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转轮式全热换热器在SPF实验动物环境中的应用探讨点击：1742 日期：[ 2014-04-26 22:00:33 ] |
| 转轮式全热换热器在SPF实验动物环境中的应用探讨 1.韩俊召 2.焦宏照 （1.长春工程学院设计研究院长春130012; 2.河南匠人国际规划建筑设计顾问有限公司郑州450007） 【摘要】通过对目前SPF实验动物房能源消耗大，运行成本高昂等问题的分析，对转轮式全热换热器和板式全热换热器进行了全面的经济性比较，并探讨了转轮换热器引起的交叉污染的解决方法。认为转轮式全热换热器节能效果明显，应用在SPF实验动物房空调系统中具有较好的经济效益。 【关键词】全热换热器；交叉污染；紫外线除菌 中图分类号：TB61+1文献标识码：B 0 引言 根据2002年5月1日开始实施的《实验动物 环境及设施》国家标准，实验动物环境主要分为普通环境、屏障环境及隔离环境。其中屏障系统环境 设施适用于饲育清洁实验动物及无特定病原体 （SPF specific pathogen free）实验动物。当前，新建的实验动物设施主要是SPF型， 按照标准要求空气净化级别至少要达到10000级。 虽然它对空气的洁净度要求不是很高，但对通风方 式有特殊的要求：1.通常采用全新风的空调方式，送风量和排风量很大，且二者几乎相等。2.即使先 期去除了回风中的粉尘颗粒物和有毒有害气体，新鲜空气也不得少于50％；3.采用热回收措施时，必须防止空气的交叉污染。 为了达到这个目的，目前国内SPF实验动物环境主要有以下几种解决方案： 1.采用直排式全新风净化方式，即将恒温恒湿的净化空气送入SPF实验动物房稀释污染空气后不予回收直接排放。这种净化送风方式原理简单，管理方便，但是能耗大，运行成本高昂。 2.采用板式全热换热器回收排风能量。 3.用转轮式全热换热器回收排风的能量，忽略热交换时发生的空气的交叉污染问题。本文采用负荷频率表法，系统计算了转轮式全热换热器及板式全热换热器的全年平均热回收效率，并为转轮换热器引起的交叉污染问题提供了解决办法。 1.全热交换器的节能特性 1.1热交换效率 评价全热交换器性能的一项重要指标是热交换效率。全热交换器的热交换效率可以分为显热交换效率ηT，潜热交换效率ηx和全热交换效率ηi。当进、 排气量相等时，热回收效率可由进气参数的变化量与进、排气口的参数差之比来表示，即其各自的定义可表示为： 式（１），（２），（３）中，T1、T2为换热前后新风 的温度，℃；x１、x２为换热前后新风的含湿量， g/Kg(dry air)；i1、i2为换热前后新风的比焓， KJ/Kg(dry air)；T3，x３，i３分别是换热前排风的温 度，℃、含湿量，g/Kg(dry air)和比焓，KJ/Kg。 1.2空气流动阻力 评价全热换热器另一个重要指标是空气流动 阻力。空气阻力的大小直接影响全热换热器本身风 机的耗能。增加风量，加大风速，空气在全热换热 器中的流动阻力会显著增大。 2.全热换热器的节能分析 2.1室外空气不同温度下全热换热器的节能效果由全热换热器的热回收效率可以看出，全热换热器的热回收量与室内外空气的温度有关。为了精确地分析全热换热器的节能效果，这里根据广州市的气候条件，以广州市某大学的SPF实验动物房作为研究对象来分析各种室外温、湿度条件下的全热换热器的节能情况。该实验动物房的设计参数值：风量32000m 3 /h，设计温度24±2℃，湿度50±10%。温度24℃，湿度50％时，空气的焓值为 47.86。对于一套处理风量为32000m 3 ／h的转轮式全热交换器，如果选择面风速为3m／s，则全热交换效率为75%左右，系统阻力约为200Pa，换热器本身马达功率约为0.4kw，配套风机的功率约为 5.5kW（两台）。若改为板式全热交换器,其全热交换效率为55%左右（考虑冬夏季的平均）,系统阻力约为200Pa,换热器马达消耗功率约为5.5kW（两台）。 全热换热器的实际节能量为它回收的热量与 它本身消耗的能量的差值，可用下式表示： Qs=ηiρG|i1-i3|-N（4） 式中Qs——全热换热器的实际节能量，kJ/h；G―― 通过全热换热器的风，m 3 /h；N――换热器能耗，kW （对转轮式，N＝11.4KW；板翘式，N=11kw）。 图1为根据广州市气候条件，实验动物房在不 同的室外温度下（由广州市标准年资料，它对应唯 一的焓值），转轮和板式全热换热器节能量的变化曲线。 从图中可以看出,室内外温差越大,转轮式全热换热器比板式换热器的节能效果越明显,室内外温差越小,节能效果越差。 考虑到室内温度和相对湿度可以在一定范围内变化，故室内空气的焓值也是变化的，范围大约在38.8KJ/Kg（24℃，40％）～58.40KJ/Kg（26℃， 60％）之间。对转轮式全热换热器，当室外焓值在 37.3~60.2之间时,全热换热器的热回收量要小于其 本身的风机能耗，此时运行全热换热器的热交换模 式是不利的，而应采用旁通模式。此时新风经过滤直接进入空调房间或者空调系统，回风经旁通阀排 出室外。对板式全热换热器，当室外焓值在36.8~60.8之间时，应采用旁通模式。焓值变化区间的大小取决于房间内温湿度变化范围和全热换热器的性能：风机的耗功率越小，全热回收效率越高，则该区间越小。 2.2采用全热换热器的新风系统全年能耗分析 由于室外空气条件是不断变化的，显然不能以 空调室外空气设计参数为基准来讨论采用全热交换器进行热能回收的技术经济性。若空调运转期间 任意时刻ｔ室外新风比焓为i1，t，设计条件下室内 空气比焓为i３，则采用全热交换器所降低的新风热 负荷（即节能量）Ｑ可表示为： 在实际设计计算时，把每一时刻室外新风的比焓代入以上各式进行积分计算是不可能的。采用负荷频率表法，能够较为准确的计算全年耗能量。该方法以当地的标准年全年气象参数分布表提供的数据作为室外计算参数（包括空气干球温度、比焓、湿球温度、该温度在全年出现的小时数等），这基本上与全年的实际气相条件相吻合。因此,要计算新风系统的全年节能量可以先计算各个温度下的新风节能量,再乘以该温度在全年出现的小时数。然后再累加起来算出全年节能量。其公式为： 式中n为气温的划分间隔数，每间隔为1℃；t为 该温度全年出现的小时数；i1为该温度下的焓值。 仍以上例计算，将公式（6）计算的各温度下 的节能量绘制在坐标系上，即得到图2。 从图中可以看出，两种换热器在28℃和11.5 处出现极大值，这是因为这两个温度在全年出现的 总时间较长；曲线中间部分的零值表示换热器停止工作。总体而言，新风系统采用转轮全热换热器比 板式全热换热器节能效果更好。经计算，转轮换热 器全年共节约的能耗1139563kw.h，而板式换热器 节约的能耗为764143.7kw.h，仅为转轮换热器的67 ％。 2.3全热换热器的经济技术分析 若系统采用热泵式机组，设其cop为3，则转 轮式全热换热器全年节省电量为379854.4 kw.h。广 州地区的电费为约0.61元/kw.h，转轮式全热换热 器全年可节省运行费用23.1万元，比板式全热换 热器节省9.04万元。 根据目前全热交换器的售价，约2年多可收回 设备投资。而这并不包括由于采用全热交换器降低 了新风负荷，所需制冷、供热设备能力变小而导致 空调设备投资减少的部分。 3.空气交叉污染的处理 3.1发生交叉污染的原因 转轮式全热换热器虽然具有较高的热回收率，但是由于它容易引起空气的交叉污染问题，严重阻碍了它在实验动物房空调系统中的应用。事实上， 通过紫外线消毒技术并辅助其他措施完全可以克 服交叉污染的问题。 引起交叉污染的原因有两个，一是由于转轮的转动，进入新风区之前转轮通道中的排气会有一部分被转轮带到新风区。为此，只要在转轮进入新风 区之前，设置一小块扇形反吹净化区。反吹净化区的一侧连接在新风管的正压端，另一侧与排风管的负压端相连，就可以从根本上得到解决。 另外，细菌等有害物在通过换热器时会附着全热交换器的吸湿材料表面，当转轮转到新风区域时，又会被新风带入空调机组或房间而引起污染。对这种情况，可以通过紫外线除菌技术解决。 3.2 紫外线除菌 根据波长可将紫外线分为A波、B波、C波和真空紫外线，消毒灭菌使用紫外线是C波紫外线，其波长范围是200μm～275μm。一般认为,杀菌作用最强的波段是254μm左右。 微生物受紫外辐照响应模型如(7)式所示： 式中：S为经过时间t后的细菌存活率,%；K为衰减常数,cm 2 /(μw·s)；I为紫外线辐照强度,μw/cm 2 ； t为照射时间，s。 从该模型可以看出影响消毒效果主要有3大 因素：消毒时间，紫外线强度和微生物的种类及数量。消毒时间越长，紫外线强度越大，消毒效果越好。还有其他间接因素，如安装位置及方式、电压、空气温度和相对湿度、有机物的保护、微生物的数量和紫外线穿透力及反射等。 仍以前述的系统为例，若在排风进入换热器前的6米风管内，布置高辐射强度的紫外线灯管，使管道平均总辐射强度为15000μw/cm 2。且使风速保持在6m/s。那么有上式就可得到几种常见的微生物的存活率，见表1。 显然经过管道除菌后，能够成活的细菌是很少 的。即使有部分细菌附着在转轮式全热换热器的表 面，在这种排风的温湿度环境中也不会繁殖。而对 因交叉污染而进入新风系统的少数细菌而言，由于空调机组的除菌和高效过滤器的过滤，它几乎不会 影响室内的空气品质要求。 4.结论 (1)对于SPF实验动物空调系统，转轮式全热换热器比板式全热换热器节能33%； (2)全热换热器的节能量随着室外空气焓值的变化而变化，当全热换热器节能量低于本身风机的 能耗时，应停止热交换模式，而采用旁通模式； (3)对于广州这样的海洋性气候,室外空气比 较潮湿,可供回收的热量中潜热部分比重很大,因此 采用转轮式全热换热器节能效果更明显； (4)用紫外线灭菌可以去除绝大多数的细菌，而不会影响送风的空气品质。 参考文献 [1]涂逢祥.建筑节能[M].北京:中国建筑工业出版 社,2001:71～72. [2]金伟力.转轮式全热交换器的节能特性及无交叉污染 化研究[J].节能专题Special Topic On Energy-Saving, 2006(5). [3]吴耀杰,秦红.紫外线中央空调系统消毒设备设计 [C].2005年广东省暖通空调制冷学术年会专刊. |
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