劉坡軍

廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)空調(diào)能耗作為大型公共建筑的主要能耗之一，已占總能耗的40%～60%[1]。排風(fēng)熱回收作為一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)在建筑節(jié)能方面潛力巨大。采用各類熱回收裝置回收排風(fēng)能量，可使供暖空調(diào)能耗降低約10%～20%[2]。

對(duì)于排風(fēng)熱回收在GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.3.23中規(guī)定：設(shè)有集中排風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)，且技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)，宜設(shè)置空氣—空氣能量回收裝置；在第7.3.24中規(guī)定：空氣能量回收裝置的設(shè)計(jì)，應(yīng)符合下列要求：1）能量回收裝置的類型，應(yīng)根據(jù)處理風(fēng)量、新排風(fēng)中顯熱和潛熱的構(gòu)成以及排風(fēng)中污染物種類等選擇；2）能量回收裝置的計(jì)算，應(yīng)考慮積塵的影響，并對(duì)是否結(jié)霜和結(jié)露進(jìn)行核算。

在GB 50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第4.3.25中規(guī)定：設(shè)有集中排風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較合理時(shí)，宜設(shè)置空氣—空氣能量回收裝置。嚴(yán)寒地區(qū)采用時(shí)，應(yīng)對(duì)能量回收裝置的排風(fēng)側(cè)是否出現(xiàn)結(jié)露或結(jié)露現(xiàn)象進(jìn)行核算。當(dāng)出現(xiàn)結(jié)露或結(jié)露時(shí)，應(yīng)采取預(yù)熱等保溫防凍措施。在第4.3.26里規(guī)定：有人員長(zhǎng)期停留且不設(shè)置集中新風(fēng)、排風(fēng)系統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)區(qū)域或空調(diào)房間，宜在各空氣調(diào)節(jié)區(qū)或空調(diào)房間分別安裝帶熱回收功能的雙向換氣裝置。

在GB/T 50378-2014《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.13中規(guī)定：排風(fēng)熱量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理并運(yùn)行可靠，評(píng)價(jià)分值為3分。

1 空氣源熱泵回收空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能量

將空調(diào)排風(fēng)引到空氣源熱泵室外換熱器處，在通過室外機(jī)換熱器自帶的風(fēng)扇自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量。系統(tǒng)原理圖見圖1，某辦公樓空氣源熱泵回收空調(diào)平面接管圖見圖2。

圖1 空氣源熱泵回收空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能量圖

圖2 某辦公樓空氣源熱泵回收空調(diào)平面接管圖

室外空氣溫度和濕度對(duì)于熱泵的功率和性能系數(shù)（制冷系數(shù)和制熱系數(shù)）都有很大的影響，一般來說，在蒸發(fā)溫度不變的條件下，熱泵的制冷量和制冷系數(shù)是隨著冷凝溫度的下降（升高）而增加（減?。?；在冷凝溫度不變的條件下，熱泵的制熱量和制熱系數(shù)是隨著蒸發(fā)溫度的下降（升高）而減小（增加）。表1為某風(fēng)冷式熱泵機(jī)組在不同室外空氣溫度條件下的性能參數(shù)。

表1 某風(fēng)冷式熱泵機(jī)組在不同室外氣溫下的性能參數(shù)

由表1可知，在制冷工況下，以室外空氣溫度為35℃做基準(zhǔn)，在蒸發(fā)溫度不變的條件下，室外空氣溫度每降低或升高1℃，制冷系數(shù)增加或減少約2.2%；在制熱工況下，以室外空氣溫度為7℃做基準(zhǔn)，在冷凝溫度不變的條件下，室外空氣溫度每降低或升高1℃，制熱系數(shù)減少或約增加1.3%左右。引入空調(diào)排風(fēng)熱，即可實(shí)現(xiàn)降低空氣源熱泵冷凝器的冷凝溫度（夏季）或提高空氣源熱泵的蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度（冬季），從而提高制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)或供熱系統(tǒng)的制熱系數(shù)，增加制冷和供熱效率，減少電力消耗。同時(shí)，在設(shè)計(jì)選擇空氣源熱泵機(jī)組容量的時(shí)候就能降低機(jī)組的規(guī)格和型號(hào)，減少機(jī)組設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用。

2 幾種常見的空調(diào)熱回收設(shè)備

常見的熱回收設(shè)備有轉(zhuǎn)輪式、板翅式全熱換熱器和熱管式、液體循環(huán)式。其中根據(jù)熱量回收方式分為全熱回收和顯熱回收。所謂全熱換熱器是用具有吸濕作用的材料制作的，它既能傳熱又能傳濕，可同時(shí)回收顯熱和潛熱。顯熱換熱器用沒有吸濕作用的材料制作，只有傳熱，沒有傳濕能力，只能回收顯熱。

1）轉(zhuǎn)輪式。轉(zhuǎn)輪熱回收分顯熱回收以及全熱回收兩種方式分。顯熱回收轉(zhuǎn)輪的材質(zhì)一般為鋁箔，全熱回收轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為具有吸濕表面的鋁箔材料或其他蓄熱吸濕材料。轉(zhuǎn)輪作為蓄熱芯體，新風(fēng)通過轉(zhuǎn)輪的一個(gè)半圓，而同時(shí)排風(fēng)通過轉(zhuǎn)輪的另一半圓，新風(fēng)和排風(fēng)以相反的方向交替流過轉(zhuǎn)輪。新風(fēng)和排風(fēng)間存在著溫度差和濕度差，轉(zhuǎn)輪不斷地在高溫高濕側(cè)吸收熱量和水分，并在低溫低濕側(cè)釋放，來完成全熱交換。

2）板式（板翅式）。顯熱類型板式（板翅式）熱回收裝置多以鋁箔為間質(zhì)，全熱類則以紙質(zhì)等具有吸濕作用的材料為間質(zhì)。這類熱回收裝置使用效果的好壞主要取決于換熱間質(zhì)的類型和結(jié)構(gòu)工藝水平的高低。隨著材料技術(shù)和工藝的進(jìn)步，現(xiàn)在有些板式全熱回收裝置采用了納米氣體分離復(fù)合膜作為熱質(zhì)交換材料，全熱交換效率更高，空氣阻力大幅度下降，熱質(zhì)交換材料的孔徑更小，延長(zhǎng)了換熱器壽命。

3）熱管式。熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實(shí)現(xiàn)傳熱的高效傳熱元件，它可以將大量熱量通過其很小的截面積長(zhǎng)距離地傳輸而無需外加動(dòng)力。熱管以其構(gòu)思巧妙、傳輸溫差小、適用溫度范圍廣、可調(diào)控管內(nèi)熱流密度等眾多優(yōu)良特性。在能量回收和余熱利用方面已顯示出其獨(dú)特的作用。熱管換熱器屬于冷熱流體互不接觸的表面式換熱器，它具有的占地小、無轉(zhuǎn)動(dòng)部件、運(yùn)行安全可靠、換熱效率高等優(yōu)良特性。熱管一端為蒸發(fā)端，另一端為冷凝端，熱管一端受熱時(shí)，液體迅速蒸發(fā)，蒸汽在微小壓力差作用下流向另一端，并且快速釋放熱量，而后重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)作用流回蒸發(fā)端。如此循環(huán)，熱量可以源源不斷地進(jìn)行傳遞。

4）液體循環(huán)式。又稱為中間熱媒式，即通過泵驅(qū)動(dòng)熱媒工質(zhì)的循環(huán)來傳遞冷熱端的熱量，具有新風(fēng)與排風(fēng)不會(huì)產(chǎn)生交叉污染和布置方便靈活的優(yōu)點(diǎn)。但是需配備循環(huán)泵來輸送中間熱媒，因此傳遞冷熱量的效率相對(duì)要低，不回收潛熱，本體動(dòng)力消耗較大。

上述熱回收裝置的一個(gè)共同特點(diǎn)是體積較大、投資較大，并且需要把排風(fēng)和新風(fēng)管道引到建筑物內(nèi)同一區(qū)域才能實(shí)現(xiàn)，在具體的工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要解決機(jī)房的面積相對(duì)較大、管道系統(tǒng)復(fù)雜等技術(shù)問題。目前實(shí)際工程中對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能量的回收很不充分，雖按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定處理，也只回收了大部分排風(fēng)的能量。各種排風(fēng)熱回收裝置特點(diǎn)[6]見表2：

表2 排風(fēng)熱回收裝置的特點(diǎn)

3 排風(fēng)熱回收裝置節(jié)能量的計(jì)算

3.1 排風(fēng)熱回收回收裝置節(jié)能量計(jì)算方法

以夏季采用顯熱回收裝置回收空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)中的冷量為例來計(jì)算系統(tǒng)的節(jié)能量。通過換熱裝置可回收的能量：

式中：Q為換熱器回收的總冷量，kW；ρ為空氣的密度，取 1.2 kg/m3；Lo為新風(fēng)量，m3/s；cp為空氣的比定壓熱容，取1.01 kJ/(kg℃)；tw和tn分別為室外和室內(nèi)的空氣溫度，℃；ηr為換熱器的相應(yīng)效率。當(dāng)tw＜tn時(shí)，Q為負(fù)值，給系統(tǒng)帶來的是負(fù)收益。

運(yùn)行裝置需要消耗能量，對(duì)于非溶液循環(huán)式和熱泵型裝置，可用下式來計(jì)算：

式中：Nz為風(fēng)機(jī)所消耗的軸功率，kW；Le為系統(tǒng)的排風(fēng)量，m3/s；p為風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，Pa；對(duì)于不配備風(fēng)機(jī)的熱回收裝置，p則為裝置的阻力，下標(biāo)o，e分別表示新風(fēng)側(cè)和排風(fēng)側(cè)；η，ηm分別為風(fēng)機(jī)的效率和傳動(dòng)效率。

將回收的冷熱量換算為需要消耗的能源如電能：

式中：COPs為未安裝熱回收裝置的系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能效比。

增加熱回收裝置后，系統(tǒng)的節(jié)能量E通過下式計(jì)算：

式中：δ1，δ2根據(jù)運(yùn)行時(shí)的天氣情況和系統(tǒng)形式確定，取0或 1。

計(jì)算某時(shí)段安裝熱回收裝置后系統(tǒng)總能量的節(jié)省量ET

式中：Π為系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)段。

對(duì)于冬季采用顯熱回收裝置的系統(tǒng)，其熱回收量計(jì)算可直接將上述各式中的室外溫度tw與室內(nèi)溫tn交換位置；對(duì)于應(yīng)用全熱回收裝置的系統(tǒng)，將上述各式中的cptw，cptn，ηr換成室外空氣比焓hw，室內(nèi)空氣比焓hn和全熱交換器的效率ηrq即可。

3.2 排風(fēng)熱回收回收裝置節(jié)能量分析

排風(fēng)熱回收裝置運(yùn)行需要消耗能量，常見的排風(fēng)熱回收裝置除了克服風(fēng)管的壓力損失，還需克服產(chǎn)品自身的壓力損失（從表1可知，產(chǎn)品壓力損失為100～1000 Pa不等）。由式（2）、～（5）可知，排風(fēng)熱回收系統(tǒng)引起的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)附加阻力越高，系統(tǒng)消耗的能量越大，系統(tǒng)總能量的節(jié)省量ET越小，熱回收的意義也就越小。

利用空氣源熱泵回收空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能量的熱回收方式時(shí)，只需要增加克服從排風(fēng)口到空氣源熱泵處的輸送排風(fēng)的管道阻力的能量，該部分阻力較小，系統(tǒng)消耗的能量小，系統(tǒng)總能量的節(jié)省量ET大，熱回收的效果明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)熱回收裝置在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步的探討，分析了幾種常見的空調(diào)熱回收設(shè)備特點(diǎn)。采用何種排風(fēng)熱回收形式，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩?、氣候條件，需處理的空氣特性等條件綜合考慮，并結(jié)合空調(diào)熱回收設(shè)備特點(diǎn)，進(jìn)行全年運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析后確定。

利用空氣源熱泵回收空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能量，是一種系統(tǒng)簡(jiǎn)單，節(jié)能效果好的一種熱回收方式，是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的一種思路。