熱回收機組空調節能效果

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熱回收機組空調節能效果簡介
    淺談熱回收機組空調領域應用之節能效果 摘 要:本文針對熱回收機組在空調領域節能的應用進行理論分析。通過對老式組合空調機組、顯熱回收機組以及全熱回收機組……
熱回收機組空調節能效果正文
    

淺談熱回收機組空調領域應用之節能效果

摘 要:本文針對熱回收機組在空調領域節能的應用進行理論分析。通過對老式組合空調機組、顯熱回收機組以及全熱回收機組的綜合比較,闡明能量回收在空調系統中應用的優越性。

關鍵詞:換熱器、熱回收、換熱機組


1、現狀


能源的高消耗對我國發展造成了很大的壓力,根據發改委能源組提供的材料,從1980年到1985年我們國家GDP的年增長率是10.7%,能源消費的增長率是10.9%,1986—1990年GDP年增長是7.9%,能源消費的增長率9.2%。1991—1995年GDP的年增長率是12%,能源消費的增長率是5.9%。1995—2000年,GDP開始時8.3%,後來調整為8.6%,能源消費增長率是0.6%。2001—2005年GDP年增長率是9.47%,能源的消費增長是9.93%。其中2003年GDP的增長率是10%,能源是15.3%,2004年GDP是10.1%,能源增長率是16.1%。從這個數字可以看出,我們國家從1980—2005年GDP的增長一直在7.8—12%之前,基本上是這個範圍內波動,而能源消耗的波動很大,特別是2003、2004年,能源的消費增長遠遠高於GDP的增長。和發展國家相比我國每平方米的能耗是他們的3倍,這說明在能源的高消費上必須要引起全社會的重視。


目前中國每年竣工建築面積約為20億m2,其中公共建築約有4億m2。在公共建築(特別是大型商場、高檔旅館酒店、高檔辦公樓等)的全年能耗中,大約50%~60%消耗於空調製冷與採暖系統,20%~30%用於照明。而在空調採暖這部分能耗中,大約20%~50%由外圍護結構傳熱所消耗(夏熱冬暖地區大約20%,夏熱冬冷地區大約35%,寒冷地區大約40%,嚴寒地區大約50%)。從目前情況分析,這些建築在圍護結構、採暖空調系統,以及照明方面,共有節約能源50%的潛力。採暖空調節能潛力最大,在暖通空調設計方面加以控制就能夠有效的節能能源。而新風帶來的潛熱負荷可以佔到空調總負荷的20%-40%,因此開發節能的新風系統是建築節能領域的一項重大課題。
解決空調建築物室內空氣品質及通風安全問題的根本在於在加大空調房間室外新風量的同時,盡量減少能量消耗。在新風/排風系統中設置能量回收設備能較為全面、徹底的解決濕度、潔凈度、氣流這三大要素並對溫度起到調節回收的功能,是可行的方法。


2、技術概括


能量回收技術在美國能源部(Dept of Energy)推廣的最佳15種節能技術中其節能潛力居第二位,其投資回收年限在2年左右,因此,這種技術極具應用前景。如下圖所示:

最佳15種節能技術的節能能力及投資回收年限


空氣能量回收設備有兩類:一類是顯熱回收型,一類是全熱回收型。顯熱回收的能量體現在新風和排風的溫差上所含的能量;全熱回收體現在新風和排風的焓差上所含的能量。


常用的回收裝置有:金屬壁換熱器、熱管換熱器、轉輪式換熱器、靜止型板翅式換熱器等。其中金屬壁換熱器和熱管換熱器只能回收顯熱,轉輪式換熱器、靜止型板翅式換熱器不僅能回收顯熱,還能回收潛熱,因此效率較高。 但轉輪式換熱器存在新風和排風混合的問題。而靜止型板翅式換熱器沒有運動部件,可靠性高,混風率低。


轉輪式換熱器是一種蓄熱能量回收設備。分為顯熱回收和全熱回收兩種。顯熱回收轉輪的材質一般為鋁箔,全熱回收轉輪材質為具有吸濕表面的鋁箔材料或其他蓄熱吸濕材料。轉輪作為蓄熱芯體,新風通過轉輪的一個半圓,而同時排風通過轉輪的另一半圓,新風和排風以相反的方向交替流過轉輪。新風和排風間存在著溫度差和濕度差,轉輪不斷地在高溫高濕側吸收熱量和水分,並在低溫低濕側釋放,來完成全熱交換。

轉輪在電動機的驅動下以10r/min的速度旋轉,排風從熱交換器的上側通過轉輪排到室外。在這個過程中,排風中的大多數的全熱保存在轉輪中,而臟空氣卻被排出。而室外的空氣從轉輪的下半部分進入,通過轉輪,室外的空氣吸收轉輪保存的能量,然後供應給室內。當轉輪低於4r/min的速度旋轉時,效率明顯下降。轉輪換熱器的特點是設備結構緊湊、佔地面積小,節省空間、熱回收效率高、單個轉輪的迎風面積大,阻力小。適合於風量較大的空調系統中。

熱交換器


靜止型板翅式換熱器是一種空氣與空氣直接換熱式的換熱器,它沒有轉動部件,因此也被稱作固定式換熱器,是一種比較理想的能量回收設備。靜止型板翅式換熱器採用多孔纖維材料為基材,對錶面進行特殊處理后製成單元體;單元體的波紋板交叉疊積,並用膠使其峰谷與隔板粘結而成,兩股氣流呈交叉形流過換熱器。顯熱換熱器的隔板是非透過性的、具有良好導熱特性的材料,一般多為鋁質材料;全熱換熱器是一種透過型的空氣----空氣熱交換器,隔板是由經過處理的、具有較好傳熱透濕特性的材料構成。顯熱的換熱機制是介質兩側流過不同溫度的空氣時,熱量通過傳導的方式進行換熱。全熱換熱器中潛熱的換熱通過下述兩種機制進行。一是通過介質兩側水蒸氣分壓差進行濕度交換;二是高濕側的水蒸氣被吸濕劑吸收,通過紙纖維的毛細管作用向低濕側釋放。當隔板兩側存在溫差和水蒸氣分壓力差時,兩者就產生傳熱和傳質進程,從而來進行顯熱和全熱的換熱。

全熱換熱器示意圖


在板翅式換熱器中,波狀翅片既起輔助傳熱的作用,又起支撐和導流作用。根據翅片所形成的流道和氣流方向的不同,板翅式換熱器可分為叉流式、逆流式和順流式。


靜止板翅式換熱器的特點是密封性好,混風率低;熱交換效率高;無運轉部件,運行平穩可靠。在空調系統熱回收中應用最為廣泛。


3、技術分析


採用全熱換熱器的空氣處理的i—d圖


N:室內狀態點
W:室外狀態點


W1:和排風換熱后的狀態點 C:混合點 L:機器露點 O:送風狀態點
夏季空氣處理過程


1、 經過焓回收后W1狀態點的確定:


(下標1為室外狀態點,2為經過熱交換后的狀態點,n為室內狀態點)


轉輪全熱換熱器的顯然效率為:

求得t2=27.8℃


轉輪全熱換熱器的潛熱然效率為:


求得d2=14.5g/kg(干)


2、經過焓回收后減少的新風冷負荷減少:


3、空調系統冷負荷減少:


L點為to=13℃與φ=95%的交點,IL=34.5kJ/kg


全熱換熱器使空調的負荷降低20%;顯熱換熱器使空調的負荷降低16%。


採用三種方案進行對比:方案A,採用傳統全空氣系統,一次迴風,新風比15%;方案B,全空氣系統+顯熱回收;方案C,全空氣系統+全熱回收。


系統A,採用全空氣系統,一次迴風,新風比15%


系統B,採用全空氣系統+顯熱換熱器


室內送風溫度=室外溫度-(室外溫度-室內溫度)×溫度回收率

TS= TW -(TW -TN)×RW


系統C,採用全空氣系統+全熱換熱器


室內送風焓值=室外焓值-(室內焓值-室外焓值)×焓值回收率

IS= IW -(IN-IW)×RH


換熱效率的表達式有三個:

溫度效率ηt=(t1-t2)/(t1-t3)×100%

濕度效率ηd=(d1-d2)/(d1-d3)×100%

全熱效率ηi=(i1-i2)/(i1-i3)×100%

t1、d1、i1-新風的初溫度℃、初濕度g/kg、初焓值kj/kg

t2、d2、i2-新風的終溫度℃、終濕度g/kg、終焓值kj/kg

t3、d3、i3-排風的初溫度℃、初濕度g/kg、初焓值kj/kg
設備耗電量P(kw)=PN×T

PN-設備額定功率kw

T -設備累計運行時間h


冷卻塔全年總循環水量Wa(m3/a)=WN·T[ε+(1-ε)/n]

WN-冷卻塔額定循環水量m3/a

T-設備累計運行時間h


冷卻塔補水量QW=0.02Wa

負荷率ε=qc/qR·T=τe/T

qc-全年空調冷負荷kJ/a

qR-冷機的最大出力kJ/h

τe-當量滿負荷運行時間h

T -設備累計運行時間h


4、投資與運行的比較


設計工況

某辦公樓總建築面積10000m2。


夏季室外空氣參數:幹球溫度35℃,濕球溫度18℃.;室內空氣狀態參數:室內溫度25℃,相對濕度55%;夏季冷負荷為1200kW,送風溫差8℃;媒供回水溫度: 7~12℃。空調系統為全空氣系統,新風量佔總風量15%,300000*0.15=45000(m3/h),新風負荷735 kw。


工業用水價格2.5元/m3;商業電價1元/度;系統補水量占額定循環水量的0.5%。


選擇6台50000m3/h的空調機組負責送風;選擇2台製冷量600kw冷水機組。


初投資費用


初投資費用為土建費、設備費、安裝費(含材料費)、電增容費用之和。土建費1000元/平方米;安裝費按設備費的20%計算;電增容費550元/kW。各方案的初投資見下表:

方案 設備 總價 (萬元) 合計 (萬元) 方案A 老式空調系統 組合式空調機組 25 359 冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔 225 空調機房 20 安裝 54 電增容 35 方案B 顯熱回收空調系統 組合式空調機組 29 363.8 冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔 225 空調機房 20 安裝 54.8 電增容 35 方案C 全熱回收空調系統 組合式空調機組 32 367.4 冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔 225 空調機房 20 安裝 55.4 電增容 35


運行費用


運行費用包括水電費、維修費、人工費等。 運行費最低的方案為最較經濟的方案。三個方案的維修費和人工費均為3.65萬元。

方案 設備 耗電量(kw) 耗水量(kg/h) 設備每天計運行時間(h) 方案A 空調機組 130 750 6 冷水機組、冷凍水泵、 冷卻水泵、冷卻塔 300 3300 方案B 顯熱回收空調機組 136 750 5.1 冷水機組、冷凍水泵、 冷卻水泵、冷卻塔 300 3300 方案C 全熱回收空調機組 160 750 4.6

註:設備每天計運行時間數據由廠家提供

有關旁通系統


部分機組具有旁通功能,風排出時不再經過熱換熱器。在過渡季節或其它時間段里室內更舒適時,如春天室外氣候溫暖宜人而室內卻略顯陰冷,或盛夏的晚間室外可能已是涼風習習而室內仍悶熱難耐,這時利用旁通系統就能將室外的空氣直接送進室內,充分利用大自然中的免費能源降低運行成本,保持室內環境舒爽清新。合理使用旁通功能,還可以延長機器內部熱回收器的使用壽命。


5、總結


通過對數據的分析,初投資費用相差不大,運行費用如下:

方案 耗電量(元/天) 耗水量(元/天) 設備每天計運行時間(h) A 2580 61 6 B 2224 52 5.1 C 2116 47 4.6

由於採用了熱回收裝置,方案B、C的耗電量、耗水量明顯低於方案A。方案C為最經濟方案,節能效果最為顯著。


參考文獻:


(1)《公共建築節能設計標準》GB 50189-2005。

(2)《實用供暖空調設計手冊》,陸耀慶。

(3)《空調與製冷技術手冊》,陳沛霖等。

(4)《幾種新型除濕方式在亞熱帶氣候環境下的能耗分析》,張立志。

(5)《一種親水/憎水雙極膜的全熱交換器傳熱傳質特性》,張立志。

(6)《淺談全熱交換器在工程中的應用》,羅春燕。

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