壳式换热器
同轴换热器
新闻动态
空气换热器在冷却顶板空调系统中的节能潜力点击：2275 日期：[ 2014-04-26 21:57:40 ] |
| 空气换热器在冷却顶板空调系统中的节能潜力 东华大学 钟 珂☆ 赵敬德 亢燕铭 摘要：分析计算了采用不同空气换热器组合方案时CC/DV系统和CC/MV系统的新风能耗,指出两个空气热回收装置组合使用可以消除新风再热能耗,但在夏季湿热地区,排风潜热回收比消除新风再热能耗更重要,应尽可能使用全热空气换热器。 关键词：冷却顶板空调系统 湿负荷 再热能耗 空气换热器 20世纪90年代辐射冷却顶板在欧洲作为单独的空调系统在试验室内首先被研究,然后在置换通风系统中开始应用。文献[1]通过比较传统变风量和单独新风的冷却顶板空调系统的能耗,指出在大西洋中部的国家中,办公建筑使用单独新风与冷却顶板结合的空调系统可以实现每年25%的节能率,并且气候越温和节能效果越好。但冷辐射表面只能承担房间的显热负荷,房间的潜热负荷需由新风负担。为保证人体的热舒适要求,新风不论以何种气流形式送入室内,送风温差都有相应的限制,为实现新风以较小的送风温差和较低的含湿量状态进入室内,需要对除湿处理后的新风进行再热,从而使冷却顶板空调系统的新风能耗明显高于传统送风空调系统。显然,消除新风再热能耗可以进一步提高冷却顶板空调系统的节能效果。文献[2]指出,空气热回收装置的组合使用,能够减小或消除新风再热能耗。考虑到空气热回收装置组合使用的节能效果与夏季室外气候特征密切相关,为了尽可能降低冷却顶板空调系统的新风能耗,笔者选择具有不同夏季气候特征的典型城市(北京、西安、上海和广州),针对冷却顶板空调系统中空气热回收装置的节能效果进行分析计算。 1 不同新风送入方式对冷却顶板空调系统新风能耗构成的影响 根据新风送入方式的不同,冷却顶板空调系统可分为与置换通风结合的系统(简称CC/DV系统)和与上送风结合的系统(简称CC/MV系统)[3],由于二者对送风温差的限制不同(本文计算过程中分别取为3℃和10℃),新风能耗构成是有区别的。空气除湿方式可以分为很多种,由于冷冻除湿在空调中的应用十分广泛,本文仅讨论采用冷冻除湿时新风的能耗问题。 夏季有部分时间室外空气温度低于室内设计温度,而且当室内外温差小于2℃时,空气热回收装置的显热和潜热效率都很低[4],故计算选取的夏季时间应为室外温度比室内设计温度高2℃的时间段,因此计算新风能耗必须采取逐时计算求和的方法,而不能使用气候参数的平均值。其次,考虑空调系统只在人员工作时间运行,办公建筑的空调系统通常不是24 h开启,若24 h连续叠加,会造成一定的计算误差,为此,本文的计算分析针对空调系统运行时间为08:00—22:00的情况进行。设夏季室内空气设计参数为:室内设计温度ti=26℃,相对湿度φ=50%(含湿量di=10.5 g/kg)空气密度ρ=1.2 kg/m3。 当采用冷凝除湿的方法处理空气时,室内空气被处理到机器露点,先去除多余水分,再经过加热到达送风状态点后送入室内。整个过程中新风能耗为： 式中 Qt为整个新风处理过程中单位流量新风所消耗的总能量,J/(m3/h);τd为空调系统运行总时间,d;τ为空调系统每天的运行时间;cp为室外空气的比定压热容,本文计算中取1. 005 kJ/(kg·℃);te,τ为室外空气逐时温度,℃;td为空调送风的露点温度,℃;to为送风状态点空气温度,℃;L为水的汽化潜热,本文计算中取2 500 kJ/kg;de,τ为室外空气逐时含湿量,g/kg;do为送风状态点空气含湿量,g/kg。 冷却顶板空调系统中,新风承担全部湿负荷和部分冷负荷,因此,新风送风温度to由送风温差决定,而送入新风的含湿量do由室内产湿量决定。办公室内湿负荷主要由人体产生,GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》规定普通建筑的设计新风量为30 m3/(人·h)[5]。成年男子的散湿量为68 g/(人·h),若办公室内人均面积为4.0 m2,则单位面积产湿量QL=17.0 g/h,单位面积所需的新风量G=7.56 m3/h,故do=di-QL/(ρG),约为8.5 g/kg。本文仅考虑了人体呼吸的产湿量,实际房间中还有其他湿源,故新风承担的实际湿负荷应比文中考虑的略大。 图1和图2分别为CC/DV和CC/MV系统中各典型城市新风显热、潜热以及再热能耗的分布情况。由于新风同样承担室内湿负荷,两种新风处理方式需要处理到的露点温度和含湿量相同,唯一不同的是CC/MV系统要求的送风温差可以相对大一些,所以由图1和图2可以看出,混合通风与置换通风系统的显热能耗和潜热能耗基本一致,但混合通风需要的再热能耗较小。由于夏季气候持续时间不同,各城市的再热能耗差别也很大。 2 组合空气换热器对冷却顶板辐射空调系统中新风能耗的影响 以上分析表明,CC/DV系统中再热能耗占新风总能耗的比例较大,约为19.0%~22.8%。如果能够将这部分再热能耗减小或消除,将会大大改善冷却顶板空调系统的节能效果。有资料表明[2],将两个空气换热器串联使用可以消除再热能耗。图3为两个空气热回收装置组合使用的示意图。 两个空气换热器组合使用可以有效减少再热能耗,但设备投资几乎成倍增加,为明确空气热回收装置组合使用的必要性,笔者将分别针对空气热回收装置单独使用和组合使用情况,计算分析各地区新风能耗状况和节能效率。 使用一个空气热回收装置时,设εs和εl分别为空气显热和潜热回收效率,排风和新风直接通过换热器后,新风温度和含湿量分别降低到teε,τ和deε,τ,新风能耗为 式(2),(3)中 teε,τ=te,τ-(te,τ-ti)εs为预处理后的新风逐时温度;deε,τ=de,τ-(de,τ-di)εl为预处理后的新风逐时含湿量。当所用空气热回收装置为显热换热器时(以下称工况1),利用式(2),(3)计算新风能耗,且取εs=75%和εl=0;当所用空气热回收装置为全热换热器时(以下称工况2),利用式(2),(3)计算新风能耗,且取εs=75%和εl=60%。 两个换热器组合使用时(见图3),新风经过第一个换热器后被预处理到t′eε,τ状态,再经设备处理到机器露点,然后通过第二个换热器与排风进行显热交换,将新风从露点温度加热到teεε(teεε=td+(ti-td)εs),通常情况下可将处于露点温度的新风加热到送风状态附近,在本文的计算条件下,teεε=23.01℃,已达到置换通风的送风温度要求。同时被处理到露点温度的新风冷却后,需要排出的室内空气温度降至tiε=ti-(ti-td)εs,本文计算条件下tiε=15.6℃,降温后的排风通过第一个换热器将湿热的新风从te,τ预冷到t′eε,τ(t′eε,τ=te-(te-tiε)εs),整个过程中不仅消除了再热能耗,而且冷却后的排风对新风预冷作用加强。最终新风能耗为 当两个显热换热器组合使用时(见图3b,以下称工况3),由于只回收新风显热,所以新风的含湿量不变,但是可以消除再热能耗,利用式(4),(5)计算新风能耗,且取εs=75%和εl=0;当一个全热换热器和一个显热换热器联合使用时(见图3a,以下称工况4),不仅可以有效地消除再热能耗,还可以对新风进行除湿预处理,利用式(4),(5)计算新风能耗,且取εs=75%和εl=60%。为比较空气热回收装置在上述不同使用方式时新风能耗的差别,定义空气热回收系统的节能效率η为 式中 Q1和Qx分别为不用和使用不同组合空气热回收系统时的单位流量新风能耗,W/(m3/s)。图4和图5分别表示了CC/DV系统和CC/MV系统在上述4种空气热回收装置使用情况下的节能效率,由于CC/DV系统比CC/MV系统的新风再热能耗大,两个空气换热器组合使用的节能效率均为CC/DV系统高于CC/MV系统。由图4,5还可以看出,在单独使用显热换热器时(工况1),两个系统节能效率都很小,分别小于4%和7%。单独使用一个全热空气换热器时(工况2),虽然节能效率均小于35%,但CC/DV系统和CC/MV系统在4个城市的节能效果都远好于工况1,这是因为在夏季大多数时间室外空气含湿量都比室内值大很多,对新风进行除湿预处理就变得很有必要。在工况3中,由于在CC/DV系统中再热能耗占的比例较大,两个显热空气热回收装置串联应用的节能效果比使用单个全热空气换热器好,特别是在北方夏季炎热地区节能效率显著提高;但在CC/MV系统中,由于再热能耗占的比例较小,两个显热空气热回收装置串联应用的节能效果相对于单个全热空气换热器无明显优势,甚至在南方地区的节能效率会低于单个全热空气换热器。工况4是在新风进入除湿装置之前对排风的显热和潜热都进行回收,在新风除湿之后进入显热空气回收装置,这样不仅节省了再热能耗,排风潜热也得到回收,其节能效率在CC/DV和CC/MV系统中都明显高于另外3种应用方式。 图4和图5表明,在夏季气候相对较干燥的北京和西安,4种空气热回收装置使用情况下CC/DV系统的节能效率呈明显的阶梯变化,其中使用一个显热换热器的节能效率过低,不适合选用。其他3种组合情况的效率均在25%以上,具体选用哪一种组合更经济合理,应根据室内湿负荷和节能效率的具体要求确定。对CC/MV系统来说,使用两个显热换热器的节能效率与使用一个全热换热器的节能效率相差不大,所以使用一个全热换热器或者全热、显热换热器的组合系统是合理的选择。此时全热、显热换热器的组合比使用一个全热换热器的节能效率高近1倍,设备投资也基本高出近1倍,在选用空气换热器时,可根据初投资预算和节能要求来综合考虑。在夏季室外空气含湿量较大的上海和广州地区,在CC/DV和CC/MV系统中,两个显热换热器组合使用均没有显示出明显的节能优势,因此在上海和广州这类夏季湿热地区,必须将消除新风再热能耗和回收排风潜热并重,不能简单地以消除再热能耗为目标。若对空气热回收系统的节能效率要求不高,应选用一个全热空气换热器;若对热回收系统的节能效率有较高要求,则必须选用全热换热器和显热换热器的组合系统。 3 空气换热器采用不同组合时的经济分析空气换热器的选用除考虑节能效果外,必须对初投资及回收时间和运行费用进行分析。 3.1 能效比 空气换热器在回收余热的同时风机也会耗能,为了进一步分析空气换热器的节能效果,引入空气换热器能效比COP的概念[6],根据可回收能量(Q1-Qx)和风机能耗Qfan将空气热回收装置的COP定义为 由于夏季空调运行大多数情况下消耗电能,可不必考虑能量转化系数的影响,根据式(1)~(5)可得到不同情况下(Q1-Qx)的逐时值。单位流量新风所消耗的风机能耗可表示为 式中 Δp为全热空气换热器本身的阻力,通常板翅式和转轮式空气换热器的阻力约为120 ~300 Pa[7],本文取200 Pa;ηfan为风机的运行效率,本文计算中取0.5。 表1给出了4种空气换热器组合在冷却顶板空调系统中使用时典型城市逐时COP的统计结果,只采用一个显热空气换热器时,各城市对应的COP值均较低,基本无节能意义;采用一个全热空气换热器或两个显热空气换热器时,COP值基本处于30附近,南方地区由于室外空气含湿量大,使用一个全热换热器时COP明显增大到49以上;采用显热和全热空气换热器组合时,各城市的COP值均大幅增加,依然是南方城市的COP值很高。总之,在所有夏季气候特征下,两个显热空气换热器组合的优势都不存在,单个显热空气换热器的COP值又过低,因此,从空气热回收装置的能效比来看,为降低冷却顶板空调系统的新风能耗,应使用全热或全热、显热空气换热器组合。 3.2 空气换热器初投资的回收时间 尽管全热空气换热器及其组合的节能效果显著优于显热空气换热器,但设备价格也较高,为了便于空气换热器的选用,对不同空气换热器组合的初投资回收时间进行分析计算。 使用空气换热器不仅减少了新风能耗,也降低了空调负荷的峰值,即可以减小制冷机容量,由此可使制冷机初投资下降。但在设计中为安全起见往往忽略这种新风负荷下降对制冷机容量的影响。另外由于空气换热器的能效比非常高,其本身能耗远小于节能量,故在本文的经济分析中不考虑以上两种因素对经济分析的影响,仅以因新风能耗下降而节省的电费为准,计算空气换热器的成本回收年限。由于国内不同品牌的空气换热器价格差异较大,不便比较,本文将以欧美市场的设备价格为准进行计算,电价以我国商业用电情况为准。计算中均以美元($)为标准进行分析。 设某CC/DV系统所需的新风量为G,不同气候区单位流量新风在整个供冷季所消耗的总能量Qt在图1中已给出,各种空气换热器及其组合对应的总节能效率η列于图4中,则节约的供冷量Qs为GQtη。设供冷系统的COP在夏季的平均值为3.0,电费为0.15$/(kWh),则一个供冷季节约的电费Me为 由式(10)可知,回收年限与房间大小和新风量基本无关。根据图1和图4所列数据,表2给出了不同空气换热器组合的初投资回收时间。文献[4]指出欧美市场的空气换热器的使用寿命约为20~30 a,由表2数据可知,由于CC/DV系统中再热能耗过大,绝对不应使用显热空气换热器;在广州和上海,除单个显热换热器不能使用外,其他三种组合尚可视情况采用;而北京和西安则只能采用两个空气换热器组合使用的方法。 表2中数据是利用欧美市场的设备价格和我国的电价进行分析的,故回收年限均偏长。在实际中,国产空气换热器价格会不同程度地低于本文计算用价格,因此回收年限也会根据品牌不同相应减少,但各种组合使用方式之间的相对差别基本不变,因此设计人员可以根据表2中的结果适当选用CC/DV系统中的空气换热器类型。 上述讨论均建立在新风量和排风量相等的基础上,但在大多数实际工程应用中,新风量和排风量并不相等。比如,为保持室内微正压,新风量是大于排风量的;而在室内有污染物的情况下,为防止污染物扩散,室内可能又要保持一定的负压,即新风量小于排风量。新风量和排风量不相等时,以上计算分析同样成立,只是在具体操作过程中,需增加一个修正系数Gex/Gin,其中Gex和Gin分别为新风量和排风量。 4 结论 4.1 冷却顶板空调系统的新风再热能耗与新风送入方式密切相关,即使在仅有人员呼吸产湿的情况下,CC/DV系统中新风再热能耗也较大,约占新风总能耗的19.0%~22.8%。消除或减少新风再热能耗,将会提高整个冷却顶板空调系统的节能效果。 4.2 两个空气热回收装置组合使用可以消除新风再热能耗,但在夏季湿热地区,必须将消除新风再热能耗和回收排风潜热并重,不能简单地以消除再热能耗为目标。因此在夏季湿热地区,应使用全热空气换热器或全热、显热换热器组合方式对新风进行预处理。 4.3 通过引入空气热回收装置的能效比概念,讨论了不同使用方法时空气换热器的COP平均值,结果表明,在所有夏季气候特征下,单个显热空气换热器的COP值过低,因此,从空气热回收装置的能效比来看,为降低冷却顶板空调系统的新风能耗,夏季炎热气候城市都应采用全热换热器或两个空气换热器组合方式。 4.4 通过对空气换热器初投资回收年限的分析计算可知,由于CC/DV系统中新风再热能耗过大,采用单个显热空气换热器根本无法收回成本;北方炎热地区适合采用两个换热器组合的方案;南方炎热地区除单个显热空气换热器不能使用外,其他组合的回收期限都较合理。 参考文献：略 |
| 上一篇：循环流化床锅炉紧凑式分流回灰换热器冷态试验研究 | 下一篇：华东理工大学研制“系列高通量换热器” |