呂欣欣

空調技術

哈爾濱某辦公樓排風熱回收應用的技術經濟分析

呂欣欣

（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002）

空調排風熱回收，是空調系統(tǒng)設計的一項重要節(jié)能措施。本文根據哈爾濱地區(qū)的氣候特點，分析了哈爾濱某辦公樓項目排風熱回收系統(tǒng)應用的節(jié)能效果，并對熱回收裝置初投資增加及年運行費用等進行了計算，得出了熱回收系統(tǒng)年節(jié)省運行費用及靜態(tài)投資回收期，研究表明該項目排風熱回收節(jié)能效果顯著。

熱回收； 節(jié)能； 初投資； 運行費用； 投資回收期

0 引言

空調排風熱回收,是目前空調系統(tǒng)設計中一項重要的節(jié)能措施,排風與新風通過空氣-空氣能量回收裝置進行熱交換,將原本要排除室外的能量進行回收,用來對新風進行預冷或預熱處理,從而可以減少處理新風的用能，降低冷源或熱源的能耗，從而達到節(jié)能目的。

在現行設計規(guī)范和標準中,對空氣—空氣能量回收系統(tǒng)的設計和應用要求見表1。

哈爾濱某辦公樓項目，共26層，總建筑面積60000m2，其中空調面積48880m2。本文將對該辦公樓項目排風熱回收系統(tǒng)的應用，進行技術及經濟性分析。

1 研究條件和方法

1.1 空調風系統(tǒng)形式

該項目采用風機盤管（FCU）加新風(PAU)的空調系統(tǒng)，新風由新風處理機組通過風道送至各辦公區(qū)域，

并設置相應機械排風系統(tǒng)。

表1 相關設計規(guī)范和標準中的條文要求

表2 該項目室內設計參數

1.2 室內設計參數

由上述表格內人員密度及最小新風量標準可以得出該項目新風量為：

48880×30/10=146640m3/h。

1.3 室外氣象條件

室外氣象參數是進行排風熱回收分析的重要基礎研究資料。該項目位于哈爾濱市，屬于中國氣候分區(qū)中的嚴寒A區(qū)，本文計算所用氣象數據均來自《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數據集》［3］。圖1為哈爾濱地區(qū)全年8760h室外干球溫度。

1.4 負荷情況

采用HDY-SMAD空調負荷計算分析軟件V4. 0（能耗分析版）進行計算，得出全年逐時負荷分布，如圖2所示，全年新風負荷情況，如圖3所示。

由圖2可以看出該項目熱負荷出現在10月份到來年的4月份，供暖期較長，冷負荷主要出現在5月份到9月份，供冷時間相對較短。

將全年逐時負荷相加，得出全年所需供冷量及供熱量見表3。

表3 該項目全年負荷情況

由圖3及表3可以看出，新風負荷占全年負荷的43.8%，嚴寒地區(qū)新風負荷比例較大，全年新風負荷中，潛熱負荷所占比例達到了為33%，在考慮能量回收時應考慮潛熱負荷的回收。

1.5 電價及熱價

該項目地點為哈爾濱市，電價及熱價見表4。

表4 哈爾濱市電價及熱價

注：1.非居民用熱價格，全額熱費=基本熱費+計量熱費，基本熱費=基本熱價×用戶收費面積；

2.基本熱價：每m2使用面積19.00元/a；

3.計量熱價：每GJ52.74元，選取依據為黑龍江省物價監(jiān)督管理局所

發(fā)哈價聯(lián)發(fā)〔2013〕37號文；

4.A電價：選取依據為黑龍江省物價監(jiān)督管理局所發(fā)黑價格［2016］4號文。

2 排風熱回收方案確定

2.1 排風熱回收方式

排風熱回收分顯熱回收和全熱回收兩種方式，由全年負荷情況可知，該項目全年新風負荷中，潛熱負荷所占比例約為33%，比例較大，在分析排風熱回收節(jié)能效果時，潛熱負荷能量回收不可忽視，因此該項目采用全熱回收方式。

2.2 排風熱回收裝置

排風熱回收裝置有多種不同的類型，常用熱回收裝置性能和適用對象在文獻[2][4]內都有描述，其中常用的全熱回收裝置為轉輪式和板翅式兩種，相關性能對比見表5。

由表5可以看出，轉輪式全熱回收裝置相對于板翅式效率高，適用風量大，該項目選用轉輪式全熱回收裝置進行接下來的節(jié)能效果分析。

經熱回收裝置廠商進行選型，確定該項目轉輪式全熱回收裝置參數見表6。

2.3 排風熱回收運行策略

該項目排風熱回收系統(tǒng)應用示意圖見圖5，空調房間排風經排風機排出，與室外新風在轉輪熱交換器處進行全熱交換，對新風進行預處理，預處理后的新風經新風處理機組進一步處理后送入室內?？紤]到盡量避免新、排風漏風，以及進入轉輪氣流的均勻性，新、排風機均采用抽吸式布置方式。

表5 常用空氣熱回收裝置（全熱）性能

表6 轉輪式全熱回收裝置性能參數

圖中：T11為室內排風干球溫度，即轉輪排風入口干球溫度，℃，h11為對應焓值，kJ/kg；Td為室內露點溫度，由表2可知Td=1.9℃；T12為轉輪排風出口干球溫度，℃；h12為對應焓值，kJ/kg；T21為室外干球溫度，即轉輪新風入口干球溫度，℃；h21為對應焓值，kJ/kg；T22為新風經預熱盤管后的溫度，℃；h22為對應焓值，kJ/kg；T23為新風轉輪出口干球溫度，℃；h23為對應焓值，kJ/kg；η為轉輪熱交換器全熱效率；G1為排風量；G2為新風量，m3/h；考慮到室內相對正壓，排風與新風比值取0.8。

由上圖可以看出，排風熱回收系統(tǒng)相對于常規(guī)系統(tǒng)，增加了新、排風側的系統(tǒng)阻力，且轉輪自身運行需

要能耗，該項目風機能耗增加：

式中 W—單位風量風機耗電量增加能耗，W/（m3·h）；

W1—風機能耗，W/（m3·h）；

W2—轉輪自身能耗,W/（m3·h）；

ΔP—新、排風側增加阻力，Pa；

ηt—通風機總效率，%。

由表6可知ΔP=350Pa，W2=0.02W/（m3·h），ηt取65%[5]，可計算得出W=0.0832W/（m3·h）。

其中夏季工況，轉輪熱回收裝置的臨界適用條件為：

式中 ES—夏季工況下單位風量熱回收量，W/（m3·h）；

ρ—空氣密度，kg/m3；

SCOP—電冷源綜合制冷性能系數，kW/kW。

其中SCOP取4.0［1］，將表2及表6內相關數據帶入上述公式，可計算得出h22-h11≥1.92kJ/kg，即室外新風焓值h22≥53.02kJ/kg。

該項目冬季采用市政供熱方式，冬季工況轉輪熱回收裝置的臨界適用條件為：

式中 Ph—轉輪熱回收裝置節(jié)省的熱量費用，元；

Pe—轉輪熱回收消耗電量產生的電費，元。

式中 RJ—熱價，元/GJ。

式中 DJ—電價，元/（kW·h）。

將表2及表6內相關數據帶入上述公式，可計算得出 h11-h22≥2.18kJ/kg，即室外新風焓值 h22≤29.32kJ/kg

上述分析匯總排風熱回收運行策略見表7，在冬季及夏季工況滿足轉輪熱回收條件時，對室內排風進行熱回收，當系統(tǒng)處于過渡季工況時，關閉熱轉輪，開啟新，排風旁通管，進行過渡季免費供冷，避免轉輪阻力損失。

2.4 冬季熱轉輪防凍考慮

哈爾濱地區(qū)室外寒冷，當室內排風與室外低溫新風經轉輪進行熱交換后，排風干球溫度達到露點溫度產生凝結水，且排風溫度低于水的的結冰溫度0度時，就會發(fā)生結霜甚至冰堵現象，即

表7 排風熱回收運行策略

轉輪熱回收裝置一旦出現冰堵，排風經過轉輪的氣流通道會逐漸變窄，風阻隨之增加，致使排風流量減小，排風側的溫度會因排風量的減小而降低，更加劇了冷凝水的凍結，從而形成惡性循環(huán)。

轉輪熱回收裝置防冰堵通常有三種方法[6]：

（1）調整轉輪的旋轉速度。轉輪電機采用變頻控制，當排風溫度低于設定時，通過變頻器降低轉輪轉速，即使轉輪效率降低，排風溫度升高，防止冰堵發(fā)生；

（2）改變新排風比例。轉輪上下設置旁通風閥，新風經風閥分流，使排風溫度保持在冰點以上，防止冰堵發(fā)生；

（3）預熱新風。將低溫的新風預熱至室內排風露點溫度以上，避免排風產生凝結水，可避免轉輪冰堵發(fā)生。

哈爾濱地區(qū)室外寒冷，考慮到實際應用的安全可靠性，該項目轉輪防凍采用預熱新風方式，室內排風露點溫度Td=1.9℃，取預熱盤管臨界開啟溫度為2℃，當室外新風溫度低于2℃時，開啟預熱盤管，將室外新風預熱至2℃，再經轉輪進行熱交換。

3 排風熱回收節(jié)能效果

3.1 排風熱回收節(jié)能運行小時數

根據表7，匯總全年冬季工況及夏季工況下，排風熱回收節(jié)能運行小時數見表8。

表8 排風熱回收節(jié)能運行小時數

由上表可以看出，該項目冬季工況排風熱回收節(jié)能運行時間達到了全年運行時間的61%，夏季工況達到了20%，排風熱回收全年總節(jié)能運行小時數達到了運行時間的81%，全年大部分空調運行時刻都有節(jié)能運行條件。

3.2 排風熱回收節(jié)能量

轉輪排風全熱回收節(jié)能量計算公式如下：

ΔQ=ηG1ρ∫（h22-h11）dt （6）

式中 ΔQ—轉輪排風全熱回收節(jié)能量，kW；

t—節(jié)能運行時間，h。

根據上述公式，計算得出該項目全年轉輪全熱回收熱量/冷量情況見表9。

表9 該項目全年轉輪全熱回收熱量/冷量

由表9可以看出，冬季熱回收熱量占總供熱量的23%，可節(jié)約887330kW·h的年耗熱量，夏季熱回收冷量占總供冷量的10.9%，可節(jié)約292987kW·h的年耗冷量，全年轉輪回收熱量為1181016kW·h，占全年新風負荷的41.1%，因此該項目全年排風熱回收節(jié)能運行效果顯著。

4 排風熱回收系統(tǒng)經濟性分析

在進行排風熱回收系統(tǒng)經濟性分析時，需考慮如下幾個問題：

（1）轉輪裝置、預熱盤管及新、排風旁通風管及相應閥門等設備及附件增加，系統(tǒng)初投資增加；

（2）轉輪設備增加了送、排風系統(tǒng)在熱回收工況下運行時的阻力，相應風系統(tǒng)輸送能耗增加；

（3）熱轉輪自身運行需要耗電。

4.1 排風熱回收系統(tǒng)初投資增加

排風熱回收系統(tǒng)相對于常規(guī)系統(tǒng)，單位風量設備初投資增加約為3.5元/（m3·h），其中熱轉輪設備初投資增加約為2.5元/（m·h），其余附件初投資增加約為1.5元/（m·h），因此，該項目初投資增加量見表10。

表10 該項目初投資增加

4.2 耗電量增加

見表11。

4.3 全年節(jié)省運行費用

根據哈爾濱電價及熱價，可計算該項目冬季及夏季排風熱回收全年節(jié)省運行費用情況見表12。

除掉每年耗電量增加，則每年節(jié)省運行費用為23.17-4.58=18.58萬元

4.4 靜態(tài)投資回收期計算

靜態(tài)投資回收期=投資增加費用/（每年節(jié)省運行費用-每年耗電量增加費用）

將4.1～4.3小節(jié)數值帶入上述公式，可以得出該項目靜態(tài)投資回收期為：

51.324/（23.17-4.58）=2.76a

表11 風機年耗電量增加

表12 全年節(jié)省運行費用

5 結語

根據分析，該項目辦公建筑采用排風全熱回收，每年可節(jié)約運行費用18.58萬元，轉輪全熱回收靜態(tài)投資回收期約為2.76年，節(jié)能運行效果顯著。

本文通過計算得出該項目熱回收裝置的臨界節(jié)能適用條件如下：

（1）夏季工況：室內外焓差h22-h11≥1.92kJ/kg，即室外新風焓值h22≥53.02 kJ/kg

（2）冬季工況：室內外焓差h11-h22≥2.18kJ/kg，即室外新風焓值h22≤29.32kJ/kg

在進行哈爾濱地區(qū)排風全熱回收系統(tǒng)設計時，應充分考慮哈爾濱地區(qū)室外寒冷，容易發(fā)生結霜甚至冰堵危險，考慮到實際應用的安全可靠性，轉輪應考慮防凍措施。

[1]GB50189-2015,公共建筑節(jié)能設計標準[S].

[2]GB50736-2012,民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范[S].

[3]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系．中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數據集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[4]辛業(yè)洪，韓杰.某超高建筑空調系統(tǒng)排風全熱回收方案的生命周期成本分析[J].建筑技術研究，2013，（3）：70～72.

[5]GB19761-2009，通風機能效限定值及能效等級[S].

[6]劉明山，王旭東.冬季寒冷地區(qū)排風熱回收空調機組防凍傷處理[J]．暖通空調，2011，（3）：21～25.

Technical and Economic Analysis of Heat Recovery Application in an Office Building of Harbin

LV Xin-xin
（East China Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200002，China）

Exhaustair heat recovery is animportant energy-savingmethod.Accordingtothefeatures of theclimate, thispaperanalyzestheheatrecoveryeffectinanofficebuildingofHarbin.Theincreaseoftheinitial investmentandtheannual savings inoperatingcosts is calculated.Thestatic investment payback periodis calculated.Theresults showthat heat recoveryenergysavingeffectinthisbuildingisremarkable。

heatrecovery； energy-saving； initial investment； operationcost； investmentpayback period

TU831

B

2095-3429（2016）03-0049-05

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.012

2016-04-25

修回日期：2016-05-23

呂欣欣（1985-），女，山東濰坊人，工學碩士，工程師，主要從事大型商業(yè)綜合體、辦公、酒店及劇院類項目的空調設計工作。