空调系统排风热回收的节能性分析_袁旭东

空调系统排风热回收的节能性分析
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
The energy saving analysis of HVAC system with
air-to-air energy recovery
Yuan Xudong　Ke Ying　Wang Xin
(Huazhong University of Science and Technology)
ABSTRACT　Describes the backg round,the advantages and the makeup of H RV/ERV equip-ments,analyses the energy saving capability of HVAC system with them,then takes Harbin, Wuhan,Guangzhou three cities for exam ple,gets the practical energy saving potential,and gets the conclusion that there is a large energy saving potential using HVAC system with H RV/ ERV equipments in China,fo r southern humid cities,ERV equipments is recommended,for no rthern dry cities,H RV equipments is recommended.
KEY W ORDS　H VAC system;air-to-air energ y recovery;energy saving
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。

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(air-to-air energy recovery ventilation equipment)利用气气热交换器(air-to-air heat ex changer)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
制冷与空调
REFRIG ERA T ION AN D AI R-CON DI TI ON ING
76-81
国家自然科学基金项目(50177012). 收稿日期:2006-01-17
通讯作者:柯莹,Email:quecoo@
回收装置(heat recovery ventilation equipment ,H RVE ,简称热回收)和全热回收装置(energy re -covery ventilation equipment ,ERVE ,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[4-5]:
①热管式热交换器(heat pipe heat exchang -er );
②板式热交换器(plate heat exchanger );③转轮式热交换器(rotary heat ex changer )。

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。

图1　带排风热回收的空调系统
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。

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]:
显热回收时:εT =m s (T 1-T 2)
m m in (T 1-T 3)
,(1)全热回收时:εh =m s (h 1-h 2)
m m in (h 1-h 3)。

(2)其中,m s 为送风的气流率,T 1和h 1分别为室外新风温度和焓值,T 2和h 2分别为新风经预处理后的温度和焓值,T 3和h 3分别为室内排风温度和焓值,T 4和h 4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 =T 1-T 2
T 1-T 3,
(3)全热回收时:εh =h 1-h 2
h 1-h 3。

(4) 由上述公式可以看出,热回收的效果在很大程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[8-9]。

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
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
·
77·　第1期 袁旭东等:空调系统排风热回收的节能性分析
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q c=∫t10mc p[T1(t)-T des-s]d t
=mc p∫t10[T1(t)-T des-s]d t(5) 2)有排风热回收装置时:
制冷量q′c=∫t10mc p[T2(t)-T des-s]d t
=mc p∫t10[T2(t)-T des-s]d t(6) 代入T2的表达式,得q′c=mc p∫t10[T1(t)-T des-s]d t-εT∫t10[T1(t)-T3]d t(7) 回收冷量q rec-c=∫t10mc p[T1(t)-T2(t)]d t
=mc p∫t10(T1(t)-T2(t))d t
(8)
代入T2的表达式,得q rec-c=mc pεT×
∫t10[T1(t)-T3]d t(9) 供热季节:
1)无排风热回收装置时:
供热量q h=mc p∫t10[T des-w-T1(t)]d t(10) 2)
供热量q′h
εT∫t2t1[T3-T1(t)]d t(11)回收热量q re c-h=mc pεT∫t2t1[T3-T1(t)]d t
(12)其中,m为送风的气流率(kg/s),c p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ΔT。

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。

供冷季节:
1)无排风热回收装置时:
制冷量h c=m∫t10[h1(t)-h des-s]d t(13) 2)有排风热回收装置时:
制冷量h′c=m∫t10[h1(t)-h des-s]d t-
mεh∫t10[h1(t)-h3]d t(14)回收能量h rec-c=mεh∫t10[h1(t)-h3]d t
(15) 供热季节:
1)无排风热回收装置时:
供热量h h=m∫t10[h des-w-h1(t)]d t(16) 2)有排风热回收装置时:
·
78
·
制　冷　与　空　调 第7卷　
制冷量h′h=m∫t2t1[h des-w-h1(t)]d t-
mεh∫t2t1[h3-h1(t)]d t(17)回收能量h rec-h=mεh∫t2t1[h3-h1(t)]d t
(18) 对于全热回收,由上述结论可以看出,它也是主要有换热效率εh,运行时间t和室内外焓差Δh 这三个影响因素。

在这里,前两个因素与显热回收里是一样的,只是第三个因素有少许不同。

空气的焓值不仅与温度有关,湿度的不同也会影响焓值的大小。

焓差要求大,就要求应用在室内外温度差大且湿度差也要大的场所,其他场所应用的话就会没有那么好的效果。

2.3　节能比分析
回收的冷(热)量达到多大的比例是用户所关心的问题。

从上面分析中可以得到回收的能量与原来所需能量的比值。

这里仅对显热回收进行分析,关于全热回收方面直接给出相关结论。

设送风温差为Δt,则夏季T3=T des+Δt,冬季T3=T des-Δt。

根据显热回收中的相关结论,得到:
制冷季节:
q rec q c =
εT∫t10[T1(t)-T3]d t
∫10[T1(t)-T des]d t
=εT1-
ΔTt1
∫t10T1(t)d t-T des t1
(19)
供热季节:
q rec-h q h =
εT∫t2t1[T3-T1(t)]d t ∫t2t
1
[T des-T1(t)]d t
=εT 1-
ΔT(t2-t1)
T des(t2-t1)-∫t2t1T1(t)d t(20)
这样,只要知道εT(此处不妨取70%)和由送风温差引起的负荷和总负荷之比SΔt/S tot就可以得到节能比q rec/q tot=εT(1-SΔt/S tot)。

在整个变化范围,节能量从7%到63%,就我国的气候情况而言,SΔt/S to t<0.1或是>0.9的可能性都非常小,0.2～0.8的范围比较合适,特别是0.3～0.7的情况是经常出现的,这样在应用排风热回收就有节能14%～56%的可能性。

表1　显热、全热节能比值(εT=0.7)
SΔt/S to t0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 q rec/q tot0.630.560.490.420.350.280.210.140.07
全热回收的分析过程同上,在分析中只需将温度值换成焓值即可。

3　国内应用的节能潜力
我国的排风热回收起步较晚,现在应用的也非常少,但在一些已经应用的场合获得了很好的效果,具有很大的节能潜力[10]。

从上面的分析中发现,对于不同的气候条件应该具体分析,选择适合当地的回收方式。

下面针对我国南北及中部不同的几个城市进行相关的节能分析,并对其显热和全热回收进行比较,得出相关结论。

在节能比分析中,只是大概地列出不同面积比情况下的节能情况。

显热节能的分析将结合具体城市的历年室外温度曲线,在给定的设计温度、室内温度和送风温差下,利用T2=(1-εT)T1+εT T3得出新风经过预处理后温度曲线,从而由几条曲线分析节能的情况;对于显热则是根据全年温度和湿度变化绘制出一条室外空气焓值变化曲线,结合室内的设计焓值,利用h2=(1-εh)h1+εh T3得出预处理后的焓值,同显热一样继续进行分析。

在此还需要提到几个问题:
1)绘制温度和焓值曲线的过程中数值的选择问题。

对于每个城市的最高温度和最低温度取的是空调设计温度[11],其他时间的温度则是结合历年的平均温度和近5年的全年最高温度和最低温度的变化图表值进行确定的。

焓值是在上述工作的基础上结合历年的平均湿度值,查取焓值表进行确定的。

2)上面的分析是全年空调的理论分析,下面的分析结合我国使用空调的实际情况进行,即非全年性空调,冬夏季的空调参数不同等。

3)显热节能分析中的假设条件。

对于所有的城市,均假设夏季在室外温度大于28℃时开始供冷,室内的设计参数为温度T3=24℃,相对湿度φ=60%,送风温度为T dse=15℃;冬季在室外温
·
79
·
　第1期 袁旭东等:空调系统排风热回收的节能性分析
度小于10℃时开始供暖,室内设计参数为T 3=20℃,相对湿度φ=50%,送风温度T dse =27℃。

4)全热节能分析中的假设条件。

对于所有的城市,均假设夏季在室外焓值大于70kJ /kg 时开始供冷,室内的设计参数为温度T 2=24℃,相对湿度φ=60%,室内焓值h 3=52kJ /kg ,送风焓值h dse =36kJ /kg ;冬季在室外焓值小于10kJ /kg 时开始供热,室内设计参数为T 3=20℃,相对湿度φ=50%,室内焓值h 3=38.2kJ /kg ,送风焓值h dse =60kJ /kg 。

5)仍然是对全新风空调系统进行分析,所有显热回收和全热回收的回收效率均取70%。

6)在城市的选择上,选取哈尔滨、武汉、广州这三个比较有代表性的城市。

3.1　哈尔滨
哈尔滨是典型的中国北方城市。

相对而言,其冬天的温湿度均较低,供暖时间较长且热负荷较大,夏天的温湿度也较低,供冷时间较短且冷负荷较小。

1)显热回收
哈尔滨的夏季最高温度在7月附近,温度取夏季空调设计温度30.3℃;冬季最低温度在1月左右,温度取冬季空调设计温度-29℃。

结合哈尔滨冬夏季空调设计温度和历年的温度变化情况,得出T 1的变化曲线,再利用T 2=(1-εT )T 1+εT T 3加上设计参数,即可得到T 2的表达式:
夏季　T 2=(1-εT )T 1+εT T 3=
0.3T 1+0.7T 3=0.3T 1+16.8
(21)
冬季　T 2=(1-εT )T 1+εT T 3=0.3T 1+0.7T 3=0.3T 1+14(22)T 1和T 2在加上设计参数即可得到哈尔滨显热回收的情况见图5。

图5　哈尔滨显热回收节能图
图中灰色阴影部分代表回收的冷热量,方格部分是由送风温差带来的冷热负荷量,测得各个部分的面积就可以得到实际的热回收比。

夏季　s Δt -s /s tot -s =60.5%
q rec -s /q tot -s =εT (1-s Δt -s /s tot -s )=27.6%冬季　s Δt -w /s tot -w =17.9%
q rec -w /q t ot -w =εT (1-s Δt -w /s to t -w )=57.5%2)全热回收
根据显热回收时确定的T 1与T 2曲线图和历年的平均湿度值,查焓湿表即可得到每个月的焓值,做出室外焓值的样条函数的曲线。

新风经预处理后的焓值h 2是利用h 2=(1-εh )h 1+εh h 3得到,带入设计参数值得到h 2的表达式如下:
夏季　h 2=(1-εh )h 1+εh h 3
=0.3h 1+36.4
(23)
冬季　h 2=(1-εh )h 1+εh h 3
=0.3h 1+26.74(24)h 1和h 2在加上设计参数即可得到哈尔滨全热回收的情况(如图6)。

图6　哈尔滨全热回收节能图
图中灰色阴影部分代表回收的冷热量,方格部分是由送风温差带来的冷热能量,测得各个部分的面积就可以得到实际的热回收比。

夏季　s Δt -s /s to t -s =44.3%q rec -s /q tot -s =εh (1-s Δt -s /s tot -s )=39%冬季　s Δt -w /s tot -w =28.3%q rec -w /q t ot -w =εh (1-s Δt -w /s to t -w )=50.2%3.2　武汉和广州
对广州和武汉进行同样的分析,得到节能效果:武汉进行显热回收时夏季节能比为31.7%,冬
季节能比为51.6%,进行全热回收时夏季节能比为51.7%,冬季节能比为44.5%;广州夏季显热回
·
80· 制　冷　与　空　调 第7卷　
收节能比为36.2%,全热回收节能比为50%。

3.3　结果分析
表2　三城市能量回收效果比较%
夏季
哈尔滨武汉广州
冬季
哈尔滨武汉
显热回收率27.635.936.257.551.6
全热回收率3951.75050.244.5
从表2中的结果可以看出:
①武汉和广州的夏季热回收率要明显高于哈尔滨,哈尔滨的冬季回收效果又要高于武汉。

这说明热回收效果和当地的气候有很大的关系,室内外的温差越大,回收效果越好。

②夏季全热回收时的效果要明显高于显热回收,冬季全热回收的效果则低于显热回收。

全热回收考虑的是焓值,它不仅与温度有关,还与湿度有关,故夏季时武汉和广州回收率的绝对增加量要高于哈尔滨。

③广州采用全热回收的效果要明显高于显热回收。

气候与广州相仿的南方城市(如深圳、海口等),夏季空调时间较长,几乎不用供暖,适宜使用全热回收。

④武汉夏季全热回收效果明显高于显热回收,冬季全热回收效果略低于全热回收,综合考虑,像长沙、重庆等和武汉一样冬冷夏热且全年湿度较高的城市更适宜采用全热回收。

⑤哈尔滨使用全热回收是夏季效果比显热好,冬季比显热差,考虑到哈尔滨的夏季供冷时间较段,冷负荷较小,加上全热回收装置的成本较高,与哈尔滨气候类似的北部区域更适宜采用显热回收。

4　结　论
利用排风热回收装置回收排风中的冷热量是一种有效节能的方式,在我国有很大的节能潜力,有较大的推广价值。

影响排风热回收效果的有热交换器的换热效率、排风装置运行时间、室内外温差(焓差)等几个因素,所以在具体设计和应用时要根据当地的实际温湿度、空调运行时间等来分析,合理选择回收方式,确定回收装置运行的时间等,以使得系统具有最好的节能性。

根据中国的气候条件,在南方城市(如广州、深圳等)及中部常年较潮湿的城市(如武汉、长沙、重庆等)较适宜用全热回收,在北方气候寒冷、湿度较小的城市(如哈尔滨、北京、沈阳等)较适宜用显热回收。

参考文献
[1]　Robert W Besant,Carey J Simonson.Air-to-air energy
recovery.ASHRA E Journal,2000.
[2]　江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径.暖通
空调,2005,35(5):30-40.
[3]　郑钢.热回收节能在空调系统中的应用.能源技
术,2005,6:124-126.
[4]　2005STA NDA RD for PERFORMANCE RATING OF
AIR-TO-AIR HEAT EXCHANGERS FO R ENERGY
RECOVERY VEN TI LAT ION EQUIPM EN T,Standard
1060.
[5]　John Dieckmann,Kurt W Roth,James Brodrick.Air-
to-air energy reco very heat exchangers.ASHRAE Jour-
nal,2003.
[6]　邬守春,焦良珍.全热交换器节能与经济效益分析实
例.中国建设信息供热制冷,2004,(6):22-25. [7]　Do ng R I rwin,Carey J Simonson,K ong Y Saw,et al.
Contaminant and hea t remov al effectiveness and air-to
-air heat/energy recovery for a contaminant air space.
ASH RA E T ransactio ns,1998.
[8]　Yaw Asiedu,Robert W Besant,Carey J Simonson.Cost-
Effecctive Desig n of Dual Heat and Energy Recovery Ex-
changers for100%Ventilation Air in HVAC Cabinet U-
nits.ASHRAE Transactions,2005.
[9]　Yaw As iedu,Robert W Besant,Carey J Simonson.Wheel
Sel ection for Heat and Energy Recovery in Simple HVAC
Ventilation Design Problems.ASHRAE Transactions,
2004.
[10]　张荣荣,周亚素.空调系统中全热回收设备的节能分
析.建筑热能通风空调,2000,4:22-24.
[11]　陆耀庆.实用供热空调设计手册.北京:中国建筑工
业出版社,1993.
·
81
·
　第1期 袁旭东等:空调系统排风热回收的节能性分析 。