姜 坪，林熙龍

(浙江理工大學(xué) 建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系，浙江 杭州 310018)

暖通空調(diào)能耗約占建筑能耗的60%，而新風(fēng)負(fù)荷約占空調(diào)能耗的30%[1]。因此，有效降低新風(fēng)處理機(jī)組的能耗具有重要意義。與傳統(tǒng)的機(jī)械制冷方式相比，間接蒸發(fā)冷卻因?yàn)槠洳恍枰斯だ湓?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，初投資與運(yùn)行費(fèi)用少，以水為工質(zhì)，經(jīng)濟(jì)環(huán)保[2]受到了廣泛關(guān)注。由于間接蒸發(fā)冷卻可以實(shí)現(xiàn)空氣的等濕降溫，利用其對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷，在夏季與過渡季節(jié)能夠有良好的節(jié)能效果[3]。Peterson和Hunn建造了一個(gè)為空調(diào)系統(tǒng)提供混合空氣預(yù)冷的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)這樣的復(fù)合系統(tǒng)可以負(fù)擔(dān)約12%的傳統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷[4]。黃翔等用蒸發(fā)冷卻器與機(jī)械制冷系統(tǒng)相結(jié)合，在夏季預(yù)冷新風(fēng)，當(dāng)新風(fēng)比為20%時(shí)，可減少系統(tǒng)10%運(yùn)行負(fù)荷，降低高品位能源消耗[5]。太陽能作為一種分布廣、儲(chǔ)量豐富且清潔無污染的可再生能源，也得到越來越多的應(yīng)用。太陽能的熱利用一般有太陽能水集熱器與太陽能空氣集熱器兩種方式。太陽能水集熱器是利用太陽能產(chǎn)生熱水提供給用戶，已獲得較為廣泛的應(yīng)用。太陽能空氣集熱器則是利用太陽能直接加熱空氣，可以用于干燥、房間供熱等[6-7]，與太陽能水集熱器相比，太陽能空氣集熱器不需要水的二次換熱，在需要加熱空氣的場(chǎng)合更具優(yōu)勢(shì)。張兵等通過熱泵蒸發(fā)器前串聯(lián)太陽能空氣預(yù)熱器的新型方式提高了熱泵機(jī)組的COP[8]。姜坪等設(shè)計(jì)了一種高效率的新型太陽能空氣集熱器，該種太陽能空氣集熱器在風(fēng)量為0.006 13 m3/s，太陽輻射強(qiáng)度611.484 W/m2的實(shí)驗(yàn)條件下，最高瞬時(shí)集熱效率為71.73%[9]。

基于太陽能與蒸發(fā)冷卻的新型新風(fēng)處理機(jī)組是將太陽能空氣集熱器和間接蒸發(fā)冷卻器相結(jié)合，夏季利用間接蒸發(fā)冷卻器對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)冷；冬季利用太陽能空氣集熱器對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱。其中，間接蒸發(fā)冷卻器中的噴淋水采用循環(huán)水，并引入室內(nèi)空調(diào)末端產(chǎn)生的冷凝水來降低噴淋水的水溫。

1 新型新風(fēng)處理機(jī)組構(gòu)成及運(yùn)行原理

新型新風(fēng)處理機(jī)組由太陽能空氣集熱器、間接蒸發(fā)冷卻器、水箱、表冷器、新風(fēng)處理機(jī)組送風(fēng)風(fēng)機(jī)、過濾器以及水泵等組成，機(jī)組結(jié)構(gòu)見圖1。其中間接蒸發(fā)冷卻器的二次空氣使用的是室內(nèi)排風(fēng)。

夏季開啟第二風(fēng)閥6，關(guān)閉第一風(fēng)閥4，間接蒸發(fā)冷卻器噴淋泵10，新風(fēng)由新風(fēng)入口5進(jìn)入入口段7，然后經(jīng)過過濾器8進(jìn)行過濾，再進(jìn)入間接蒸發(fā)冷卻器9，此時(shí)水箱11中的水由水泵10驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入布水器14對(duì)間接蒸發(fā)冷卻換熱器13內(nèi)二次空氣流道進(jìn)行噴淋，從室內(nèi)排出的二次空氣流過水膜時(shí)，水分蒸發(fā)。吸收換熱面及相鄰流道一次空氣的熱量后使一次空氣降溫，二次空氣則在間接蒸發(fā)冷卻排風(fēng)風(fēng)機(jī)21的驅(qū)動(dòng)下通過排風(fēng)管20排出室外。新風(fēng)其余所需冷量由空調(diào)主機(jī)提供冷凍水的表冷器16承擔(dān)。

圖1 新型新風(fēng)處理機(jī)組系統(tǒng)圖 注：1-冬季新風(fēng)入口；2-太陽能空氣集熱器；3-軸流風(fēng)機(jī)；4-第一風(fēng)閥；5-夏季新風(fēng)入口；6-第二風(fēng)閥；7-入口段；8-過濾器；9-間接蒸發(fā)冷卻器；10-間接蒸發(fā)冷卻器噴淋泵；11-水箱；12-間接蒸發(fā)冷卻二次空氣入口；13-間接蒸發(fā)冷卻換熱器；14-布水器；15-間接蒸發(fā)冷卻器二次空氣出口；16-表冷器；17-新風(fēng)處理機(jī)組送風(fēng)風(fēng)機(jī)；18-冷(熱)水進(jìn)水管；19-冷(熱)水出水管；20-間接蒸發(fā)冷卻器二次空氣排風(fēng)管；21-間接蒸發(fā)冷卻器排風(fēng)風(fēng)機(jī)

冬季開啟第一風(fēng)閥4，關(guān)閉第二風(fēng)閥6，間接蒸發(fā)冷卻器噴淋泵10和布水器14停止工作，一次空氣從冬季新風(fēng)入口1進(jìn)入太陽能空氣集熱器2，空氣被加熱，在軸流風(fēng)機(jī)3的驅(qū)動(dòng)下空氣進(jìn)入入口段7，再經(jīng)過過濾器8對(duì)空氣進(jìn)行過濾。若此時(shí)的空氣溫度高于排風(fēng)溫度則關(guān)閉間接蒸發(fā)冷卻二次空氣入口12，關(guān)閉表冷器16，新風(fēng)處理機(jī)組送風(fēng)風(fēng)機(jī)17進(jìn)入室內(nèi)；若此時(shí)的空氣溫度低于室內(nèi)排風(fēng)溫度則打開間接蒸發(fā)冷卻二次空氣入口12，使一次空氣進(jìn)入間接蒸發(fā)冷卻換熱器13與二次空氣進(jìn)行熱交換，通過新風(fēng)處理機(jī)組送風(fēng)風(fēng)機(jī)17送入室內(nèi)，二次空氣則在間接蒸發(fā)冷卻排風(fēng)風(fēng)機(jī)21的驅(qū)動(dòng)下通過排風(fēng)管20排出室外。此時(shí)間接蒸發(fā)冷卻換熱器為新風(fēng)熱回收器。新風(fēng)其余所需熱量由空調(diào)主機(jī)提供熱水的表冷器16承擔(dān)。

過渡季節(jié)表冷器16停止工作，可以根據(jù)需求停止使用新風(fēng)處理機(jī)組，也可以利用太陽能空氣集熱器2對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行加熱或利用間接蒸發(fā)冷卻器9對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行冷卻。

2 新型新風(fēng)處理機(jī)組設(shè)計(jì)計(jì)算

以杭州為例，杭州市室外空氣參數(shù)[10]為：夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度t1=35.6 ℃，夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度為29 ℃，夏季室外空氣焓值h1=94.3 kJ/kg，含濕量d1=22.8 g/kg，相對(duì)濕度為61%，露點(diǎn)溫度為27.0 ℃。冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度t4=-2.4 ℃，冬季空調(diào)室外相對(duì)濕度為82%，濕球溫度tsnx=20.3 ℃，冬季室外空氣焓值h4=3.5 kJ/kg。

夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度tnx=26 ℃，相對(duì)濕度為60%，濕球溫度為20.3 ℃，露點(diǎn)溫度為17.7 ℃，焓值hnx=58.4 kJ/kg；冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度tnd=18 ℃，相對(duì)濕度為55%，焓值hnd=36.3 kJ/kg。冬夏季空氣密度ρ均取1.3 kg/m3。

使用該新型新風(fēng)處理機(jī)組建筑的面積為250 m2，人員為50人，人均所需新風(fēng)量為30 m3/h，總新風(fēng)量即總一次空氣量為1 500 m3/h。冬夏季一次空氣風(fēng)量L1與二次空氣L2風(fēng)量均相同。

2.1 間接蒸發(fā)冷卻器

(1)夏季工況

一次空氣為室外新風(fēng)，二次空氣使用室內(nèi)排風(fēng)。如采用循環(huán)水噴淋，則噴淋水溫等于二次空氣的濕球溫度，但間接蒸發(fā)冷卻器中的循環(huán)水以冷凝水作為補(bǔ)充，因此噴淋水溫度會(huì)低于二次空氣的濕球溫度。循環(huán)水量與冷凝水量的比值決定了噴淋水的最終溫度，在間接蒸發(fā)冷卻器中，水氣比以0.2～0.5為最佳，取水氣比為0.2，因此循環(huán)水量為390 kg/h[11-13]。冷凝水量與循環(huán)水量的比例約為1∶15，由此可得噴淋水溫為20 ℃。

普通間接蒸發(fā)冷卻器運(yùn)行時(shí)，一次空氣是等濕降溫的，但由于加入了冷凝水，噴淋水溫降低，此時(shí)間接蒸發(fā)冷卻器的壁面溫度低于一次空氣的露點(diǎn)溫度，所以一次空氣在通過間接蒸發(fā)冷卻器時(shí)降溫去濕。有實(shí)驗(yàn)研究證明，當(dāng)二次空氣采用室內(nèi)排風(fēng)，一次空氣相對(duì)濕度為60%并被降溫去濕時(shí)，間接蒸發(fā)冷卻器冷卻效率隨一次空氣干球溫度的上升而下降。當(dāng)一次空氣干球溫度由27 ℃上升至36 ℃時(shí)，間接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率從0.65降低至0.54左右[14]。因此取間接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率為54%。

間接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率η[5]如下

(1)

式中t2——夏季一次空氣出風(fēng)干球溫度/℃；

tx——噴淋水溫/℃。

可求得一次空氣的出風(fēng)干球溫度為t2=27.2 ℃。此時(shí)一次空氣的相對(duì)濕度為90%，h2=80.0 kJ/kg。因此間接蒸發(fā)冷卻器承擔(dān)的新風(fēng)冷量為

(2)

圖2顯示了夏季工況下新型新風(fēng)機(jī)組的空氣處理過程。由于噴淋水溫略低于二次空氣進(jìn)風(fēng)的濕球溫度，因此二次空氣在間接蒸發(fā)冷卻器中從Nx減焓加濕至L2，同時(shí)將冷量傳遞給一次空氣而等濕升溫，最終二次空氣狀態(tài)點(diǎn)由狀態(tài)點(diǎn)Nx變化至Nx1。一次空氣Wx通過間接蒸發(fā)冷卻器降溫去濕后到L點(diǎn)，進(jìn)入表冷器被繼續(xù)降溫去濕至送風(fēng)點(diǎn)O。

圖2 夏季工況空氣處理過程

(2)冬季工況

冬季時(shí)噴淋水系統(tǒng)停止工作，間接蒸發(fā)冷卻器此時(shí)成為顯熱換熱器，顯熱交換效率ε取55%[15]。此時(shí)二次空氣溫度tnd=18 ℃。

一次空氣與二次空氣的顯熱交換效率ε如下

(3)

式中t5——冬季一次空氣的進(jìn)風(fēng)溫度/℃;

t6——冬季一次空氣的出風(fēng)溫度/℃。

冬季工況下新型新風(fēng)機(jī)組的空氣處理過程如下。一次空氣在太陽能空氣集熱器中吸收熱量等濕升溫，再被間接蒸發(fā)冷卻器等濕加熱后進(jìn)入表冷器繼續(xù)加熱到送風(fēng)狀態(tài)。二次空氣通過間接蒸發(fā)冷卻器將熱量傳遞給一次空氣后等濕降溫。

2.2 太陽能空氣集熱器

太陽能空氣集熱器集熱量計(jì)算公式[16]為

(4)

式中η——太陽能空氣集熱器效率/[%]；

QT——太陽能空氣集熱器集熱量/kW；

I0——水平面的太陽輻射強(qiáng)度/W·m-2；

μ——傾角修正系數(shù)；

f—太陽能空氣集熱器的面積/m2。

一次空氣入口溫度t4=-2.4 ℃，冬季室內(nèi)溫度tnd=18 ℃。假設(shè)太陽能空氣集熱器承擔(dān)全部新風(fēng)負(fù)荷，則太陽能空氣集熱器所需集熱量按下式計(jì)算

(5)

式中Cp——空氣定壓比熱容/kJ·(kg·℃)-1，取1.0 kJ/(kg·℃)。

杭州冬季日均太陽輻射強(qiáng)度取I0=317 W/m2[17]，太陽能空氣集熱器傾斜安裝在屋頂處，傾角修正系數(shù)μ取在垂直與水平之間，取0.8[19]。在強(qiáng)迫對(duì)流情況下太陽能空氣集熱器效率的平均值η=65%[18-22]。根據(jù)式(4)可求得太陽能空氣集熱器集熱板的面積f=68 m2。考慮到實(shí)際工程中，太陽能空氣集熱器的允許安裝面積有限，因此取22 m2作為太陽能空氣集熱器的安裝面積。

2.3 表冷器

(1)夏季表冷器承擔(dān)的冷量

經(jīng)間接蒸發(fā)冷卻器預(yù)冷后，夏季表冷器承擔(dān)一次空氣的冷量Q1為

(6)

(2)冬季表冷器承擔(dān)的熱量

杭州冬季總天數(shù)為90 d，取杭州冬季日均太陽輻射強(qiáng)度317 W/m2的75%、50%、25%的太陽輻射強(qiáng)度作為每個(gè)區(qū)段的分界點(diǎn)，杭州冬季日均太陽輻射強(qiáng)度的分布[17]見表1。

表1 杭州冬季日均太陽輻射強(qiáng)度分布

冬季間接蒸發(fā)冷卻器停止噴淋，成為一次空氣和二次空氣的顯熱交換器。一次空氣經(jīng)過太陽能空氣集熱器和間接蒸發(fā)冷卻器依次加熱后，再經(jīng)表冷器加熱到所需空氣狀態(tài)點(diǎn)。當(dāng)落在第一區(qū)段的日均太陽輻射強(qiáng)度為425.3 W/m2時(shí)，根據(jù)式(4)可求得太陽能空氣集熱器提供的熱量為4.9 kW。冬季室外空氣溫度t4為-2.4 ℃，經(jīng)過太陽能空氣集熱器加熱后的一次空氣溫度t5為6.6 ℃。由于顯熱換熱器的熱交換效率為55%，根據(jù)式(3)可求得一次空氣出風(fēng)溫度t6為12.9 ℃。

冬季表冷器承擔(dān)一次空氣加熱量Q2為

(7)

同理，當(dāng)區(qū)段日均太陽輻射強(qiáng)度為279.4 W/m2、195.9 W/m2、112.2 W/m2、0 W/m2時(shí)，表冷器承擔(dān)的一次空氣加熱量分別為3.5 kW、4.0 kW、4.4 kW、5.0 kW。

3 新型新風(fēng)處理機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 設(shè)備初投資

風(fēng)量為1 500 m3/h傳統(tǒng)新風(fēng)處理機(jī)組價(jià)格約為3600元，新型新風(fēng)處理機(jī)組在傳統(tǒng)新風(fēng)處理機(jī)組上增加了間接蒸發(fā)冷卻段，排風(fēng)風(fēng)機(jī)，水泵和太陽能空氣集熱器等。太陽能空氣集熱器所需集熱面積為22 m2，每M2造價(jià)按180元計(jì)，則總價(jià)為3 960元。間接蒸發(fā)冷卻器材料面積大約為3 m2[14-15]，每m2造價(jià)按450元計(jì)，則總價(jià)為1 350元。排風(fēng)風(fēng)機(jī)選取T35-11-2.8軸流風(fēng)機(jī)一臺(tái)，風(fēng)量為1 605 m3/h，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，功率為0.031 kW，單價(jià)500元。當(dāng)新風(fēng)量為1 500 m3/h時(shí)，間接蒸發(fā)冷卻器循環(huán)水量為390 kg/h，泵選取RGB-15-10水泵一臺(tái)，水泵流量為0.6 m3/h，功率為0.1 kW，單價(jià)為200元。新型新風(fēng)處理機(jī)組的增量投資為6 010元，總投資為9 610元。

3.2 運(yùn)行費(fèi)用

(1)傳統(tǒng)新風(fēng)處理機(jī)組

夏季時(shí)一次空氣所需冷量Q3為

(8)

假設(shè)夏季冷水機(jī)組COP為3，每小時(shí)耗電量為6.5 kW·h。

冬季時(shí)一次空氣所需加熱量Q4為11.1 kW，假設(shè)冬季冷水機(jī)組COP為4，每小時(shí)耗電量為2.8 kW·h。

(2)新型新風(fēng)處理機(jī)組

夏季間接蒸發(fā)冷卻器承擔(dān)的冷量為7.7 kW，每小時(shí)耗電量為0.2 kW·h。經(jīng)間接蒸發(fā)冷卻器預(yù)冷后，夏季表冷器承擔(dān)的11.7 kW冷量折算成每小時(shí)耗電量為3.9 kW·h。因此新型新風(fēng)機(jī)組夏季每小時(shí)總耗電量約為4.1 kW·h。

當(dāng)冬季區(qū)段日均太陽輻射強(qiáng)度為425.3 W/m2時(shí)，表冷器承擔(dān)的一次空氣加熱量為2.8 kW，折算成每小時(shí)耗電量為0.7 kW·h。同理可以得到，當(dāng)區(qū)段日均太陽輻射強(qiáng)度為279.4 W/m2、195.9 W/m2、112.2 W/m2、0 W/m2時(shí)，每小時(shí)耗電量分別為0.9 kW·h、1.0 kW·h、1.1 kW·h、1.2 kW·h。當(dāng)機(jī)組在夜晚工作時(shí)，每小時(shí)耗電量為1.2 kW·h。

以新風(fēng)機(jī)組每天工作12 h(白天8 h，晚上4 h)計(jì)，冬夏季各工作90 d，電費(fèi)價(jià)格0.56元/kW·h，傳統(tǒng)新風(fēng)處理機(jī)組與新型新風(fēng)處理機(jī)組冬夏季的運(yùn)行耗電量及電費(fèi)見表2。

與傳統(tǒng)新風(fēng)處理機(jī)組相比，新型新風(fēng)處理機(jī)組夏季節(jié)能2 592 kW·h，節(jié)能率36.9%，節(jié)約費(fèi)用1 451.5元；冬季節(jié)能1 949.2 kW·h，節(jié)能率64.0%，節(jié)約費(fèi)用1 091.5元。全年節(jié)約能耗4 541.2 kW·h，可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用2 543元。

利用凈現(xiàn)值分析法對(duì)新型新風(fēng)處理機(jī)組進(jìn)行回收期分析，折現(xiàn)率取8%，該機(jī)組的累積凈現(xiàn)值見表3。

表2 兩種新風(fēng)處理機(jī)組耗電量與電費(fèi)對(duì)比

表3 新型新風(fēng)處理機(jī)組累積凈現(xiàn)值表

靜態(tài)投資回收年限=累計(jì)凈現(xiàn)值流量出現(xiàn)正值的年份-1+該年初尚未回收的投資/該年凈現(xiàn)值流量=3.7年

因此動(dòng)態(tài)投資回收年限=累計(jì)折現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年份-1+上年累計(jì)折現(xiàn)值的絕對(duì)值/當(dāng)年凈現(xiàn)值流量的折現(xiàn)值=4.7年

依照上述計(jì)算方法，當(dāng)新風(fēng)處理機(jī)組的風(fēng)量為4 500 m3/h時(shí)，新型新風(fēng)處理機(jī)組夏季節(jié)約能耗為7 236 kW·h，節(jié)能率為34.5%；冬季節(jié)約能耗5 688 kW·h，節(jié)能率為63.4%，全年節(jié)約能耗12 924 kW·h。全年節(jié)約費(fèi)用7 237.3元，靜態(tài)投資回收期為3.0年，動(dòng)態(tài)投資回收期為3.6年。

4 結(jié)論

(1)新型新風(fēng)處理機(jī)組利用太陽能空氣集熱器和間接蒸發(fā)冷卻器對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱或預(yù)冷，間接蒸發(fā)冷卻器的噴淋水利用冷凝水降低了噴淋水溫，并利用室內(nèi)排風(fēng)作為二次空氣，提高了換熱效率，降低了新風(fēng)處理能耗。

(2)與傳統(tǒng)新風(fēng)處理機(jī)組相比，新型新風(fēng)處理機(jī)組夏季節(jié)能率為36.9%，冬季節(jié)能率為64.0%。

(3)與傳統(tǒng)新風(fēng)處理機(jī)組相比，當(dāng)新風(fēng)處理機(jī)組的風(fēng)量為1 500 m3/h時(shí)，新型新風(fēng)機(jī)組靜態(tài)投資回收期為3.7年，動(dòng)態(tài)投資回收期為4.7年，當(dāng)為風(fēng)量較大機(jī)組時(shí)，靜、動(dòng)態(tài)投資回收期均有所減小。