某辦公樓空調箱節能改造方法的可行性研究

趙富強 岳嵩 祁英 張云婷

某辦公樓空調箱節能改造方法的可行性研究

趙富強1岳嵩2祁英1張云婷1

1山東建筑大學熱能工程學院
2濟南市熱力設計研究院

以濟南市某五層辦公樓空調箱的節能改造為例，重點介紹自己再熱式熱回收方式及在空調箱節能改造中的應用。另外，通過理論計算結果與系統仿真結果的比較，得出該系統的節能效果和在工程應用中的可行性。最后，針對系統在實際工程中可能出現的一些問題進行了說明，并提出了一些參考建議。

空調箱節能改造自己再熱式熱回收可行性

該辦公樓空調系統是按照溶液除濕空調系統設計的，但是運行過程中沒有依照設計方案運行，從而使得空調箱機組中原來只用來降溫的表冷器，現在既要承擔降溫，又要承擔除濕的作用，即冷凍除濕。這樣除濕后的空氣溫度往往過低，送人室內會使人體產生不適。另外，辦公樓采用地板輻射供冷加置換通風空調系統。ISO-7730推薦0.1m與1.1m之間的垂直溫差不能超過3K以保證舒適感。根據這一要求，采用置換通風與輻射供冷復合系統時，送風溫度可提高至23℃，送風速度約為0.25m/s左右，舒適度更有保證[1]。根據一年的運行經驗，空調箱送風溫度在13℃左右，低于送風要求值。因此，為了改善室內環境的舒適度，決定對空調箱進行夏季節能改造，對冷凍除濕后的空氣進行再熱，以提高送風溫度。

1 空調箱機組工藝流程介紹

冷卻除濕中使用的再熱方式主要有熱回收式和外熱源式。其中熱回收式包括利用壓縮機的排熱和自己再熱式等兩種方式；外熱源式包括鍋爐和電加熱等兩種方式[2]。

從節能的角度看，利用壓縮機的排熱方式效果最好，但該辦公樓空調系統采用了蓄冷技術，利用蓄能水箱將夜晚谷電時段制冷機制的冷凍水儲存起來，白天

圖1 工藝流程圖

自己再熱式是利用處理空氣本身出入熱交換器時的溫、濕度差進行熱回收的方式[2]。由圖1可知，自己再熱式熱回收系統由表冷器1、表冷器3、水泵、電動三通閥、膨脹水箱等組成，在表冷器1和表冷器3之間通過水泵強制水循環，使得表冷器2出風的冷量移至空調箱機組進風處，用以降低進風空氣溫度，達到預冷進風的目的；同時又將空調箱機組進風處空氣的熱量移至表冷器2出風處，用以加熱空氣，從而提高過冷的送風溫度，降低室內的相對濕度。如果表冷器3出風溫度達不到送風溫度要求，則利用輔助加熱器進行再加熱，使送風溫度達到要求送風溫度。

2 熱回收系統表冷器設計計算

由空調箱機組的工藝流程圖可知，改造系統主要是在原系統的基礎上增加了一三級表冷器，因此改造工作的重點是確定一三級表冷器的面積。建立計算模型過程中，對計算模型進行了一些假設：①一級表冷器的除濕量很小，為了計算方便，假設一級表冷器只對混合空氣進行預冷，不除濕；②三級表冷器回收的冷量等于一級表冷器回收的熱量。

2.1空氣處理過程

設計條件如下：夏季處理空氣總量為20000m3/h，新風量為9000m3/h。室外設計參數為干球溫度tW= 34.8℃，濕球溫度tWS=27℃；室內設計參數為干球溫度tN=27℃，相對濕度φ=65%。辦公樓總冷負荷為287.4kW，地板供冷承擔的冷負荷為149.9kW，空調箱承擔的全熱負荷為137.5kW，空調箱承擔的濕負荷為32.98g/s。

空調箱機組夏季空氣處理過程如圖2所示，空氣狀態點參數如表1所示。

圖2 夏季空氣處理過程

表1 空氣狀態點參數

2.2一級表冷器設計計算

[3]，對一級表冷器進行了設計計算。

根據需要的表冷器通用熱交換效率E'=0.597，假定的迎面風速Vy'=2.5m/s，可以計算出迎風面面積Fy'= 2.2m2。查參考文獻[3]附錄3-5可以選用JW30-4型表冷器一臺，其Fy=2.57m2，Vy=2.1m/s，水流速ω=1.2m/s，通水斷面面積fw=0.00553m2，表冷器每排傳熱面積Fd= 33.4m2，析濕系數ξ=1，傳熱系數Ks=48.16W/(m2℃)，水流量W=6.64kg/s，表冷器能達到的Eg=0.589，表冷器供水初溫tW1=22.0℃，水終溫tW2=23.3℃。

通用熱交換效率按式（1）計算：

式中：tC，tSC分別為空氣初狀態點的干球溫度和濕球溫度，℃；t1，ts1分別為空氣終狀態點的干球溫度和濕球溫度，℃。

傳熱系數按式（2）計算：

式中：Vy為表冷器的迎面風速，m/s；ξ為析濕系數；ω為通過表冷器的水流速，m/s。

通過表冷器的水初溫tW1，水終溫tW2分別按式（3）、式（4）計算：

式中：ε為表冷器的熱交換效率；C為水比熱，J/(kg℃)。

三級表冷器型號同一級，不再另外計算。

2.3節能分析

二級表冷器提供的冷量：Q2=G(h1-h2)=6.566× (69.1-36.1)=216.6kW

三級表冷器回收的冷量：Q3=G(h0-h2)=6.566× (41.2-36.1)=33.5kW

回收的冷量百分率：33.5/216.6×100%=15.46%

如果不進行新風預冷，將混合空氣直接處理到露點溫度所需的冷量：Q2'=G(h1-h2)=6.566×(74.4-36.1)= 251.5kW

計算分析結果表明，由于有前級預冷，冷凍除濕過程所需的冷量（高價冷量）可降低一部分；又由于有后級的部分再熱量，所以空調送風的送風溫度有所上升，“攜冷量”有所降低。從總體著眼，這樣可以降低制冷機制備的高價冷量的消耗，增大低價冷量的利用率，有效降低電耗。

3 換熱系統的仿真驗證及分析

對該系統的仿真模擬，采用了瞬時系統模擬程序TRNSYS，它在對空調系統模擬和優化方面具有獨特的優勢。本文中重點對空調箱機組系統的夏季運行工況進行了模擬，模擬流程如圖3所示，模擬結果如圖4～7所示。

圖3 空調箱機組模擬流程

圖4 表冷器1進出口空氣溫度變化

圖5 表冷器3進出口空氣溫度變化

圖6 表冷器1進出口水溫度

圖7 空氣含濕量變化

如圖4所示，隨著室外氣象參數的不斷變化，一級表冷器進出口空氣的溫差在6℃左右變化。如圖5，三級表冷器進出口空氣的溫差在7℃左右變化。按理論計算，一、三級表冷器的進出口空氣溫差應該是相等的，但是在實際中，一級表冷器是在濕工況下運行的，其傳熱系數要大于三級表冷器的傳熱系數，故溫差要小于三級的。

如圖6所示，一級表冷器的進出水溫差在1℃左右，平均溫度在20℃左右。與理論計算結果相比，有一定的誤差。如圖7所示，表冷器1有一定的除濕能力，但系統除濕主要由二級表冷器來承擔。經過二級表冷器的除濕，送入室內的空氣含濕量在9.1g/kg(干空氣)左右。

4 結論和展望

通過理論計算和仿真模擬，可以充分證明自己再熱式熱回收系統的可行性，并且系統的送風溫濕度達到了要求值，不需要再進行輔助加熱。另外，該系統可以根據空調用戶對溫濕度參數的不同需求，進行專門的設計，并且可以對原有的空調系統進行節能改造。

空調箱機組中，一級表冷器（預冷）、二級表冷器（冷卻除濕）、三級表冷器（再熱）平行排列，它們之間必定有輻射換熱。如果二級表冷器和三級表冷器安裝距離過近，在風壓的作用下，部分冷凝水會隨氣流飄落到再熱盤管上，吸收熱量，從而影響再熱量。因此，在實際工程中還要考慮表冷器間距對換熱量的影響。具體影響程度的大小，還需要經過進一步的實驗研究。

參考文獻

[1]王子介.低溫熱水輻射供暖與輻射供冷[M].北京:機械工業出版社,2004

[2][日]鈴木謙一郎,大失信男.除濕設計[M].北京:中國建筑工業出版社,1983

[3]趙榮義,范存養,薛殿華,等.空氣調節(第四版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2009

The Fe a s ibility Study on Ene rgy Sa ving Tra ns form a tion Me thod of a n Offic e Building Air-c onditione r Box

ZHAO Fu-qiang1,YUE Song2,QI Ying1,ZHANG Yun-ting1
1 Department of Thermal Engineering,Shandong Jianzhu University
2 Jinan Heating Designing&Studying Institute

Taking the energy-saving reconstruction of the air conditioner box in a five-storey office building in Jinan as an example,the essay focuses on introducing the method of self-reheating and its application in the energy-saving reconstruct of air conditioner box.In addition,by comparison of the results of theoretical calculation and system simulation results,we can find out the energy saving effect of this system and its feasibility in engineering application. Finally,the essay illustrates the problems which may occur in the practical engineering,and puts forward some referential suggestions.

air conditioner box,energy-saving reconstruction,self-reheating;heat recovery,feasibility

1003-0344（2014）06-093-4

2013-9-2

趙富強（1987～），男，碩士研究生；山東省濟南市臨港開發區鳳鳴路山東建筑大學熱能工程學院科技樓308室（250101）；

E-mail:zfq2011_xs@163.com使用。因此，白天不能利用壓縮機的排熱。自己再熱式也能進行熱回收，但加熱量亦受到限制。鍋爐熱源方式的加熱容量很大，再熱量不會受到限制，而且調節加熱量簡單，使用的地方最多，但該辦公樓冬季不使用鍋爐供暖，這種方式也不可行。電加熱設備最簡單，但運行費用最高，要受電網制約。結合辦公樓的實際情況，綜合考慮各種熱回收方式的優缺點，采用自己再熱式熱回收方式，并利用電加熱輔助加熱。空調箱機組的工作流程圖如圖1。