王文武張建忠黃虎

1南京市建筑設(shè)計研究院有限責任公司

2南京師范大學能源與機械工程學院

0 前言

新風系統(tǒng)是輻射空調(diào)重要的組成部分。新風不僅需要滿足室內(nèi)人員衛(wèi)生需求，還承擔室內(nèi)的濕負荷。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)，新風負荷占空調(diào)總負荷的比重更大。如何降低新風的能耗及如何使新風系統(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組，帶熱回收的雙冷源新風機組和熱泵式溶液除濕機組進行能耗分析，以南京地區(qū)三臺新風量各為5000 m3/h，排風量為4250 m3/h的機組為例，研究其能耗及整體COP值。并分析三種新風系統(tǒng)的初投資及年運行費用，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)計提供一定的理論參考。

1 帶熱回收的冷卻除濕機組

1.1 機組構(gòu)造及空氣處理過程示意圖

帶熱回收的冷卻除濕新風機組原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，室外的新風先經(jīng)過全熱交換器與室內(nèi)的排風進行熱交換，新風被預(yù)冷或預(yù)熱，再經(jīng)過空氣處理段進行深度處理，達到設(shè)計的送風狀態(tài)點。

圖1 帶熱回收裝置的冷卻除濕新風機組

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

圖2 冷卻除濕新風機組處理過程焓濕圖（夏季）

圖3 冷卻除濕新風機組處理過程焓濕圖（冬季）

表1 冷卻除濕新風機組新風狀態(tài)參數(shù)

1.2 能耗分析

機組表冷段的冷凍水假定由外置地源熱泵機組提供。本臺新風機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、排風參數(shù)變化的幅度不明顯，然而隨排風量與新風量比值和迎面風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)驗轉(zhuǎn)輪實際熱回收效率可以按新、排風量相等時的熱回收效率乘以排風量與新風量的比值估算[7]。機組的新風量為5000 m3/h。排風量為4250 m3/h。則轉(zhuǎn)輪的實際運行效率為60%×85%=50%。

關(guān)于排風機與送風機的能耗，由機組內(nèi)部阻力，機外余壓和風量確定。風機的配套電機功率Nm可按下式計算：

式中：Q 為流量，m3/s；H 為揚程，m；p為風機全壓，Pa；K為電機安全系數(shù)，取1.2～1.3；ηi為傳動效率，電機直連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，本文新風機組風機采用三角帶傳動，取ηi=0.9；η 為風機的內(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機組機組內(nèi)部阻力，余壓及風機全壓的統(tǒng)計表。根據(jù)式（1），送風機與排風機的功率分別為2.75 kW，1.56 kW。

表2 帶熱回收的冷卻除濕新風機組內(nèi)部阻力及風機風壓（Pa）

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

夏季：

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

冬季：

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

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

表3 帶熱回收的冷卻除濕新風機組能耗

2 帶熱回收的雙冷源新風機組

2.1 機組構(gòu)造及空氣處理過程

帶熱回收裝置的雙冷源新風機組的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。室外新風先經(jīng)過熱回收轉(zhuǎn)輪與排風進行換熱，回收排風中的能量，再進入表冷器進行預(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機組

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

圖5 雙冷源新風機組處理過程焓濕圖（夏季）

圖6 雙冷源新風機組處理過程焓濕圖（冬季）

表4 雙冷源新風機組新風狀態(tài)參數(shù)

2.2 能耗分析

機組表冷段的冷凍水假定由外置高溫地源熱泵機組提供。本臺新風機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)輪熱回收實際效率為50%。

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

表5 帶熱回收雙冷源新風機組內(nèi)部阻力及風機風壓（Pa）

經(jīng)過計算，新風量為5000 m3/h的帶熱回收的雙冷源新風機組的能耗如表6所示。

表6 帶熱回收的雙冷源新風機組能耗

3 熱泵式溶液除濕新風機組

3.1 機組構(gòu)造及空氣處理過程

圖7是熱泵驅(qū)動的新風機的工作原理圖，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到送風溫度和適度的要求，因此加入蒸發(fā)器來對最后一級的溶液進行降溫以增強其除濕能力，從而得到適宜的送風參數(shù)。

圖7 熱泵式溶液除濕新風機組

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

圖8 溶液除濕新風機組處理過程焓濕圖（夏季）

圖9 溶液除濕新風機組處理過程焓濕圖（冬季）

表7 溶液除濕新風機組新風狀態(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]。綜合考慮新風與排風的比值及當?shù)氐臍夂驐l件，取其實際熱回收效率為60%計算。

據(jù)相關(guān)文獻對某實際工程熱泵式溶液除濕新風機組的測試數(shù)據(jù)表明，其熱泵系統(tǒng)的COP夏季可達到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計算，冬季COP按4.5計算。

熱泵式溶液新風機組熱回收單元，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。本文選取300 Pa作為計算依據(jù)。并由廠家提供的機組參數(shù)表明，5000 m3/h的新風機組配置了一個全熱回收單元模塊，5臺500 W的溶液循環(huán)泵。

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

表8 熱泵式溶液除濕新風機組內(nèi)部阻力及風機風壓（Pa）

經(jīng)過計算，新風量為5000 m3/h的熱泵式溶液新風機組的能耗如表9所示。

表9 熱泵式溶液新風機組能耗

4 新風機組經(jīng)濟性分析

4.1 新風系統(tǒng)初投資分析

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

表10 不同新風系統(tǒng)初投資分析（萬元）

4.2 年運行費用分析

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

1）帶熱回收的冷卻除濕機組年運行費用

2）帶熱回收雙冷源系統(tǒng)年運行費用

3）熱泵式溶液除濕系統(tǒng)年運行費用

4.3 初投資回收期分析

本文計算初投資回收期以帶轉(zhuǎn)輪的冷卻除濕新風機組為計算基準，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）雙冷源新風機組采用高、低兩種冷源對新風進行處理，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組提高了26%左右。

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

3）雙冷源新風機組初投資較低，相對于冷卻除濕機組回收期僅需4年，是一種經(jīng)濟、節(jié)能的新風機組，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）熱泵式溶液除濕機組不存在濕表面，避免了健康問題，同時溶液具有殺菌作用，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)復雜，規(guī)模較大，且設(shè)備價格昂貴，初投資較高。