空调中分布型主动式热回收系统的分析

2020-02-29王重阳恒魏玉剑张振天

上海节能 2020年2期

关键词：盘管排风新风

王重阳陈恒魏玉剑张振天

1．上海电力大学

2．上海市能效中心

3．斐崴节能科技（上海）有限公司

0 引言

随着我国经济的迅速发展，人们对室内空气的温度、湿度的要求逐渐提高。暖通空调大型设备被安装在各种公共场所和实验室，而使电力需求大大增加。在商业建筑中，供热、通风和空气调节（HVAC）系统的耗电量占比达到了总耗电量的40%～60%[7]，在提倡节约用电的情况下需对一些技术进行节能改造或者创新。在夏天，空调制冷系统向室内供应冷风，同时也向大气散发大量热量[2]，造成了严重的环境污染，甚至会导致城市热岛效应。目前大多数节能方法是将这部分热量回收再利用，例如让其作为生活用水的热源，由此能节约加热生活用水所需的能源[1]。本文分析一种更为高效的节能技术，即应用在空调系统中的分布型主动式热回收技术。

1 分布型主动式热回收技术原理

空调系统要实现对室内环境除湿、控温、除异味的效果，必须保证有充足的新风和合理的送风。但从余热回收和节能角度考虑，目前暖通空调系统中普遍存在着余热未被利用和新风加热能耗高的现象。Konvekta将分布型主动式热回收技术加入其中，即在系统的送风侧和回风侧加入热回收盘管、一套水力模块（换热介质可以是水或乙二醇等）、循环泵组以及集成控制单元等设备。如图1所示，回风侧的热回收盘管作用是将排风热量回收到换热介质中，送风侧的换热盘管作用是加热新风，代替锅炉热源。

图1 主动式热回收技术简图流程

热回收系统的流程：当室内热空气经过回风侧盘管的换热后，乙二醇或水提升一定的温度，则可以用这部分热量免费加热经除湿处理后温度较低的新鲜空气，以达到节约原空调系统加热能耗的目的。

2 热回收盘管的设计

空气横掠盘管与换热介质进行热交换，拟达到最大的换热效果，可以使换热面积最大、换热系数最大、保证有较大的努塞尔数和降低临界雷诺数，使流体较早进入紊流状态。

2.1 应用流体旋转法强化换热

在余热回收中最主要的是换热器部分，换热器直接决定了热量回收的效果。换热圆管内插扭带作为一种内插式强化换热技术已在国内外得到广泛研究[8]，它可以使流体旋转流动和产生二次流，加强了流体的紊流程度，增强了换热效果。

Konvekta盘管换热器的布置较为灵活，新风系统和排风系统可以分开布置，不受空间因素的限制。盘管采用0．4 mm厚度的翅片，双侧特有的集管设计提供了较好的逆流换热，雷诺数能达8 000以上，换热温差1℃左右。能适用于实验室、动物房等不使用循环风的环境中，安全可靠、运行稳定。

如图2所示，换热介质流入盘管后，介质按照设计的管路依次流动，每一个拐点都有一个隔断，使流体按照设定路线流动，保证换热介质充分与盘管接触，增强了换热面积。同时，管路设计必须保证管内的流动为紊流，因为层流只有外层的换热介质参与换热，而紊流相较于层流的换热效果更好。此外，也需保证流体在较大的雷诺数（Re）的情况下有较高的换热效率。

图2 热回收盘管流动图

以某应用为例，当天室外空气为32℃时，空气进入盘管进行换热后温度为12℃。采用Konvekta盘管换热器，空气与热媒介的温差仅为1．5℃，再提供10℃～11℃的冷冻水即可满足除湿要求，与以往的7℃冷冻水相比，大幅提高了冷冻机的能效比。高效换热盘管在温差很小情况下，换热表现依然出色。

2.2 盘管保护

在冬天室外新风温度很低的情况下，流经盘管的乙二醇温度也会很低。当乙二醇循环到排风侧的盘管时会与室内的高温空气进行换热，此时换热器表面温度很低，甚至低于排风的露点，此时会使盘管换热处结霜，逐渐积累会造成排风侧盘管阻塞使换热效果降低。

为了防止热回收盘管的冻结，Konvekta产品在热回路和冷回路中间加入旁路，如图1所示，将高温的乙二醇与低温的乙二醇混合，确保进入排风侧换热的乙二醇温度在露点以上，对排风盘管起保护作用，使运行安全有效。

3 经典除湿系统简介

目前，常用的除湿方法有冷冻除湿、溶液除湿、转轮除湿三种。一般空调除湿后空气的温度较低，需要再次加热才能达到送风要求，通常采用蒸汽作为热源，其次是采用电加热方式。这样的空气处理方式，虽然达到了除湿的目的，但是造成了能源的浪费。本文结合分布型主动式热回收技术对冷冻除湿进行分析。

3.1 除湿系统工作原理

经典除湿系统如图3所示，排风侧的盘管进行余热回收，送风侧的第一组盘管将新风进行预冷降温，第二组盘管通入冷冻水将预冷后的空气降低至露点温度除湿，空气除湿后由于温度较低需要进一步加热，第三组盘管的作用是将余热回收的热量去加热除湿后的低温空气，从而达到室内的送风要求。从图中可以看出，第三组盘管完成热交换后的低温乙二醇通入第一组盘管，还可以有效地减少冷冻水的使用量。

图3 经典除湿系统

3.2 加装除湿系统后的能耗分析

图4 实验室的系统流程示意图

以上海市某应用案例为例，其实验室装有6套Konvekta分布型主动式热回收系统，分布灵活可以满足各个实验室的送风要求，本文对其中一组系统进行能耗分析。图4为实验室的系统流程示意图，其中板式换热器的作用是对系统进行补热，当热回收的温度过低，无法达到对新风加热的要求时让其运行，从而让新风达到目标设定的温度。由图4可见，当天的空气湿度符合标准，不需要开启表冷器进行降温除湿，板式换热器的开度为0%，回收的热量可以达到加热新风的设定温度，节省了燃气费用。该系统回收的热量免费将新风从11．5℃加热到室内要求的16．3℃，省去了锅炉的能耗，达到了节能的效果。

3.2.1 能耗计算及分析

所需热量：

式中：Q-换热量（kJ）；

M-气流质量流量（kg）；

h-气流比焓值（kJ/kg）

焓值计算：

式中：t-空气温度（℃）

d-空气含湿量（kg/kg干空气）；

根据上海市12月某日气候数据（图5）对空气焓值和能耗逐时计算，见表1。

图5 上海市冬季某日逐时气候数据

如图5所示，上海冬季某日温度和湿度随时间不断变化，室内要求的送风温度为25℃，湿度为40%（＜8．5 g/kg干空气）。通过计算，可得出当日空调系统处理新风逐时所需能耗，则逐时累加可得一天中所需的加热能耗为4 889．07kWh。此系统的排风温度为20℃，根据室内外温差可得回收的热量为2 078．50kWh。冬季各项参数见表1。

表1 冬季各项参数

根据上海市12月气候数据(图6)，逐日计算机组能耗和热量回收等情况。其室内目标温度仍为25℃，湿度为40%（＜8．5g/kg干空气）。计算得到12月份原空调系统的热需求量为113 958．64kWh，回收热量为55 821．05kWh，折算出12月每台主动式热回收机组节省天然气量5 629m3，节省资金约21 334元。

图6 上海市12月气候数据

上海市8月某日气候数据对空气焓值和能耗逐时计算，见图7。

图7 上海市夏季某日逐时气候数据

夏季某日各项参数计算结果见表2。室内要求的送风温度为18℃，湿度为55%（＜8．5 g/kg干空气），计算并逐时累加获得一天中的加热能耗为3 108．99 kWh，回收的热量为1 386．15 kWh。上海市8月份气候数据见图8。

图8 上海市8月份气候数据

通过8月份的能耗逐日累加，计算得出8月份原空调系统的热需求量为83 715．96kWh，而热回收系统达到的回收量为37 412．99 kWh。通过天然气的热值折算出每台主动式热回收空调机组每月可以节约天然气3 773 m3，即节约燃气费约14 298．7元。

如表3所示，通过对上海冬季和夏季典型月份的能耗计算，得出12月份的热量需求约为113 958．64kWh，热量的回收为 55 821．05kWh，该热回收系统的热回收率可达48%，当月每台机组可为用户节省资金约21 334元。8月的热量需求为 83 715．96kWh，热量的回收为 37 412．99kWh，回收率为44%，该月每台机组可为用户节省资金约为14 299元。由此可知，分布式主动式热回收系统可有效对热量进行回收，达到节能减排和节省资金的目的。

逐时能耗数据汇总见图9，逐日能耗数据汇总见图10。

表2 夏季各项参数

表3 能耗数据汇总

图9 逐时能耗数据汇总

图10 逐日能耗数据汇总

3.3 上海某应用案例实测数据分析

上海某研究中心加装分布型主动式热回收的能耗数据见表4，曲线见图11。

表4 能耗数据（7-11月）

图11 应用项目7-11月系统热回收率

由表4能耗数据可知，上海市应用项目7～11月的实测热需求量为1 173 945kWh，实测热回收量为422 741kWh，热量的平均回收率为36%，二氧化碳减排量为112 616g。此外，当室内外温差越大，系统热回收的效率越高。该应用项目的送风量为180 000 m3/h，Konvekta分布型主动式热回收技术适用于新风量较大的场合。