哈尔滨某办公楼排风热回收应用的技术经济分析

吕欣欣

空调技术

哈尔滨某办公楼排风热回收应用的技术经济分析

吕欣欣

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002）

空调排风热回收，是空调系统设计的一项重要节能措施。本文根据哈尔滨地区的气候特点，分析了哈尔滨某办公楼项目排风热回收系统应用的节能效果，并对热回收装置初投资增加及年运行费用等进行了计算，得出了热回收系统年节省运行费用及静态投资回收期，研究表明该项目排风热回收节能效果显著。

热回收； 节能； 初投资； 运行费用； 投资回收期

0 引言

空调排风热回收,是目前空调系统设计中一项重要的节能措施,排风与新风通过空气-空气能量回收装置进行热交换,将原本要排除室外的能量进行回收,用来对新风进行预冷或预热处理,从而可以减少处理新风的用能，降低冷源或热源的能耗，从而达到节能目的。

在现行设计规范和标准中,对空气—空气能量回收系统的设计和应用要求见表1。

哈尔滨某办公楼项目，共26层，总建筑面积60000m2，其中空调面积48880m2。本文将对该办公楼项目排风热回收系统的应用，进行技术及经济性分析。

1 研究条件和方法

1.1 空调风系统形式

该项目采用风机盘管（FCU）加新风(PAU)的空调系统，新风由新风处理机组通过风道送至各办公区域，

并设置相应机械排风系统。

表1 相关设计规范和标准中的条文要求

表2 该项目室内设计参数

1.2 室内设计参数

由上述表格内人员密度及最小新风量标准可以得出该项目新风量为：

48880×30/10=146640m3/h。

1.3 室外气象条件

室外气象参数是进行排风热回收分析的重要基础研究资料。该项目位于哈尔滨市，属于中国气候分区中的严寒A区，本文计算所用气象数据均来自《中国建筑热环境分析专用气象数据集》［3］。图1为哈尔滨地区全年8760h室外干球温度。

1.4 负荷情况

采用HDY-SMAD空调负荷计算分析软件V4. 0（能耗分析版）进行计算，得出全年逐时负荷分布，如图2所示，全年新风负荷情况，如图3所示。

由图2可以看出该项目热负荷出现在10月份到来年的4月份，供暖期较长，冷负荷主要出现在5月份到9月份，供冷时间相对较短。

将全年逐时负荷相加，得出全年所需供冷量及供热量见表3。

表3 该项目全年负荷情况

由图3及表3可以看出，新风负荷占全年负荷的43.8%，严寒地区新风负荷比例较大，全年新风负荷中，潜热负荷所占比例达到了为33%，在考虑能量回收时应考虑潜热负荷的回收。

1.5 电价及热价

该项目地点为哈尔滨市，电价及热价见表4。

表4 哈尔滨市电价及热价

注：1.非居民用热价格，全额热费=基本热费+计量热费，基本热费=基本热价×用户收费面积；

2.基本热价：每m2使用面积19.00元/a；

3.计量热价：每GJ52.74元，选取依据为黑龙江省物价监督管理局所

发哈价联发〔2013〕37号文；

4.A电价：选取依据为黑龙江省物价监督管理局所发黑价格［2016］4号文。

2 排风热回收方案确定

2.1 排风热回收方式

排风热回收分显热回收和全热回收两种方式，由全年负荷情况可知，该项目全年新风负荷中，潜热负荷所占比例约为33%，比例较大，在分析排风热回收节能效果时，潜热负荷能量回收不可忽视，因此该项目采用全热回收方式。

2.2 排风热回收装置

排风热回收装置有多种不同的类型，常用热回收装置性能和适用对象在文献[2][4]内都有描述，其中常用的全热回收装置为转轮式和板翅式两种，相关性能对比见表5。

由表5可以看出，转轮式全热回收装置相对于板翅式效率高，适用风量大，该项目选用转轮式全热回收装置进行接下来的节能效果分析。

经热回收装置厂商进行选型，确定该项目转轮式全热回收装置参数见表6。

2.3 排风热回收运行策略

该项目排风热回收系统应用示意图见图5，空调房间排风经排风机排出，与室外新风在转轮热交换器处进行全热交换，对新风进行预处理，预处理后的新风经新风处理机组进一步处理后送入室内。考虑到尽量避免新、排风漏风，以及进入转轮气流的均匀性，新、排风机均采用抽吸式布置方式。

表5 常用空气热回收装置（全热）性能

表6 转轮式全热回收装置性能参数

图中：T11为室内排风干球温度，即转轮排风入口干球温度，℃，h11为对应焓值，kJ/kg；Td为室内露点温度，由表2可知Td=1.9℃；T12为转轮排风出口干球温度，℃；h12为对应焓值，kJ/kg；T21为室外干球温度，即转轮新风入口干球温度，℃；h21为对应焓值，kJ/kg；T22为新风经预热盘管后的温度，℃；h22为对应焓值，kJ/kg；T23为新风转轮出口干球温度，℃；h23为对应焓值，kJ/kg；η为转轮热交换器全热效率；G1为排风量；G2为新风量，m3/h；考虑到室内相对正压，排风与新风比值取0.8。

由上图可以看出，排风热回收系统相对于常规系统，增加了新、排风侧的系统阻力，且转轮自身运行需

要能耗，该项目风机能耗增加：

式中 W—单位风量风机耗电量增加能耗，W/（m3·h）；

W1—风机能耗，W/（m3·h）；

W2—转轮自身能耗,W/（m3·h）；

ΔP—新、排风侧增加阻力，Pa；

ηt—通风机总效率，%。

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

其中夏季工况，转轮热回收装置的临界适用条件为：

式中 ES—夏季工况下单位风量热回收量，W/（m3·h）；

ρ—空气密度，kg/m3；

SCOP—电冷源综合制冷性能系数，kW/kW。

其中SCOP取4.0［1］，将表2及表6内相关数据带入上述公式，可计算得出h22-h11≥1.92kJ/kg，即室外新风焓值h22≥53.02kJ/kg。

该项目冬季采用市政供热方式，冬季工况转轮热回收装置的临界适用条件为：

式中 Ph—转轮热回收装置节省的热量费用，元；

Pe—转轮热回收消耗电量产生的电费，元。

式中 RJ—热价，元/GJ。

式中 DJ—电价，元/（kW·h）。

将表2及表6内相关数据带入上述公式，可计算得出 h11-h22≥2.18kJ/kg，即室外新风焓值 h22≤29.32kJ/kg

上述分析汇总排风热回收运行策略见表7，在冬季及夏季工况满足转轮热回收条件时，对室内排风进行热回收，当系统处于过渡季工况时，关闭热转轮，开启新，排风旁通管，进行过渡季免费供冷，避免转轮阻力损失。

2.4 冬季热转轮防冻考虑

哈尔滨地区室外寒冷，当室内排风与室外低温新风经转轮进行热交换后，排风干球温度达到露点温度产生凝结水，且排风温度低于水的的结冰温度0度时，就会发生结霜甚至冰堵现象，即

表7 排风热回收运行策略

转轮热回收装置一旦出现冰堵，排风经过转轮的气流通道会逐渐变窄，风阻随之增加，致使排风流量减小，排风侧的温度会因排风量的减小而降低，更加剧了冷凝水的冻结，从而形成恶性循环。

转轮热回收装置防冰堵通常有三种方法[6]：

（1）调整转轮的旋转速度。转轮电机采用变频控制，当排风温度低于设定时，通过变频器降低转轮转速，即使转轮效率降低，排风温度升高，防止冰堵发生；

（2）改变新排风比例。转轮上下设置旁通风阀，新风经风阀分流，使排风温度保持在冰点以上，防止冰堵发生；

（3）预热新风。将低温的新风预热至室内排风露点温度以上，避免排风产生凝结水，可避免转轮冰堵发生。

哈尔滨地区室外寒冷，考虑到实际应用的安全可靠性，该项目转轮防冻采用预热新风方式，室内排风露点温度Td=1.9℃，取预热盘管临界开启温度为2℃，当室外新风温度低于2℃时，开启预热盘管，将室外新风预热至2℃，再经转轮进行热交换。

3 排风热回收节能效果

3.1 排风热回收节能运行小时数

根据表7，汇总全年冬季工况及夏季工况下，排风热回收节能运行小时数见表8。

表8 排风热回收节能运行小时数

由上表可以看出，该项目冬季工况排风热回收节能运行时间达到了全年运行时间的61%，夏季工况达到了20%，排风热回收全年总节能运行小时数达到了运行时间的81%，全年大部分空调运行时刻都有节能运行条件。

3.2 排风热回收节能量

转轮排风全热回收节能量计算公式如下：

ΔQ=ηG1ρ∫（h22-h11）dt （6）

式中 ΔQ—转轮排风全热回收节能量，kW；

t—节能运行时间，h。

根据上述公式，计算得出该项目全年转轮全热回收热量/冷量情况见表9。

表9 该项目全年转轮全热回收热量/冷量

由表9可以看出，冬季热回收热量占总供热量的23%，可节约887330kW·h的年耗热量，夏季热回收冷量占总供冷量的10.9%，可节约292987kW·h的年耗冷量，全年转轮回收热量为1181016kW·h，占全年新风负荷的41.1%，因此该项目全年排风热回收节能运行效果显著。

4 排风热回收系统经济性分析

在进行排风热回收系统经济性分析时，需考虑如下几个问题：

（1）转轮装置、预热盘管及新、排风旁通风管及相应阀门等设备及附件增加，系统初投资增加；

（2）转轮设备增加了送、排风系统在热回收工况下运行时的阻力，相应风系统输送能耗增加；

（3）热转轮自身运行需要耗电。

4.1 排风热回收系统初投资增加

排风热回收系统相对于常规系统，单位风量设备初投资增加约为3.5元/（m3·h），其中热转轮设备初投资增加约为2.5元/（m·h），其余附件初投资增加约为1.5元/（m·h），因此，该项目初投资增加量见表10。

表10 该项目初投资增加

4.2 耗电量增加

见表11。

4.3 全年节省运行费用

根据哈尔滨电价及热价，可计算该项目冬季及夏季排风热回收全年节省运行费用情况见表12。

除掉每年耗电量增加，则每年节省运行费用为23.17-4.58=18.58万元

4.4 静态投资回收期计算

静态投资回收期=投资增加费用/（每年节省运行费用-每年耗电量增加费用）

将4.1～4.3小节数值带入上述公式，可以得出该项目静态投资回收期为：

51.324/（23.17-4.58）=2.76a

表11 风机年耗电量增加

表12 全年节省运行费用

5 结语

根据分析，该项目办公建筑采用排风全热回收，每年可节约运行费用18.58万元，转轮全热回收静态投资回收期约为2.76年，节能运行效果显著。

本文通过计算得出该项目热回收装置的临界节能适用条件如下：

（1）夏季工况：室内外焓差h22-h11≥1.92kJ/kg，即室外新风焓值h22≥53.02 kJ/kg

（2）冬季工况：室内外焓差h11-h22≥2.18kJ/kg，即室外新风焓值h22≤29.32kJ/kg

在进行哈尔滨地区排风全热回收系统设计时，应充分考虑哈尔滨地区室外寒冷，容易发生结霜甚至冰堵危险，考虑到实际应用的安全可靠性，转轮应考虑防冻措施。

[1]GB50189-2015,公共建筑节能设计标准[S].

[2]GB50736-2012,民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[3]中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系．中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.

[4]辛业洪，韩杰.某超高建筑空调系统排风全热回收方案的生命周期成本分析[J].建筑技术研究，2013，（3）：70～72.

[5]GB19761-2009，通风机能效限定值及能效等级[S].

[6]刘明山，王旭东.冬季寒冷地区排风热回收空调机组防冻伤处理[J]．暖通空调，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

吕欣欣（1985-），女，山东潍坊人，工学硕士，工程师，主要从事大型商业综合体、办公、酒店及剧院类项目的空调设计工作。