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        上海市某商業(yè)建筑排風(fēng)熱回收系統(tǒng)節(jié)能性分析

        2021-03-29 00:05:24鄔佳佳劉東
        關(guān)鍵詞:排風(fēng)量供冷排風(fēng)

        鄔佳佳 劉東

        同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

        隨著綠色低碳節(jié)能建筑的發(fā)展,建筑節(jié)能越來越受到人們的重視??照{(diào)系統(tǒng)作為整個建筑的主要能耗大戶,其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性也越來越被人們所關(guān)注,而在空調(diào)系統(tǒng)總負(fù)荷中新風(fēng)負(fù)荷占比較大,約為 30%~50%,在一些人員密集的公共建筑內(nèi)區(qū),新風(fēng)負(fù)荷所占比例更高,甚至可以達(dá)到70%以上[1]。為了能有效減少新風(fēng)負(fù)荷,《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2015)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,宜設(shè)置空氣-空氣能量回收裝置[2]。排風(fēng)熱回收技術(shù)作為一種常用的節(jié)能技術(shù)手段,被廣泛應(yīng)用于工程項目中,它可以回收和利用排風(fēng)中蘊(yùn)含的冷熱量,對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理,減小新風(fēng)負(fù)荷,使用合理時能夠起到節(jié)約能源的作用。本文以上海市某商業(yè)建筑的排風(fēng)熱回收系統(tǒng)為研究對象,分析排風(fēng)熱回收技術(shù)的節(jié)能性。

        1 熱回收裝置的節(jié)能特性

        熱回收裝置根據(jù)能量回收的形式,主要可以分為全熱回收和顯熱回收。常用的全熱回收裝置有板翅式和轉(zhuǎn)輪式熱回收裝置,顯熱回收裝置有板式,熱管式及中間冷媒式熱回收裝置。

        熱交換效率是評價熱回收裝置節(jié)能性的重要指標(biāo),分為全熱回收效率,顯熱回收效率及潛熱回收效率,在工程設(shè)計中關(guān)注較多的是前兩者。

        式中:Gs為新風(fēng)的質(zhì)量流量,kg/s;Gmin為送風(fēng)和排風(fēng)較小的氣流率,kg/s;T1為室外新風(fēng)溫度,℃ ;h1為室外新風(fēng)焓值,k J/kg;T2為新風(fēng)經(jīng)預(yù)處理后的溫度,℃ ;h2為新風(fēng)經(jīng)預(yù)處理后的焓值,kJ/kg;T3為室內(nèi)排風(fēng)溫度,℃ ;h3為室內(nèi)排風(fēng)焓值,kJ/kg。

        假設(shè)新排風(fēng)量相等時,式(1)、(2)可以簡化為:

        當(dāng)新排風(fēng)量相等時,全熱回收裝置回收的熱量Qh、顯熱回收裝置回收的熱量Qt可以表示為:

        值得注意的是:1)文獻(xiàn)[3]指出排風(fēng)熱回收裝置使用與否,應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H溫濕度、空調(diào)運行時間來分析計算,合理選擇熱回收方式[3]?,F(xiàn)有的對于排風(fēng)熱回收系統(tǒng)節(jié)能性研究的案例許多都是僅僅計算設(shè)計工況下的平均熱回收量,結(jié)果往往偏大。實際上室外新風(fēng)狀態(tài)參數(shù)是個變量,絕大多數(shù)時間系統(tǒng)都不在設(shè)計工況下運行,因此,按照全年逐時的室外氣象參數(shù)動態(tài)計算系統(tǒng)節(jié)能量更加合理[4]。因此,式(5)中的h1應(yīng)當(dāng)為室外新風(fēng)的逐時焓值,公式(6)中的T1應(yīng)當(dāng)為室外新風(fēng)的逐時干球溫度。2)在實際工程項目中,排風(fēng)量經(jīng)常小于新風(fēng)量,當(dāng)排風(fēng)量與新風(fēng)量的比值過小時,換熱效率會大幅降低,熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性會變差?!秾嵱霉峥照{(diào)設(shè)計手冊》[5]中提供了某型號顯熱型轉(zhuǎn)輪熱回收裝置選型圖,由選型圖看出,當(dāng)排風(fēng)量與新風(fēng)量的比值變化時,熱回收裝置的效率也是隨之變化的,排風(fēng)量與新風(fēng)量的比值越小,熱回收效率也越小。根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù),當(dāng)新排風(fēng)量不等的時候,熱交換效率近似等于新排風(fēng)量相等時的熱回收效率乘以排風(fēng)量與新風(fēng)量的比值。因此在實際工程中,如果排風(fēng)量與新風(fēng)量不相等,計算系統(tǒng)的熱回收量時則需要根據(jù)廠家提供的熱回收裝置的選型圖對熱回收效率進(jìn)行修正,但考慮到系統(tǒng)的節(jié)能性,建議設(shè)置旁通風(fēng)管調(diào)節(jié)風(fēng)量。

        2 項目概況及節(jié)能分析

        2.1 項目概況

        本項目位于上海市,為商業(yè)建筑,總建筑面積約為55000 m2,地下兩層,主要為車庫及設(shè)備用房,地上四層,主要為零售及餐飲。該項目冷源采用離心式電制冷冷水機(jī)組,熱源采用燃?xì)鉄崴仩t。

        表1 為室內(nèi)設(shè)計參數(shù)。

        表1 主要功能房間空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

        空調(diào)運行時間:9:00-22:00。全年:制冷季 5 月 15日-9 月15日,供熱季 11 月15 日-次年3 月15 日。

        2.2 排風(fēng)熱回收節(jié)能潛力分析

        本項目總新風(fēng)量為 216000 m3/ h,集中排風(fēng)量為164400 m3/ h。由于商業(yè)中餐飲面積占比較大,內(nèi)區(qū)較多,因此新風(fēng)負(fù)荷在總冷負(fù)荷中占比較大,約為 52%??梢娫撋虡I(yè)建筑的新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大。

        由《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[6]可得上海市典型氣象年的全年逐時干球溫度、焓值等氣象參數(shù),見圖1 及圖2。

        圖1 上海市典型氣象年逐時干球溫度

        圖2 上海市典型氣象年逐時焓值變化圖

        圖3 供冷季總供冷時長與室外新風(fēng)焓值及溫度大于室內(nèi)的時長的對比

        圖4 供熱季總供熱時長與室外新風(fēng)焓值及溫度小于室內(nèi)的時長的對比

        圖3、圖 4 分別列出了供冷(熱)季總時長與室外新風(fēng)焓值及溫度大(?。┯谑覂?nèi)時長的對比圖。

        由圖 3 圖4 中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出在供冷(熱)季,室外新風(fēng)焓值及溫度大(?。┯谑覂?nèi)的時長均占到供冷(熱)總時長的60%以上。室外新風(fēng)焓值大(?。┯谑覂?nèi)的時長在供冷(熱)季總時長的占比更是達(dá)到了85%以上,分別為86%和96%,而室外新風(fēng)溫度大(小)于室內(nèi)的時長在供冷(熱)季總時長的占比分別為63%和99%。可見上海地區(qū)使用熱回收裝置的節(jié)能潛力很大。

        根據(jù)該建筑空調(diào)運行時間及室內(nèi)設(shè)計參數(shù)可計算出在供熱季及供冷季單位體積風(fēng)量新風(fēng)的逐時全熱負(fù)荷及顯熱負(fù)荷,見圖5。

        圖5 單位體積風(fēng)量的新風(fēng)逐時全熱負(fù)荷及顯熱負(fù)荷

        由圖 5 可以看出供熱季新風(fēng)負(fù)荷中顯熱負(fù)荷占比較高,而在供冷季新風(fēng)負(fù)荷中潛熱負(fù)荷占比較大,經(jīng)計算,夏季單位體積流量新風(fēng)最大潛熱負(fù)荷可以達(dá)到43 W/(L/s),此時潛熱負(fù)荷占新風(fēng)全熱負(fù)荷的 80%,其中在供冷季單位體積流量新風(fēng)全熱負(fù)荷中潛熱負(fù)荷占比達(dá)到 50%以上的時間占到總供冷時間的 60%以上,因此綜合來看在上海地區(qū)使用全熱回收裝置更加適合。

        2.3 熱回收量計算

        以下分別計算該項目使用全熱回收裝置和顯熱回收裝置的熱回收量。因本項目過渡季熱回收系統(tǒng)不運行,為避免增加系統(tǒng)能耗,故設(shè)置旁通風(fēng)管,同時新、排風(fēng)量不相等時,通過旁通風(fēng)管調(diào)節(jié)風(fēng)量。

        1)采用全熱回收裝置的熱回收量

        若本項目采用轉(zhuǎn)輪式全熱回收裝置,全熱回收效率為 60%,根據(jù)式(3)可以計算出使用熱回收裝置對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理后的新風(fēng)焓值,圖 6、圖 7 分別為供冷季及供熱季室外新風(fēng)逐時焓值與經(jīng)預(yù)處理后的新風(fēng)逐時焓值的對比圖。

        圖6 供冷季室外新風(fēng)逐時焓值與經(jīng)預(yù)處理后的新風(fēng)逐時焓值的對比圖

        圖7 供熱季室外新風(fēng)逐時焓值與經(jīng)預(yù)處理后的新風(fēng)逐時焓值的對比圖

        由圖6、圖7 可以看出,在使用了全熱回收裝置后,室外新風(fēng)的焓值顯著降低,新風(fēng)焓值曲線變得平緩,并且室外新風(fēng)的焓值越高,經(jīng)全熱回收裝置處理的效果越明顯,這對于新風(fēng)負(fù)荷占比較大的商業(yè)建筑來說節(jié)能效果顯著。

        由于室外新風(fēng)焓值是時間的函數(shù),在全年空調(diào)使用時間內(nèi),對于室外新風(fēng)焓值常采用逐時焓值法進(jìn)行處理。

        結(jié)合式(5)式可得使用全熱交換器時的夏季和冬季熱回收量QS和Qw:

        式中:h1(t) 為氣象參數(shù)確定的室外逐時平均焓值,kJ/kg;Δt為小時時間長度;n為運行的小時數(shù)。

        根據(jù)式(7)~( 8)計算可得本項目熱回收量(表2):

        表2 本項目空調(diào)季全熱熱回收量

        2)采用顯熱回收裝置的熱回收量

        若采用熱管式顯熱熱回收裝置,顯熱熱回收裝置效率為 70%,結(jié)合式(6)可得使用顯熱交換器時的夏季和冬季熱回收量QS和Qw:

        式中:T1(t)為氣象參數(shù)確定的室外逐時平均溫度,℃ ;Δt為小時時間長度;n為運行的小時數(shù);c為空氣的比熱容,kJ/(kg·℃)。

        根據(jù)式(9)~( 10)計算可具體得本項目的熱回收量(表3):

        表3 本項目空調(diào)季顯熱熱回收量

        由表 2 可以計算出,采用全熱熱回收裝置供冷季及供熱季的回收率分別為48%和46%,由表3 可以計算出,采用顯熱回收裝置供冷季及供熱季的回收率分別為9%和42%,可見在上海地區(qū)使用熱回收裝置回收的能量很可觀,而相比顯熱回收裝置來看,采用全熱回收裝置的節(jié)能效果更加明顯。

        3 結(jié)論

        1)室外氣象參數(shù)是影響排風(fēng)熱回收系統(tǒng)節(jié)能性的一個重要因素,在工程設(shè)計中,不能僅根據(jù)靜態(tài)工況來分析熱回收裝置的節(jié)能性,應(yīng)當(dāng)根據(jù)項目當(dāng)?shù)厝曛饡r氣象參數(shù)結(jié)合運行時間來分析熱回收裝置的節(jié)能性。

        2)根據(jù)分析上海地區(qū)冬季新風(fēng)負(fù)荷中顯熱負(fù)荷占主要部分,而夏季新風(fēng)負(fù)荷中潛熱負(fù)荷占比較大,排風(fēng)熱回收系統(tǒng)建議選用全熱回收系統(tǒng)。

        3)現(xiàn)在的大型商業(yè)建筑中,餐飲面積往往占比較高同時內(nèi)區(qū)很大,新風(fēng)負(fù)荷可能占到建筑總負(fù)荷 50%甚至更高,此類建筑使用熱回收裝置的節(jié)能效果顯著。本項目中使用全熱回收裝置后,供冷季和供熱季的回收率可以達(dá)到48%和46%。

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