空调系统排风热回收的节能性分析
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图中的 1 ,2 ,3 和 4 点分别代表新风入口 、新风 经排气热回收预处理后的出口 、排风经预处理前的 入口 、排风出口这四个状态点 。这样 ,排风热回收 装置的效率就可表示如下[4 ] :
图 2 一年内的温焓变化图
为了分析方便 ,初步分析中特将夏季和冬季的 室内送风条件设置相同 。下面将结合上图对夏季 及冬季显热回收和全热回收进行分析 。 2. 1 显热回收情况
t1
[ T1 ( t) -
0
∫ Tdes- s ]d t - εT
t1
[ T1 ( t)
-
T3 ]d t
(7)
0
∫ 回收冷量 qrec- c =
t1
mcp [ T1 ( t) -
T2 ( t) ]d t
0
∫t1
= mcp ( T1 ( t) - T2 ( t) ) d t
0
(8)
代入 T2 的表达式 ,得 qrec- c = mcpεT ×
度上取决于室内外的温 (焓) 差 。温 (焓) 差越大 ,效
率越高 ;温 (焓) 差越小 ,效率越低 。这样的话 ,在进
行热回收系统的设计和分析时 ,当地的气候条件是
一个非常重要的因素 。
我国气候大多为夏热冬冷 。图 2 为一年内的 温度 、焓值大致变化曲线图[829 ] 。
图 1 带排风热回收的空调系统
Ξ 国家自然科学基金项目 (50177012) . 收稿日期 :2006201217 通讯作者 :柯莹 , Email :quecoo @126. com
第 1 期 袁旭东等 :空调系统排风热回收的节能性分析 · 7 7 ·
回 收 装 置 ( heat recovery ventilation equip ment , HRV E ,简称热回收) 和全热回收装置 (energy re2 covery ventilation equip ment , ERV E ,也叫能回收或 焓回收) [3 ] 。 气气热交换器是排风热回收系统的核心 。典 型的热交换器有如下几种[425 ] : ① 热管式热交换器 ( heat pipe heat exchang2 er) ;
低热污染 ,缓解热岛效应 。 虽然使用排风热回收系统也会增加一定量的
风机能耗 ,但是回收系统本身所节约的能源要远远 大于这一部分的能耗 。有关数据显示当显热热回 收装置回收效率达到 70 %时 ,就可以使供暖能耗 降低 40 %～50 % ,甚至更多[2 ] 。 1 系统简介
排风 热 回 收 装 置 ( air2to2air energy recovery ventilation equip ment) 利用气气热交换器 (air2to2air heat exchanger) 来回收排风中的冷热能对新风进 行预处理 。根据回收热量的形式 ,主要可分为显热
第 7 卷 第 1 期 2007年2月
R
制 冷 与
EFRIGERA TION AND
空
A IR
调
- CONDITION IN
G
76281
空调系统排风热回收的节能性分析Ξ
袁旭东 柯 莹 王 鑫
(华中科技大学)
摘 要 简要介绍排风热回收系统产生的背景 、优点及系统结构 ,对全新风空调系统使用排风热回收的节 能性进行理论分析 ,并结合哈尔滨 、武汉 、广州三个城市进行节能分析 ,指出在中国使用排风热回收具有较 大的节能潜力 ,而且在南方潮湿的城市适合全热回收 ,在北方干燥地区适合显热回收 。 关键词 空调系统 排风热回收 节能
②板式热交换器 (plate heat exchanger) ; ③转轮式热交换器 (rotary heat exchanger) 。 在美国 、加拿大等国家早就有了排风热回收方 面的研究 ,如今在这些国家 ,排风热回收已经广泛 地应用于各种住宅和商业空调 。在我国也有少量 的应用 ,有的已经取得了很好的效果[6 ] 。排风热 回收的应用面很广 ,无论是家用 、办公 ,还是商用建 筑都可以使用 ,特别是对室内污染较大 、空气品质 要求较高 ,新风量要求很大 、甚至是全新风的应用 场合都有着尤为突出的节能效果[7 ] 。 2 节能性分析 图 1 是一个典型的排风热回收装置的空调系 统原理图 。
显热回收时 :εT =
ms( T1 m min ( T1 -
T2) T3)
,
(1)
全热回收时 :εh =
m s ( h1 - h2) m min ( h1 - h3)
。
(2)
其中 , m s 为送风的气流率 , T1 和 h1 分别为室外
新风温度和焓值 , T2 和 h2 分别为新风经预处理
后的温度和焓值 , T3 和 h3 分别为室内排风温度
空调系统作为建筑物的主要能耗之一 ,其节能 性和经济性已越来越受到相关机构和人士的重视 。 把空调房间的热量排放到大气中既造成城市的热 污染 ,又白白地浪费了热能 。如果用排风中的余冷 余热来预处理新风 ,就可减少处理新风所需的能 量 ,降低机组负荷 。
另一方面 ,室内空气品质 ( IAQ) 也越来越受重 视 。使用排风热回收装置 ,利用排风中的冷热量来 对新风进行预处理 ,就可以在节能的同时增加室内 的新风 ,提高室内空气品质 。
∫
t1
[
T1 (
t)
-
T3 ]d t (9)
0
供热季节 :
1) 无排风热回收装置时 :
∫ 供热量 qh =
m cp
t1
[ T des- w -
T1 ( t) ]d t (10)
0
2) 有排风热回收装置时 :
∫ 供热量 q′h = mcp
t2
[ T des- w - T1 ( t) ]d t -
ABSTRACT Describes t he background ,t he advantages and t he makeup of HRV/ ERV equip2 ment s , analyses t he energy saving capability of HVAC system wit h t hem , t hen takes Harbin , Wuhan , Guangzhou t hree cities for example ,get s t he practical energy saving potential ,and get s t he conclusion t hat t here is a large energy saving potential using HVAC system wit h HRV/ ERV equip ment s in China ,for sout hern humid cities , ERV equip ment s is recommended , for nort hern dry cities , HRV equip ment s is recommended. KEY WORDS HVAC system ; air2to2air energy recovery ; energy saving
The energy saving analysis of HVAC system with air2to2air energy recovery
Yuan Xudong Ke Ying Wang Xin ( Huazhong U niversity of Science and Technology)
∫ 制冷量 h′h =
m
t2
[ hdes- w -
mεh
t1
[ h1 ( t) -
h3 ]d t
0
(15)
供热季节 :
1) 无排风热回收装置时 :
∫ 供热量 hh =
m
t1
[ hdes2w -
h1 ( t) ]d t
(16)
0
2) 有排风热回收装置时 :
第 1 期 袁旭东等 :空调系统排风热回收的节能性分析 · 7 9 ·
t1
∫ εT
t2
[ T3 -
T1 ( t) ]d t
(11)
t1
∫ 回收热量 qrec- h
=
m cpεT
t2
[ T3 -
T1 ( t) ]d t
t1
(12)
其中 , m 为送风的气流率 ( kg/ s) , cp 为空气的比热 容 (kJ / (kg·℃) ) 。
在上面的分析中 ,笔者发现对于有排风显热回
和焓值 , T4 和 h4 分别为排出废气的温度和焓值 ,
m min为送风和排风中较小的气流率 。
当新风和排风的气流率相等即空调系统为全
新风时 ,上式简化为 :
显热回收时 :εT =
T1 T1 -
T2 T3
,
(3)
全热回收时 :εh =
h1 h1
-
h2 。
h3
பைடு நூலகம்
(4)
由上述公式可以看出 ,热回收的效果在很大程
m 。另外由显热回收的效率公式可以得到新风经
过显热热交换器后的温度 T2 的公式 : T2 = ( 1 εT) T1 + εT T3 。如果没有热回收系统 ,系统的冷
负荷为将空气从 T1 处理到 T3 的量 ,加入热回收 系统后 ,只需将空气从 T2 处理到 T3 即可 。在下 面的分析中 , T1 , T2 , T3 和 T4 中除了设计温度 T3 是一个恒定的值外 , T1 , T2 和 T4 都看成是时
0
∫t1
= mcp [ T1 ( t) - T des- s ]d t (5)
0
2) 有排风热回收装置时 :
∫ 制冷量 q′c =
t1
mcp [ T2 ( t) -
T des- s ]d t
0
∫t1
= mcp [ T2 ( t) - T des- s ]d t
(6)
0
∫ 代入 T2 的表达式 ,得 q′c = mcp
供冷季节 :
1) 无排风热回收装置时 :
∫ 制冷量 hc =
m
t1
[ h1 ( t) -
hdes- s ]d t
(13)
0
2) 有排风热回收装置时 :
∫ 制冷量 h′c =
m
t1
[ h1 ( t) -
hdes- s ]d t -
0
∫ mεh
t1
[ h1 ( t) -
h3 ]d t
(14)
0
∫ 回收能量 hrec- c =
间 t 的函数 。
如图所示 ,加入排风热回收装置之前 ,空调系
统的冷 (热) 负荷应该为阴影部分和斜线部分面积
之和 ;加入之后 ,空调系统只需提供斜线部分的冷
(热) 量 ,阴影部分则是所回收的能量 。
供冷季节 :
1) 无排风热回收装置时 :
∫ 制冷量 qc =
t1
mcp [ T1 ( t) -
T des- s ]d t
如图 1 所示 ,从空调房间出来的空气一部分经 过热回收装置与新风进行换热 ,从而对新风进行预 处理 ,换热后的排风以废气的形式排出 ,经过预处 理的新风与回风混合后再被处理到送风状态送入 室内 。
当室内外温差较小 ,就没有必要使用排风热回 收 ,所以在新风的入口处设置了一个旁通管道 ,在 过渡季节时将其打开 。如果使用排风热回收系统 不足以满足空调区域的冷 (热) 负荷 ,就需要辅助的 冷却 (加热) 设备 。
对空调系统的排风进行热 (能) 回收有很多优 点[1] :
①对新风进行预处理 ,减小空调运行负荷 ,节 约运行费用 ;
②减小空调系统的最大负荷 ,减小空调系统
的型号 ,节省初投资 ; ③ 在节 约 能 源 的 同 时 可 以 加 大 室 内 的 新 风
比 ,提高室内空气品质 ; ④夏季排气温度降低 ,减小向外的排热量 ,降
收装置的空调系统 ,影响其回收冷 (热) 量的主要有 三个因素 : ①热交换器的换热效率εT 。 ②排风热 回收装置的运行时间 t 。 ③室内外温差Δ T 。
2. 2 全热回收情况
全热回收时的情况和显热回收大致相同 ,在此
只列出图和相关结论 。
图 4 全热回收节能图
将 h2 = (1 - εh) h1 +εh h3 带入计算公式 ,得出如下 结论 。
图 3 是显热回收装置在全年的显热回收情况 。
图 3 显热回收节能图
· 7 8 · 制 冷 与 空 调 第 7 卷
在进行初步分析时 ,假设空调全年运行 ,其中夏
季运行时间为 t1 ,冬季运行的时间为 t1 ～ t2 ,且运 行期间为全新风方式 ,新风和排风量相等 ,均为
图 2 一年内的温焓变化图
为了分析方便 ,初步分析中特将夏季和冬季的 室内送风条件设置相同 。下面将结合上图对夏季 及冬季显热回收和全热回收进行分析 。 2. 1 显热回收情况
t1
[ T1 ( t) -
0
∫ Tdes- s ]d t - εT
t1
[ T1 ( t)
-
T3 ]d t
(7)
0
∫ 回收冷量 qrec- c =
t1
mcp [ T1 ( t) -
T2 ( t) ]d t
0
∫t1
= mcp ( T1 ( t) - T2 ( t) ) d t
0
(8)
代入 T2 的表达式 ,得 qrec- c = mcpεT ×
度上取决于室内外的温 (焓) 差 。温 (焓) 差越大 ,效
率越高 ;温 (焓) 差越小 ,效率越低 。这样的话 ,在进
行热回收系统的设计和分析时 ,当地的气候条件是
一个非常重要的因素 。
我国气候大多为夏热冬冷 。图 2 为一年内的 温度 、焓值大致变化曲线图[829 ] 。
图 1 带排风热回收的空调系统
Ξ 国家自然科学基金项目 (50177012) . 收稿日期 :2006201217 通讯作者 :柯莹 , Email :quecoo @126. com
第 1 期 袁旭东等 :空调系统排风热回收的节能性分析 · 7 7 ·
回 收 装 置 ( heat recovery ventilation equip ment , HRV E ,简称热回收) 和全热回收装置 (energy re2 covery ventilation equip ment , ERV E ,也叫能回收或 焓回收) [3 ] 。 气气热交换器是排风热回收系统的核心 。典 型的热交换器有如下几种[425 ] : ① 热管式热交换器 ( heat pipe heat exchang2 er) ;
低热污染 ,缓解热岛效应 。 虽然使用排风热回收系统也会增加一定量的
风机能耗 ,但是回收系统本身所节约的能源要远远 大于这一部分的能耗 。有关数据显示当显热热回 收装置回收效率达到 70 %时 ,就可以使供暖能耗 降低 40 %～50 % ,甚至更多[2 ] 。 1 系统简介
排风 热 回 收 装 置 ( air2to2air energy recovery ventilation equip ment) 利用气气热交换器 (air2to2air heat exchanger) 来回收排风中的冷热能对新风进 行预处理 。根据回收热量的形式 ,主要可分为显热
第 7 卷 第 1 期 2007年2月
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EFRIGERA TION AND
空
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- CONDITION IN
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空调系统排风热回收的节能性分析Ξ
袁旭东 柯 莹 王 鑫
(华中科技大学)
摘 要 简要介绍排风热回收系统产生的背景 、优点及系统结构 ,对全新风空调系统使用排风热回收的节 能性进行理论分析 ,并结合哈尔滨 、武汉 、广州三个城市进行节能分析 ,指出在中国使用排风热回收具有较 大的节能潜力 ,而且在南方潮湿的城市适合全热回收 ,在北方干燥地区适合显热回收 。 关键词 空调系统 排风热回收 节能
②板式热交换器 (plate heat exchanger) ; ③转轮式热交换器 (rotary heat exchanger) 。 在美国 、加拿大等国家早就有了排风热回收方 面的研究 ,如今在这些国家 ,排风热回收已经广泛 地应用于各种住宅和商业空调 。在我国也有少量 的应用 ,有的已经取得了很好的效果[6 ] 。排风热 回收的应用面很广 ,无论是家用 、办公 ,还是商用建 筑都可以使用 ,特别是对室内污染较大 、空气品质 要求较高 ,新风量要求很大 、甚至是全新风的应用 场合都有着尤为突出的节能效果[7 ] 。 2 节能性分析 图 1 是一个典型的排风热回收装置的空调系 统原理图 。
显热回收时 :εT =
ms( T1 m min ( T1 -
T2) T3)
,
(1)
全热回收时 :εh =
m s ( h1 - h2) m min ( h1 - h3)
。
(2)
其中 , m s 为送风的气流率 , T1 和 h1 分别为室外
新风温度和焓值 , T2 和 h2 分别为新风经预处理
后的温度和焓值 , T3 和 h3 分别为室内排风温度
空调系统作为建筑物的主要能耗之一 ,其节能 性和经济性已越来越受到相关机构和人士的重视 。 把空调房间的热量排放到大气中既造成城市的热 污染 ,又白白地浪费了热能 。如果用排风中的余冷 余热来预处理新风 ,就可减少处理新风所需的能 量 ,降低机组负荷 。
另一方面 ,室内空气品质 ( IAQ) 也越来越受重 视 。使用排风热回收装置 ,利用排风中的冷热量来 对新风进行预处理 ,就可以在节能的同时增加室内 的新风 ,提高室内空气品质 。
∫
t1
[
T1 (
t)
-
T3 ]d t (9)
0
供热季节 :
1) 无排风热回收装置时 :
∫ 供热量 qh =
m cp
t1
[ T des- w -
T1 ( t) ]d t (10)
0
2) 有排风热回收装置时 :
∫ 供热量 q′h = mcp
t2
[ T des- w - T1 ( t) ]d t -
ABSTRACT Describes t he background ,t he advantages and t he makeup of HRV/ ERV equip2 ment s , analyses t he energy saving capability of HVAC system wit h t hem , t hen takes Harbin , Wuhan , Guangzhou t hree cities for example ,get s t he practical energy saving potential ,and get s t he conclusion t hat t here is a large energy saving potential using HVAC system wit h HRV/ ERV equip ment s in China ,for sout hern humid cities , ERV equip ment s is recommended , for nort hern dry cities , HRV equip ment s is recommended. KEY WORDS HVAC system ; air2to2air energy recovery ; energy saving
The energy saving analysis of HVAC system with air2to2air energy recovery
Yuan Xudong Ke Ying Wang Xin ( Huazhong U niversity of Science and Technology)
∫ 制冷量 h′h =
m
t2
[ hdes- w -
mεh
t1
[ h1 ( t) -
h3 ]d t
0
(15)
供热季节 :
1) 无排风热回收装置时 :
∫ 供热量 hh =
m
t1
[ hdes2w -
h1 ( t) ]d t
(16)
0
2) 有排风热回收装置时 :
第 1 期 袁旭东等 :空调系统排风热回收的节能性分析 · 7 9 ·
t1
∫ εT
t2
[ T3 -
T1 ( t) ]d t
(11)
t1
∫ 回收热量 qrec- h
=
m cpεT
t2
[ T3 -
T1 ( t) ]d t
t1
(12)
其中 , m 为送风的气流率 ( kg/ s) , cp 为空气的比热 容 (kJ / (kg·℃) ) 。
在上面的分析中 ,笔者发现对于有排风显热回
和焓值 , T4 和 h4 分别为排出废气的温度和焓值 ,
m min为送风和排风中较小的气流率 。
当新风和排风的气流率相等即空调系统为全
新风时 ,上式简化为 :
显热回收时 :εT =
T1 T1 -
T2 T3
,
(3)
全热回收时 :εh =
h1 h1
-
h2 。
h3
பைடு நூலகம்
(4)
由上述公式可以看出 ,热回收的效果在很大程
m 。另外由显热回收的效率公式可以得到新风经
过显热热交换器后的温度 T2 的公式 : T2 = ( 1 εT) T1 + εT T3 。如果没有热回收系统 ,系统的冷
负荷为将空气从 T1 处理到 T3 的量 ,加入热回收 系统后 ,只需将空气从 T2 处理到 T3 即可 。在下 面的分析中 , T1 , T2 , T3 和 T4 中除了设计温度 T3 是一个恒定的值外 , T1 , T2 和 T4 都看成是时
0
∫t1
= mcp [ T1 ( t) - T des- s ]d t (5)
0
2) 有排风热回收装置时 :
∫ 制冷量 q′c =
t1
mcp [ T2 ( t) -
T des- s ]d t
0
∫t1
= mcp [ T2 ( t) - T des- s ]d t
(6)
0
∫ 代入 T2 的表达式 ,得 q′c = mcp
供冷季节 :
1) 无排风热回收装置时 :
∫ 制冷量 hc =
m
t1
[ h1 ( t) -
hdes- s ]d t
(13)
0
2) 有排风热回收装置时 :
∫ 制冷量 h′c =
m
t1
[ h1 ( t) -
hdes- s ]d t -
0
∫ mεh
t1
[ h1 ( t) -
h3 ]d t
(14)
0
∫ 回收能量 hrec- c =
间 t 的函数 。
如图所示 ,加入排风热回收装置之前 ,空调系
统的冷 (热) 负荷应该为阴影部分和斜线部分面积
之和 ;加入之后 ,空调系统只需提供斜线部分的冷
(热) 量 ,阴影部分则是所回收的能量 。
供冷季节 :
1) 无排风热回收装置时 :
∫ 制冷量 qc =
t1
mcp [ T1 ( t) -
T des- s ]d t
如图 1 所示 ,从空调房间出来的空气一部分经 过热回收装置与新风进行换热 ,从而对新风进行预 处理 ,换热后的排风以废气的形式排出 ,经过预处 理的新风与回风混合后再被处理到送风状态送入 室内 。
当室内外温差较小 ,就没有必要使用排风热回 收 ,所以在新风的入口处设置了一个旁通管道 ,在 过渡季节时将其打开 。如果使用排风热回收系统 不足以满足空调区域的冷 (热) 负荷 ,就需要辅助的 冷却 (加热) 设备 。
对空调系统的排风进行热 (能) 回收有很多优 点[1] :
①对新风进行预处理 ,减小空调运行负荷 ,节 约运行费用 ;
②减小空调系统的最大负荷 ,减小空调系统
的型号 ,节省初投资 ; ③ 在节 约 能 源 的 同 时 可 以 加 大 室 内 的 新 风
比 ,提高室内空气品质 ; ④夏季排气温度降低 ,减小向外的排热量 ,降
收装置的空调系统 ,影响其回收冷 (热) 量的主要有 三个因素 : ①热交换器的换热效率εT 。 ②排风热 回收装置的运行时间 t 。 ③室内外温差Δ T 。
2. 2 全热回收情况
全热回收时的情况和显热回收大致相同 ,在此
只列出图和相关结论 。
图 4 全热回收节能图
将 h2 = (1 - εh) h1 +εh h3 带入计算公式 ,得出如下 结论 。
图 3 是显热回收装置在全年的显热回收情况 。
图 3 显热回收节能图
· 7 8 · 制 冷 与 空 调 第 7 卷
在进行初步分析时 ,假设空调全年运行 ,其中夏
季运行时间为 t1 ,冬季运行的时间为 t1 ～ t2 ,且运 行期间为全新风方式 ,新风和排风量相等 ,均为