建筑空调系统中排风热回收技术与经济性分析

1、建筑空调系统中排风热回收技术及经济性分析 1 摘摘 要要 文章总体上按照换热器的类型，分门别类地给出了各项空调系统中排风热回收技 术。排风显热回收设备有板型显热换热器和热管式换热器；排风全热（焓）回收设备有 板翅式全热换热器、转轮式全热换热器、热泵式换热器、旋转通道式热回收装置8和溶 液式全热回收装置。其中，板型显热换热器综合概述了板式显热换热器和板翅式显热 换热器；热管式换热器涉及到了重力热管式通风换热器、重力热管式余热回收系统和 分体热虹热管换热器。文章还简述了在空调领域有应用潜力的脉动热管。文章对每种 热回收装置的工作原理和优缺点进行了浅层次的分析和简单比较。基于空调排风热回 收技术简单介绍，文章综合已有文献中的工程实例，着重对前面介绍的热回收技术中 的 23 种进行了经济比选，为空调系统中排风热回收装置类型的选择提供参考。 关键词：关键词：空调系统，排风热回收，建筑节能，经济性分析 现代暖通空调技术 2 Abstract In generally, according to the type of heat exchanger, Exhaust air heat recover

2、y technologies in air-condition systerm are introduced respectively. Exhaust air sensible heat recovery equipments include Plate Sensible Heat Exchangers, Heat Pipe Exchangers; Exhaust air total heat (enthalpy ) recovery equipments consist of Plate-fin Type total Heat Exchangers, Rotary Heat Exchangers, Heat Pump Heat Exchangers, Rotating Channel Heat Recovery Devices, Solution Enthalpy Recovery Devices. And Plate Sensible Heat Exchangers are comprised of Plate Type Sensible Heat Exchangers and

3、Plate-fin Type Sensible Heat Exchangers; Heat Pipe Exchangers involve Gravity Heat Pipe Type Heat Exchangers, Gravity Heat Pipe Waste Heat Recovery System, Sperated-type Thermo-siphon Heat Exchangers. Moreover, in this paper Pulsating Heat Pipe with potential application in HVAC systerm is introduced briefly. This paper makes a simple analysis and comparison in terms of operational principle and pros and cons of every heat recovery devices involved. Based on what is shown above, by combining pro

4、ject example existing in some papers, this paper emphasises the economical analysis of 2 to 3 heat recover devices introduced above, to provide a reference for the choice of heat recovery devices in HVAC systerm. Key words：Air-condition systerm, Exhaust air heat recovery, energy Efficieny Building, Economic performance analysis 建筑空调系统中排风热回收技术及经济性分析 3 1 前言 随着空调的快速普及空调系统中作为耗能大户的地位日益突出，给出一组数据： 改革开放以来，我国的经济增长为 7%8%，而能源的供应增长只有 2%4%。另外， 我国属于能源短缺的国家，人均煤炭占有量仅为世界平均水平的 50%，人均石油占有 量仅为世界平均水平的 11%，人均天然气占有量仅为

5、世界平均水平的 4%。另外一组数 据：未来 15 年内城镇新建的建筑总面积将达到 100150 亿 m2，为目前全国城镇已有 建筑面积的65%90%。 我国建筑能耗在社会总能耗中所占的比例已经达到30%以上， 建筑能耗中，有 60%以上（甚至高达 80%90%）是属于建筑运行能耗。因此减少建筑 运行能耗，尤其是建筑空调供暖负荷，具有更加重要的意义。因此，节能刻不容缓。 中华人民共和国节约能源法第一章第四条明确指出“节约资源是我国的基本 国策” 5。作为能源消耗大户的建筑行业应当担负起节能这项责任。空调系统作为建筑 运行耗能的主要方面，节能则显得尤为重要了。而空调系统的节能则可以从存在冷热 量浪费的排风上思考。 我们可以简单算一笔账： 假设新风能耗占空调系统能耗的 30%， 为保护室内空气的平衡， 应有近似相等的排风量。 排风参数与室内空气参数相同。 若用 热回收率为 60%的装置对排风进行冷热量的回收，空调系统节能效率可以达到建筑总 能耗的 30% 60%=18%。 由此可见， 利用热回收技术回收排风中的冷热量是节约能源的 有效途径。 近几年来，在更加优良的材料技术的支撑下，暖通领域的

6、学者和专家在空间节能 方面取得不少的成果。本文简介的空调系统排风热回收技术有的在建筑中已经成熟运 用，有的还在探索和发展阶段，但可以肯定的是排风热回收技术的不断完善将为节能 环保和社会经济发展做出更多的贡献。为了强化建筑中空调系统的节能举措，中国政 府在建筑节能标准规范关于空调热回收部分中给出了详细的规定，让空调节能更科学 化和更细节化 （表 0-1） 。 本文的目的在于对现有的空调系统排风热回收技术进行总结， 为 HVAC 领域的从业人员或有志于从事 HVAC 工作的人员提供一些参考，为未来的可 能的节能减排措施的发展方向提供一点信息，为不同领域的科技成果的转化提供几个 契合点，使空调节能的观念长驻于心。既然， “节约能源”已经被世界各国称为第五大 常规能源（其余四大常规能源是煤、石油、天然气和水利水电） 14，作为矢志于 HVAC 领域的学生就没有理由不为空调的节能尽一份绵薄之力。 现代暖通空调技术 4 表表 0-1 建筑节能标准规范关于空调热回收部分的条文建筑节能标准规范关于空调热回收部分的条文7 规范名称 空气热回收部分的内容 1 采暖通风与空气调节规范 （GB50019-20

7、03） 6.3.18 没有机械排风时，空气调节系统宜设置热回收装置。 2 公共建筑节能设计标准 （GB50189-2005） 5.3.14 建筑物内设有集中排风系统且符合下列条件之一时，宜 设置热排风回收装置，且额定热回收率60%。送风量率 3000m3/h 的直流式空调系统，新排风的温度差8；设计 新风量4000m3/h 的空气调节系统，且新风和排风的温度差 8；设有独立新风和排风的系统。 5.3.15 有人员长期停留且不设置集中新风、排风的空气调节区 （房间） ，分别安置带热回收功能的双向换气装置。 3 夏热冬冷地区居住建筑节能 设计标准 （JGJ134-2010） 6.0.10 居住建筑通风设计应处理好室内气流组织，提高通风效 率。厨房、卫生间应安装局部排风装置。对采用采暖、空调设 备的居住建筑，宜采用带热回收的机械换气装置。 4 夏热冬暖地区居住建筑节能 设计标准 （JGJ134-2003） 6.0.12 当居住建筑设有全年性空调、采暖系统，并对室内空气 品质要求较高时， 宜在机械通风系统中采用全热或显热热量回 收系统（装置） 。 5 绿色建筑评价标准 （GB/T 50378-

8、2006） 4.2.8 采用集中采暖或集中空调系统的住宅，设置能量系统回 收装置。 6 科学实验建筑设计规范 （JGJ91-93） 6.3.12 经技术经济比较合理时，排风系统宜设置热回收装置。 7 旅游旅馆建筑热工与空气调 节 （GB 50189-93） 5.2.1 当客房设置有独立的新风、 排风系统时， 宜选用全热或显 热热回收装置，其额定热回收率不低于 60%。 8 重庆市 夏热冬冷地区居住 建筑节能设计标准 （DB 50/5024-2002） 6.0.11(7)采用集中空调或户式中央空调的建筑，可在新风系统 和排风系统之间设冷、热量回收装置。 9 重庆市 居住建筑节能 65% 设计标准(DBJ50-071-2010) 6.3.1 （7） 采用集中空调或户式中央空调的居住建筑， 应设置通 风换气装置满足新风量的需求， 宜设置带有热回收功能双向换 气装置或者新风系统。 10 重庆市 居住建筑节能 65% 设计标准 （送审稿） 5.3.2 （4） 应选择设置有旁通风管的热回收装置， 以便在过度季 节减少风机能耗。 建筑空调系统中排风热回收技术及经济性分析 5 2 2 排风热回收系统

9、2.1 排风热回收系统的分类排风热回收系统的分类 空调系统中的排风热回收系统的分类一般有以下 3 种。 根据处理方式可以分为无源换热法和有源热回收法。无源换热法是指仅通过各种 热交换设备，外界不增加任何促进交换的能源， 将排风中的冷热量回收；有源热回收 法是指利用热力循环原理， 加入少量电能或者机械能， 将排风的冷热量进行回收。 按照 换热器的类型可以分为板型、转轮式、热管式、中间热媒式（热回收环式8）和热泵式 等等； 根据换热器的类型可以分为显热回收系统和全热回收系统3。 本文将结合第 2 种 和第 3 种划分方法对空调系统排风热回收系统进行介绍。 目前， 显热回收系统中运用的换热器主要有板型换热器、 热管换热器， 中间冷媒换 热器；全热回收系统中运用的换热器主要有转轮换热器和板翅式（板式）换热器。应当 指出的是，装置是显热回收装置还是全热回收装置要看使用的热量回收材料或者介质， 一概而论则失之偏颇。如转轮换热器是属于显热回收装置还是全热回收装置要看它使 用的转芯材质；板型换热器和是显热换热器类型还是全热换热器类型取决于所用的介 质的材料的性质。显热板式换热器多以铝箔为介质，全热类以纸板等具有吸湿作用的 材料为介质，目前有的全热类换热器采用了纳米气体分离复合膜作为热质交换材料2， 全热交换效率更高， 空气阻力大幅度下降， 热质交换材料的孔径更小， 换热器的使用寿 命增长。 2.2 排风热回收系统的工作原理排风热回收系统的工作原理 空调排风目的是维持新风量和排风量的平衡。但是新风进入室内前要经过冷却、 加湿、加热等处理过程，空调系统为处理新风所消耗的冷量或者热量即为新风负荷1。 图 2.1 空调排风热回收图系统图 现代暖通空调技术 6 通常空调系统的排风不经处理直接排到室外，造成能量的浪费。而利用排风对新风进 行预处理，回收排风中的能量，降低新风负荷，从而实现节能目的。空调排风热回收系 统的工作原理如图 2.1 所示。本文仅考虑一次回风系统。 2.3 排风显排风显热回收热回收焓湿过程焓湿过程 排风显热回收换热器的（以金属显热回收 转轮换热器为例）夏季排风和新风焓湿过程如 图2.2所示。 图中W为经过热回收后的状态点， C 为经过换热器换热后的新风和室内

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