动物房洁净室排风能量回收方案技术经济性比较.pdf

1、动 物 房 洁 净 室 排 风 能 量 回 收方 案 技 术 经 济 性 比 较南 华 大 学 阳 长 刘 泽 华 陆 麟 段 永 明摘 要 介 绍 了 板 式 换 热 器 回 收 、 热 管 回 收 、 空 气 源 热 泵 回 收 等 能 量 回 收 方 式 ,结 合 工 程 实例 ,比 较 了 三 种 方 案 的 经 济 性 。关 键 词 排 风 能 量 回 收 板 式 换 热 器 热 管 空 气 源 热 泵 经 济 性Ec o n o mi c a l a n d t e c h ni c a l c o m p a ris o n of e x h a ust a ire n e r

2、g y r e c o v e ry s c h e m e s f or a ni m a l c l e a n r o o m sBy Yang Chang , Liu Zehua , Lu Lin and Duan YongmingAbst ra ct Presents t hree kinds of energy recovery schemes , including flat plate heat exchanger , heatpip e air2air heat exchanger and air source heat p ump system. Wit h a p roj

3、ect example , comp ares t heireconomics.Keywords exhaust air , energy recovery , flat plate heat exchanger , heat pipe air2air heat exchanger ,air source heat p ump , economics Nanhua University , Hengyang , Hunan Province , China0 引 言能 源 已 成 为 制 约 经 济 发 展 的 重 要 因 素 ,节 约 能源 亦 已 成 为 全 社 会 的 共 识 。 随 着

4、 经 济 的 发 展 ,科 技的 进 步 ,净 化 空 调 的 发 展 一 发 而 不 可 收 ,与 普 通 空调 房 间 相 比 ,洁 净 室 单 位 面 积 的 能 耗 要 大 得 多 。 据有 关 部 门 统 计 ,洁 净 室 的 各 类 负 荷 中 ,最 主 要 的 有新 风 负 荷 、 风 机 温 升 负 荷 和 工 艺 设 备 负 荷 三 项 ,其中 新 风 负 荷 最 大 ,占 总 负 荷 的 20 % 70 %1 ,耗 能非 常 可 观 。实 验 动 物 房 洁 净 室 除 了 需 控 制 粉 尘 浓 度 外 还要 控 制 病 菌 个 数 ,故 不 能 采 用 带 回 风 的

5、空 调 系 统 ,而 只 能 采 用 直 流 式 空 调 系 统 (洁 净 走 廊 可 采 用 一 次回 风 ) ;为 保 证 需 要 的 洁 净 度 ,所 需 新 风 量 远 大 于 处理 室 内 负 荷 所 需 的 风 量 。 新 风 量 越 大 ,处 理 新 风 需要 的 能 量 越 多 ,同 时 也 导 致 排 风 量 增 大 ,排 风 带 走的 热 量 增 加 。 因 此 如 何 回 收 排 风 中 的 能 量 ,对 降 低实 验 动 物 房 洁 净 空 调 系 统 的 能 耗 具 有 重 要 意 义 。本 文 针 对 实 验 动 物 房 洁 净 室 空 调 系 统 阐 述 了 三

6、种排 风 能 量 回 收 方 案 ,并 结 合 工 程 实 例 对 各 方 案 的 经济 性 进 行 了 分 析 。1 排 风 能 量 回 收 方 案1. 1 利 用 显 热 换 热 器 回 收 能 量动 物 房 洁 净 空 调 系 统 排 风 一 般 都 污 染 严 重 ,排风 与 新 风 不 能 直 接 接 触 ,故 不 能 采 用 全 热 交 换 器 。图 1 直 接 气 气 式因 此 板 式 换 热 器 、 泵 循 环盘 管 换 热 器 和 热 管 换 热 器等 显 热 换 热 器 成 为 首 选 2 。利 用 板 式 和 泵 循 环 盘管 换 热 器 回 收 排 风 能 量 通常 有

7、 两 种 方 式 :直 接 气 气式 (如 图 1 所 示 ) 和 间 接 式(中 间 介 质 气 环 路 方 式 ,97 暖 通 空 调 HV 利 用 热 管 换 热 器 回 收 排 风 能 量 时 ,热管 可 布 置 在 任 何 位 置 。1. 2 利 用 空 气 源 热 泵 回 收 排 风 能 量利 用 空 气 源 热 泵 回 收 排 风 能 量 ,不 仅 可 以 减 少新 风 处 理 能 量 ,还 可 以 改 善 热 泵 室 外 机 的 工 作 环境 ,从 而 提 高 热 泵 的 制 冷 、 制 热 效 率 。 如 图 3 所 示 ,图 3 室 外 机 布 置 示 意 图热 泵 室 外

8、 机 布 置 在 专 设 的 小 室 中 ,小 室 一 般 建 在 屋顶 ,小 室 面 积 视 室 外 机 设 计 风 量 和 机 型 而 定 ,小 室外 部 可 设 保 温 层 。 通 常 空 调 系 统 排 风 由 排 风 机 组压 入 室 内 ,系 统 排 风 入 口 上 部 设 置 一 通 风 口 ,当 系统 排 风 量 小 于 室 外 机 所 需 风 量 时 ,它 便 成 为 室 外 空气 的 入 口 ;当 系 统 排 风 量 大 于 室 外 机 所 需 风 量 时 ,它 则 成 为 多 余 风 量 的 出 口 。 顶 部 风 口 为 室 外 机 排风 口 ,风 口 上 部 还 可

9、设 置 一 风 帽 ,为 减 小 风 帽 造 成的 风 阻 ,风 帽 离 小 室 顶 部 的 距 离 应 大 于 2 m ,这 样既 可 以 防 止 雨 水 直 接 洒 在 室 外 机 组 上 ,延 长 机 组 的使 用 寿 命 ,又 可 以 减 少 结 霜 的 可 能 。2 排 风 能 量 回 收 方 案 经 济 性 分 析2. 1 南 华 大 学 实 验 动 物 房 洁 净 室 简 介南 华 大 学 实 验 动 物 房 设 计 为 SPF 级 乱 流 洁 净室 。 正 压 梯 度 20 Pa ;空 调 设 计 计 算 参 数 见 表 1 ;设计 送 风 量 为 10 800 m3 / h

10、,排 风 量 为 9 200 m3 / h ,新表 1 空 调 设 计 计 算 参 数夏 季 冬 季室 内 室 外 室 内 室 外温 度 / 25 36 20 - 2相 对 湿 度 / % 40 70 70 40 70 45风 量 为 9 600 m3 / h ;选 用 两 台 分 体 式 空 气 源 热 泵 处理 新 风 ,额 定 制 冷 量 49 kW/ 台 、 制 热 量 53 kW/ 台 ,机 组 全 天 运 行 。2. 2 负 荷 计 算为 计 算 全 年 所 消 耗 的 冷 热 量 和 全 年 所 能 回 收的 能 量 ,需 要 全 面 了 解 该 地 区 的 年 气 象 情 况

11、。 表 2给 出 了 1951 1980 年 衡 阳 地 区 室 外 干 湿 球 温 度 的频 率 分 布 ,表 中 数 据 具 有 很 好 的 代 表 性 3 。表 2 衡 阳 地 区 连 续 运 行 空 调 的 BIN 参 数室 外 气 温 / 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20小 时 数 / h 83 346 485 486 539 462 540 653 541 525 503室 外 气 温 / 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40小 时 数 / h 606 677 578 627 473 290 237 94 13 2全 年 能 耗 用 负

12、荷 频 率 表 法 计 算 ,计 算 公 式 如下 4 :q = x cp ( tw x - tn ) f x N (1)式 中 q 处 理 1 kg 空 气 所 需 的 全 年 能 耗 , kJ /(kg a) ;cp 空 气 比 定 压 热 容 ,kJ / (kg ) ;tw x 某 一 时 刻 室 外 空 气 干 球 温 度 , ;tn 室 内 设 计 温 度 , ;f x 某 一 时 刻 室 外 干 球 温 度 的 年 小 时 频 率值 , % ;N 全 年 运 行 时 间 ,h。夏 季 ,室 内 设 计 温 度 tn = 25 , 室 外 空 气 平 均比 定 压 热 容 cp取 1

13、. 005 kJ/ (kg ) , 则 根 据 式 (1)和 上 述 衡 阳 年 平 均 气 象 情 况 可 得 夏 季 处 理 1 kg 空气 所 需 新 风 显 冷 量 为 qx = 10 271. 1 kJ/ (kg a) 。冬 季 ,室 内 设 计 温 度 为 20 ,同 理 可 得 冬 季 处理 1 kg 室 外 空 气 所 需 室 外 新 风 加 热 (显 热 ) 量 为qd = 35 850. 36 kJ / (kg a) 。系 统 处 理 新 风 量 为 9 600 m3 / h ,则 全 年 所 需 显热 量 Qd = 9 600 m3 / h 1. 2 kg/ m3 (35

14、 850. 36 kJ/(kg a) + 10 271. 1 kJ/ (kg a) ) = 5. 31 108 kJ/ a。2. 3 能 量 回 收 方 案根 据 该 工 程 空 调 系 统 新 风 处 理 耗 能 量 大 ,排 风能 量 浪 费 的 特 点 ,提 出 了 如 下 三 种 排 风 能 量 回 收 方案 。2. 3. 1 板 式 换 热 器 方 案该 方 案 能 避 免 新 风 与 排 风 交 叉 污 染 ,回 收 原 理如 图 1 所 示 。 由 于 系 统 排 风 量 及 机 房 空 余 面 积 较大 ,设 计 选 用 BR16M 免 粘 胶 垫 型 气 气 板 式 换 热0

15、8 设 计 参 考 暖 通 空 调 HV 室 外 机在 设 计 工 况 下 ,即 室 外 干 球 温 度 36 时 所 需 风 量为 14 400 m3 / h。 根 据 表 2 衡 阳 地 区 气 象 资 料 ,大于 36 的 时 间 为 50 h 左 右 ,在 此 条 件 下 热 泵 将 无法 在 额 定 工 况 下 运 行 。 若 将 排 风 引 入 室 外 机 与 室外 空 气 混 合 ,则 由 于 两 者 的 密 度 相 差 不 大 ,可 近 似取 气 体 的 体 积 流 量 代 替 质 量 流 量 ,从 而 得 到 混 合 后的 温 度 :tx = 9 200 m3 / h 26

16、+ 14 400 m3 / h 36 9 200 m3 / h + 14 400 m3 / h = 32. 1 随 着 室 外 气 温 的 降 低 ,小 室 内 的 温 度 将 不 断 接近 26 ,冷 凝 器 的 冷 凝 温 度 大 大 降 低 ,从 而 提 高 了机 组 的 CO P 值 ,降 低 了 机 组 的 能 耗 。 同 理 可 得 冬季 室 外 气 温 最 低 时 ,混 合 后 的 空 气 温 度 :td = 9 200 m3 / h ( - 2) + 14 400 m3 / h 18 9 200 m3 / h + 14 400m3 / h = 6. 0 从 上 面 的 计 算

17、可 知 ,即 使 在 环 境 温 度 最 恶 劣的 情 况 下 ,小 室 内 的 混 合 温 度 也 大 于 等 于 6 ,大 于 等 于 有 学 者 提 出 的 最 佳 经 济 平 衡 点 温 度 (长沙 为 6 ) 5 ,从 而 可 以 省 去 电 锅 炉 加 热 器 ,减 少初 投 资 ,减 少 能 耗 ;并 彻 底 排 除 结 霜 可 能 性 ,大 大提 高 蒸 发 器 的 蒸 发 温 度 ,提 高 机 组 的 工 作 效 率 即CO P 值 ,进 一 步 降 低 机 组 的 耗 能 ,延 长 机 组 的 使用 寿 命 。2. 4 三 种 方 案 的 经 济 性 分 析 和 比 较比

18、较 结 果 见 表 4。表 4 三 种 排 风 能 量 回 收 方 案 经 济 性 比 较主 要 设 备型 号全 年 平 均换 热 效 率全 年 回 收能 量 / GJ全 年 节 省 运行 费 /万 元初 投 资/万 元投 资 回 收期 / a板 式 换 热器 方 案BR16M 免粘 胶 垫 型0. 542853. 7651. 33热 管 换 热器 方 案ZJ AA 型 0. 593284. 06102. 42空 气 源 热泵 方 案ACCHP2204. 5810. 25注 :由 于 换 热 器 不 能 全 年 在 满 负 荷 状 态 运 行 ,故 全 年 平 均 换 热 效 率 取 满 负荷

19、 运 行 效 率 的 90 %。由 于 板 式 换 热 器 和 热 管 换 热 器 方 案 均 增 加 了风 机 能 耗 ,而 空 气 源 热 泵 方 案 则 无 须 另 加 动 力 设备 ,故 空 气 源 热 泵 方 案 节 省 运 行 费 用 最 多 ,计 算 运行 费 时 电 价 按 0. 55 元 / ( kWh) 计 算 。 初 投 资 包 括主 要 设 备 和 为 克 服 能 量 回 收 设 备 引 起 的 风 管 压 降所 增 加 的 风 机 的 投 资 ,以 及 设 备 的 安 装 费 等 。 对 于空 气 源 热 泵 方 案 ,其 初 投 资 主 要 为 建 造 小 室 的

20、投资 ,因 而 其 初 投 资 相 对 最 低 。3 结 论3. 1 排 风 能 量 回 收 方 案 较 多 ,本 文 介 绍 的 三 种 方案 用 于 直 流 式 洁 净 室 空 调 系 统 的 排 风 能 量 回 收 ,均有 良 好 的 节 能 效 果 。 三 种 方 案 的 全 年 回 收 能 量 基本 相 当 ,热 管 换 热 器 回 收 量 最 大 ,但 其 初 投 资 也 最大 ,回 收 期 较 长 。 空 气 源 热 泵 方 案 虽 然 全 年 回 收 量相 对 最 少 ,但 由 于 其 初 投 资 很 小 ,又 无 额 外 增 加 风机 耗 能 ,投 资 回 收 期 仅 需 3

21、 个 月 ,因 而 笔 者 认 为 此种 方 案 为 本 工 程 (原 本 采 用 空 气 源 热 泵 方 案 ) 的 最佳 排 风 能 量 回 收 方 案 。3. 2 本 文 的 分 析 结 果 并 不 一 定 适 合 其 他 空 调 系(下 转 第 90 页 )18 暖 通 空 调 HV &A C 2005 年 第 35 卷 第 6 期 设 计 参 考表 2 散 热 量 为 120 W/ m2时 不 同 布 管间 距 需 要 的 平 均 供 水 温 度间 距 / mm 200 250 300 350 400 450所 需 平 均 供 水 温 度 / 31. 58 32. 77 34. 09

22、 35. 53 37. 09 38. 75根 据 表 2 中 数 据 ,结 合 系 统 的 热 源 条 件 ,将 地板 辐 射 供 热 系 统 的 热 水 供 、 回 水 温 度 定 为 40 / 30 。 在 此 水 温 下 ,地 板 辐 射 供 热 系 统 正 常 供 暖 与 值班 供 暖 时 不 同 间 距 的 计 算 结 果 见 表 3、 表 4。表 3 正 常 供 暖 时 的 计 算 结 果间 距 / mm 200 250 300 350 400 450地 板 有 效 散 热 量 / (W/ m2) 88. 2 83. 2 78. 3 73. 6 69. 1 64. 9地 板 表 面

23、 平 均 温 度 / 28. 31 27. 85 27. 40 26. 96 26. 54 26. 14表 4 值 班 供 暖 时 的 计 算 结 果间 距 / mm 200 250 300 350 400 450地 板 有 效 散 热 量 / (W/ m2) 140. 4 132. 2 124. 2 116. 6 109. 4 102. 6地 板 表 面 平 均 温 度 / 24. 38 23. 68 22. 98 22. 31 21. 66 21. 05综 合 考 虑 地 板 有 效 散 热 量 、 工 程 热 负 荷 要 求 以及 地 板 表 面 温 度 的 均 匀 性 ,将 辐 射 地

24、 板 布 管 间 距 定为 300 mm。休 息 厅 夏 季 空 调 室 内 设 计 参 数 为 温 度 28 ,相对 湿 度 小 于 等 于 55 % ,此 时 露 点 温 度 为 1811 ,由于 计 算 中 采 用 室 温 替 代 平 均 辐 射 温 度 会 造 成 一 定 误差 ,为 了 安 全 起 见 ,冷 水 供 回 水 温 度 设 定 为 18 /21 。 计 算 可 得 ,在 300 mm 间 距 下 ,地 板 有 效 供 冷量 为 34 W/ m2 ,地 板 表 面 平 均 温 度 为 22. 87 。3. 3 应 用 分 析三 种 工 况 下 的 供 暖 供 冷 量 及 地

25、 板 表 面 平 均 温度 计 算 结 果 见 表 5。表 5 休 息 厅 地 板 辐 射 供 暖 供 冷 计 算 结 果地 板 有 效 供 冷量 / (W/ m2)地 板 有 效 散 热量 / (W/ m2)地 板 表 面 平均 温 度 / 露 点 温度 / 夏 季 供 冷 34 22. 87 18. 1冬 季 正 常 供 暖 78. 3 27. 40值 班 供 暖 124. 2 22. 98由 表 5 中 数 据 可 知 ,冬 季 在 室 温 10 情 况 下 ,辐 射 地 板 可 提 供 124 W/ m2 的 有 效 散 热 量 ,满 足 了值 班 供 暖 的 要 求 ,正 常 供 暖

26、 条 件 下 (室 温 19 ) 也可 提 供 78 W/ m2 的 热 量 ,配 合 常 规 空 调 使 用 ,可 减少 空 调 热 风 的 供 给 ,既 能 够 减 少 能 耗 ,又 可 以 提 供更 为 舒 适 的 室 内 环 境 。 夏 季 辐 射 地 板 可 提 供 34W/ m2 的 冷 量 ,弥 补 了 常 规 空 调 风 量 无 法 满 足 所 导致 的 冷 量 不 足 。 供 冷 时 地 板 表 面 平 均 温 度 为22187 ,室 内 空 气 的 露 点 温 度 为 18. 1 ,地 板 表面 平 均 温 度 远 高 于 露 点 温 度 ,即 使 由 于 采 用 室 内

27、温度 代 替 平 均 辐 射 温 度 造 成 了 一 定 的 偏 差 ,也 可 以 保证 地 板 表 面 不 结 露 。4 结 语4. 1 地 板 辐 射 供 暖 供 冷 系 统 可 以 作 为 常 规 供 暖 空调 系 统 的 一 种 较 佳 的 补 充 方 式 。 即 将 发 布 的 北 京市 地 方 标 准 公 共 建 筑 节 能 设 计 标 准 4. 2. 2 条 规定 :“ 公 共 建 筑 中 的 高 大 空 间 如 大 堂 、 候 车 (机 ) 厅 、展 厅 等 处 ,宜 采 用 辐 射 采 暖 方 式 ,或 采 用 辐 射 采 暖作 为 补 充 。 ”4. 2 对 于 内 部 结

28、 构 复 杂 的 空 间 ,可 采 用 室 内 空 气温 度 代 替 平 均 辐 射 温 度 的 办 法 进 行 简 化 计 算 ,虽 然会 造 成 一 定 偏 差 ,但 比 实 际 工 况 偏 于 安 全 。4. 3 由 于 供 冷 地 板 只 能 减 焓 、 不 能 除 湿 ,为 防 止 室内 湿 度 过 高 而 导 致 地 板 结 露 ,夏 季 采 用 地 板 辐 射 供冷 前 ,应 先 启 用 常 规 的 空 调 系 统 使 室 内 空 气 相 对 湿度 接 近 或 达 到 设 计 值 。 而 当 空 调 系 统 停 止 运 行 后 ,要 及 时 关 闭 地 板 辐 射 系 统 。4.

29、 4 上 述 计 算 方 法 及 设 计 结 果 需 要 在 工 程 建 成 后进 行 实 测 验 证 。参 考 文 献1 ASHRA E. ASHRA E Handbook. Systems andEquipment. 20002 J GJ 142 2004 J 365 2004 地 面 辐 射 供 暖 技 术 规 程(上 接 第 81 页 )统 。 各 种 空 调 系 统 的 排 风 方 式 不 同 ,排 风 量 也 不同 ,因 此 在 设 计 时 应 该 根 据 空 调 系 统 用 途 、 排 风 方式 、 排 风 量 的 多 少 以 及 各 地 的 气 候 状 况 ,对 各 种 方案

30、的 可 行 性 和 经 济 性 进 行 比 较 ,并 优 选 最 佳 方 案 在工 程 中 应 用 。参 考 文 献1 范 国 才 ,路 永 强 ,刘 卫 兵 . 洁 净 室 净 化 空 调 系 统 的 节 能 措施 . 中 国 药 业 ,2000 ,9 (12)2 张 小 松 .板 翅 式 换 热 器 用 于 空 调 系 统 排 风 能 量 回 收 的 研究 . 通 风 除 尘 ,1998 (3)3 刘 泽 华 .衡 阳 地 区 室 外 气 象 分 析 与 应 用 . 衡 阳 工 学 院 学报 ,1992 ,6 (2)4 钱 以 明 .高 层 建 筑 空 调 与 节 能 . 上 海 :同 济 大 学 出 版 社 ,19905 姜 益 强 ,马 最 良 . 空 气 源 热 泵 供 热 最 佳 经 济 平 衡 点 的 探讨 . 暖 通 空 调 ,2001 ,31 (3)09 设 计 参 考 暖 通 空 调 HV &A C 2005 年 第 35 卷 第 6 期