安全问题的根本在于在加大空调房间室外新风量的同时，尽量减少能量消耗。在新风/排风系统中设置能量回收设备能较为全面、彻底的解决湿度、洁净度、气流这三大要素并对温度起到调节回收的功能，是可行的方法。

　　2、技术概括

　　能量回收技术在美国能源部（Dept of Energy）推广的最佳15种节能技术中其节能潜力居第二位，其投资回收年限在2年左右，因此，这种技术极具应用前景。如下图所示：

最佳15种节能技术的节能能力及投资回收年限

　　空气能量回收设备有两类：一类是显热回收型，一类是全热回收型。显热回收的能量体现在新风和排风的温差上所含的能量；全热回收体现在新风和排风的焓差上所含的能量。


热回收过程

　　常用的回收装置有：金属壁换热器、热管换热器、转轮式换热器、静止型板翅式换热器等。其中金属壁换热器和热管换热器只能回收显热，转轮式换热器、静止型板翅式换热器不仅能回收显热，还能回收潜热，因此效率较高。 但转轮式换热器存在新风和排风混合的问题。而静止型板翅式换热器没有运动部件，可靠性高，混风率低。
　　转轮式换热器是一种蓄热能量回收设备。分为显热回收和全热回收两种。显热回收转轮的材质一般为铝箔，全热回收转轮材质为具有吸湿表面的铝箔材料或其他蓄热吸湿材料。转轮作为蓄热芯体，新风通过转轮的一个半圆，而同时排风通过转轮的另一半圆，新风和排风以相反的方向交替流过转轮。新风和排风间存在着温度差和湿度差，转轮不断地在高温高湿侧吸收热量和水分，并在低温低湿侧释放，来完成全热交换。
转轮在电动机的驱动下以 10r/min的速度旋转，排风从热交换器的上侧通过转轮排到室外。在这个过程中，排风中的大多数的全热保存在转轮中，而脏空气却被排出。而室外的空气从转轮的下半部分进入，通过转轮，室外的空气吸收转轮保存的能量，然后供应给室内。当转轮低于4r/min的速度旋转时，效率明显下降。转轮换热器的特点是设备结构紧凑、占地面积小，节省空间、热回收效率高、单个转轮的迎风面积大，阻力小。适合于风量较大的空调系统中。


热交换器

　　静止型板翅式换热器是一种空气与空气直接换热式的换热器，它没有转动部件，因此也被称作固定式换热器，是一种比较理想的能量回收设备。静止型板翅式换热器采用多孔纤维材料为基材，对表面进行特殊处理后制成单元体；单元体的波纹板交叉叠积，并用胶使其峰谷与隔板粘结而成，两股气流呈交叉形流过换热器。显热换热器的隔板是非透过性的、具有良好导热特性的材料，一般多为铝质材料；全热换热器是一种透过型的空气----空气热交换器，隔板是由经过处理的、具有较好传热透湿特性的材料构成。显热的换热机制是介质两侧流过不同温度的空气时，热量通过传导的方式进行换热。全热换热器中潜热的换热通过下述两种机制进行。一是通过介质两侧水蒸气分压差进行湿度交换；二是高湿侧的水蒸气被吸湿剂吸收,通过纸纤维的毛细管作用向低湿侧释放。当隔板两侧存在温差和水蒸气分压力差时，两者就产生传热和传质进程，从而来进行显热和全热的换热。

全热换热器示意图
　　在板翅式换热器中，波状翅片既起辅助传热的作用，又起支撑和导流作用。根据翅片所形成的流道和气流方向的不同，板翅式换热器可分为叉流式、逆流式和顺流式。

　　静止板翅式换热器的特点是密封性好，混风率低；热交换效率高；无运转部件，运行平稳可靠。在空调系统热回收中应用最为广泛。

　　3、技术分析

　　采用全热换热器的空气处理的i—d图

　　N：室内状态点　　W：室外状态点
　　W1：和排风换热后的状态点　C：混合点 L：机器露点 O：送风状态点
　　夏季空气处理过程

　　1、 经过焓回收后W1状态点的确定：

　　（下标1为室外状态点，2为经过热交换后的状态点，n为室内状态点）

　　转轮全热换热器的显然效率为：
　　求得t2＝27.8℃


　　转轮全热换热器的潜热然效率为：


　　求得d2＝14.5g/kg（干）

　　2、经过焓回收后减少的新风冷负荷减少：

　　3、空调系统冷负荷减少：

　　L点为to＝13℃与φ＝95％的交点，IL=34.5kJ/kg

　　全热换热器使空调的负荷降低20%；显热换热器使空调的负荷降低16%。


　　采用三种方案进行对比：方案A，采用传统全空气系统，一次回风，新风比15%；方案B，全空气系统＋显热回收；方案C，全空气系统＋全热回收。

　　系统A，采用全空气系统，一次回风，新风比15%


　　系统B，采用全空气系统+显热换热器

　　室内送风温度=室外温度－（室外温度－室内温度）×温度回收率
　　TS= TW －（TW －TN）×RW


　　系统C，采用全空气系统+全热换热器

　　室内送风焓值=室外焓值－（室内焓值－室外焓值）×焓值回收率
　　IS= IW －（IN－IW）×RH


　　换热效率的表达式有三个：
　　温度效率ηt=（t1-t2）/(t1-t3)×100%
　　湿度效率ηd=（d1-d2）/(d1-d3)×100%
　　全热效率ηi=（i1-i2）/(i1-i3)×100%
　　t1、d1、i1－新风的初温度℃、初湿度g/kg、初焓值kj/kg
　　t2、d2、i2－新风的终温度℃、终湿度g/kg、终焓值kj/kg
　　t3、d3、i3－排风的初温度℃、初湿度g/kg、初焓值kj/kg
　　设备耗电量P（kw）＝PN×T
　　PN－设备额定功率kw
　　T －设备累计运行时间h

　　冷却塔全年总循环水量Wa(m3/a)＝WN·T[ε+(1－ε)/n]
　　WN－冷却塔额定循环水量m3/a
　　T－设备累计运行时间h

　　冷却塔补水量QW＝0.02Wa
　　负荷率ε＝qc/qR·T＝τe/T
　　qc－全年空调冷负荷kJ/a
　　qR－冷机的最大出力kJ/h
　　τe－当量满负荷运行时间h
　　T －设备累计运行时间h

　　4、投资与运行的比较

　　设计工况
　　某办公楼总建筑面积10000m2。

　　夏季室外空气参数：干球温度35℃，湿球温度18℃.；室内空气状态参数：室内温度25℃,相对湿度55%；夏季冷负荷为1200kW，送风温差8℃；媒供回水温度： 7~12℃。空调系统为全空气系统，新风量占总风量15%，300000*0.15=45000（m3/h）,新风负荷735 kw。

　　工业用水价格2.5元/m3；商业电价1元/度；系统补水量占额定循环水量的0.5%。

　　选择6台50000m3/h的空调机组负责送风；选择2台制冷量600kw冷水机组。


　　初投资费用

　　初投资费用为土建费、设备费、安装费(含材料费)、电增容费用之和。土建费1000元/平方米；安装费按设备费的20%计算；电增容费550元/kW。各方案的初投资见下表：

　　运行费用

　　运行费用包括水电费、维修费、人工费等。 运行费最低的方案为最较经济的方案。三个方案的维修费和人工费均为3.65万元。

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