輻射空調新風處理方式及其能耗特性研究

王文武張建忠黃虎

1南京市建筑設計研究院有限責任公司

2南京師范大學能源與機械工程學院

0 前言

新風系統是輻射空調重要的組成部分。新風不僅需要滿足室內人員衛生需求，還承擔室內的濕負荷。由于輻射空調大都應用在低能耗的建筑中，相比常規空調，新風負荷占空調總負荷的比重更大。如何降低新風的能耗及如何使新風系統更好配合輻射末端將是輻射空調能否大面積推廣的關鍵所在。

本文對輻射空調工程上常見的帶熱回收的冷卻除濕機組，帶熱回收的雙冷源新風機組和熱泵式溶液除濕機組進行能耗分析，以南京地區三臺新風量各為5000 m3/h，排風量為4250 m3/h的機組為例，研究其能耗及整體COP值。并分析三種新風系統的初投資及年運行費用，得到了雙冷源系統和熱泵式溶液除濕系統相對于冷卻除濕系統的初投資回收期，為類似工程設計提供一定的理論參考。

1 帶熱回收的冷卻除濕機組

1.1 機組構造及空氣處理過程示意圖

帶熱回收的冷卻除濕新風機組原理結構示意圖如圖1所示，室外的新風先經過全熱交換器與室內的排風進行熱交換，新風被預冷或預熱，再經過空氣處理段進行深度處理，達到設計的送風狀態點。

圖1 帶熱回收裝置的冷卻除濕新風機組

圖2是夏季新風處理的過程焓濕圖，室外新風狀態點W先經全熱交換器與室內的排風進行熱交換，處理到狀態點L，為了滿足輻射空調的除濕要求，新風再經過表冷器進行深度除濕，處理到O點，送入房間。圖3是冬季新風處理焓濕圖，室外狀態點W首先經過全熱交換器與室內的排風進行熱交換，處理到狀態點L，再經過加熱器加熱到S點，新風經過濕膜加濕器（等焓加濕）加濕后處理到送風狀態點O。各新風的狀態點參數如表1所示。

圖2 冷卻除濕新風機組處理過程焓濕圖（夏季）

圖3 冷卻除濕新風機組處理過程焓濕圖（冬季）

表1 冷卻除濕新風機組新風狀態參數

1.2 能耗分析

機組表冷段的冷凍水假定由外置地源熱泵機組提供。本臺新風機組冷凍水供水溫度為7℃。咨詢相關地源熱泵廠家并綜合考慮機組COP的影響因素[5]，取地源熱泵系統夏季綜合的COP值為4.0，冬季為3.0。

查閱相關轉輪熱回收裝置廠家樣本，其熱回收效率在60%～80%之間。相關資料顯示熱回收效率隨新、排風參數變化的幅度不明顯，然而隨排風量與新風量比值和迎面風速大小的變化比較明顯。本文取其熱回收效率為60%。根據經驗轉輪實際熱回收效率可以按新、排風量相等時的熱回收效率乘以排風量與新風量的比值估算[7]。機組的新風量為5000 m3/h。排風量為4250 m3/h。則轉輪的實際運行效率為60%×85%=50%。

關于排風機與送風機的能耗，由機組內部阻力，機外余壓和風量確定。風機的配套電機功率Nm可按下式計算：

式中：Q 為流量，m3/s；H 為揚程，m；p為風機全壓，Pa；K為電機安全系數，取1.2～1.3；ηi為傳動效率，電機直連ηi=1.0，聯軸器直聯傳動ηi=0.95～0.98，三角皮帶傳動ηi=0.9～0.95，本文新風機組風機采用三角帶傳動，取ηi=0.9；η 為風機的內效率，取 0.85；γ 為容重，N/m3。

表2是帶轉輪熱回收裝置冷卻除濕新風機組機組內部阻力，余壓及風機全壓的統計表。根據式（1），送風機與排風機的功率分別為2.75 kW，1.56 kW。

表2 帶熱回收的冷卻除濕新風機組內部阻力及風機風壓（Pa）

為了分析機組的整體性能，同時與后面幾種新風機組的綜合性能的比較，機組的送風狀態點必須一致，送風狀態點夏季統一為18℃，65%（O’點）。冬季為20℃，45%[3]。假定夏季冷卻新風機組的再熱的能量由冷凝熱提供。則機組的表冷器冷量，COP則可按下式計算：

夏季：

式中：Q1為表冷器的冷量，kW；Q2為再熱負荷，kW；Gf為新風量，kg/s；hW為 W點的空氣焓值，kJ/kg；hO為O點的空氣焓值，kJ/kg；E為外置冷源機組能耗，kW；E1為再熱能耗，kW；COP機組則為機組整體性能系數；E總為機組總能耗，主要包括外置冷源，再熱能耗和風機能耗。

冬季：

式中：Q 為加熱器的熱量，kW；Gf為新風量，kg/s；hL為L點的空氣焓值，kJ/kg；hS為S點的空氣焓值，kJ/kg；hW為W點的空氣焓值，kJ/kg；E為外置冷源機組能耗，kW；COP機組為機組整體性能系數；E總為機組總能耗，主要包括外置冷源和風機能耗。

經過計算，新風量為5000 m3/h的帶熱回收的冷卻除濕機組的能耗如表3所示。

表3 帶熱回收的冷卻除濕新風機組能耗

2 帶熱回收的雙冷源新風機組

2.1 機組構造及空氣處理過程

帶熱回收裝置的雙冷源新風機組的結構示意圖如圖4所示。室外新風先經過熱回收轉輪與排風進行換熱，回收排風中的能量，再進入表冷器進行預冷，預冷后的空氣經過蒸發器深度除濕后通過再熱冷凝器的加熱作用，調節送風溫度后送至室內。

圖4 帶轉輪熱回收裝置的雙冷源新風機組

圖5是新風夏季處理的過程焓濕圖，室外新風狀態點W先經過熱回收轉輪處理到狀態點L，其次經過表冷器預冷至狀態點S，再經過蒸發器進行深度除濕，處理到狀態點M，最后經過再熱冷凝器再熱至O點。圖6是新風冬季處理的過程焓濕圖，室外新風狀態點W先經過熱回收轉輪處理到狀態點L，其次經過加熱器加熱至狀態點S（直膨式系統關閉），再經過濕膜加濕器加濕至O點（等焓加濕）。各新風的狀態點參數如表4所示。

圖5 雙冷源新風機組處理過程焓濕圖（夏季）

圖6 雙冷源新風機組處理過程焓濕圖（冬季）

表4 雙冷源新風機組新風狀態參數

2.2 能耗分析

機組表冷段的冷凍水假定由外置高溫地源熱泵機組提供。本臺新風機組冷凍水供水溫度為10℃。咨詢相關地源熱泵廠家和綜合考慮機組COP的影響因素[5]，取地源熱泵系統夏季綜合的COP值為5.5，冬季為3.0。轉輪熱回收實際效率為50%。

表5是帶轉輪熱回收裝置雙冷源新風機組內部阻力、余壓及風機全壓的統計表。并根據式（1），可以算出送、排風機的功率。送風機與排風機的功率分別為2.96 kW，1.82 kW。

表5 帶熱回收雙冷源新風機組內部阻力及風機風壓（Pa）

經過計算，新風量為5000 m3/h的帶熱回收的雙冷源新風機組的能耗如表6所示。

表6 帶熱回收的雙冷源新風機組能耗

3 熱泵式溶液除濕新風機組

3.1 機組構造及空氣處理過程

圖7是熱泵驅動的新風機的工作原理圖，由溶液全熱回收裝置和熱泵系統組成。室內的回風首先經過溶液全熱回收裝置，再經過有冷凝器加熱的溶液噴淋單元1，最后經過輔助冷凝器排向室外。新風則是先經過溶液全熱回收裝置，后經過由蒸發器冷卻的溶液噴淋單元2后，送入室內[8]。設置熱泵的主要原因是僅靠全熱回收裝置無法達到送風溫度和適度的要求，因此加入蒸發器來對最后一級的溶液進行降溫以增強其除濕能力，從而得到適宜的送風參數。

圖7 熱泵式溶液除濕新風機組

圖8和圖9分別是機組夏季和冬季空氣處理過程焓濕圖，表7為各狀態點參數。

圖8 溶液除濕新風機組處理過程焓濕圖（夏季）

圖9 溶液除濕新風機組處理過程焓濕圖（冬季）

表7 溶液除濕新風機組新風狀態參數

3.2 能耗分析

查閱溶液熱回收器的的影響因素，其熱回收效率主要受到填料總體積，溶液循環噴淋量及熱回收級數影響。相關資料和參考一些工程測試的數據表明，溶液熱回收器的效率在65%～75%[2]。綜合考慮新風與排風的比值及當地的氣候條件，取其實際熱回收效率為60%計算。

據相關文獻對某實際工程熱泵式溶液除濕新風機組的測試數據表明，其熱泵系統的COP夏季可達到7.0～7.5，冬季在4.5～5.0之間[2]。綜合考慮影響熱泵的效率因素及本地區的氣候特征，夏季COP按6.5計算，冬季COP按4.5計算。

熱泵式溶液新風機組熱回收單元，除濕單元和再生單元的阻力較大，研究表明其阻力與亞高效的過濾器相當。本文選取300 Pa作為計算依據。并由廠家提供的機組參數表明，5000 m3/h的新風機組配置了一個全熱回收單元模塊，5臺500 W的溶液循環泵。

表8是熱泵式溶液新風機組內部阻力，余壓及風機全壓的統計表。并根據式（1），可以算出送、排風機的功率。送風機與排風機的功率分別為3.1 kW，2.9 kW。

表8 熱泵式溶液除濕新風機組內部阻力及風機風壓（Pa）

經過計算，新風量為5000 m3/h的熱泵式溶液新風機組的能耗如表9所示。

表9 熱泵式溶液新風機組能耗

4 新風機組經濟性分析

4.1 新風系統初投資分析

新風系統主要由新風機組，外置冷熱源系統和循環水泵組成。咨詢相關新風機組廠家，地源熱泵機組廠家，水泵廠家和地埋管施工單位，以上幾種新風系統的初投資表10所示：

表10 不同新風系統初投資分析（萬元）

4.2 年運行費用分析

根據南京地區50年的氣象資料統計，南京四季節的時段分布如下：春季3月16日至5月20日，共計65天。秋季9月26日至11月14日，共計50天。夏季5月21日至9月25日，共計129天。冬季11月15日至來年的3月15日，共計121天。過度季節共計115天僅開啟通風模式。南京地區的用電價格取1.0元/kWh計算。

1）帶熱回收的冷卻除濕機組年運行費用

2）帶熱回收雙冷源系統年運行費用

3）熱泵式溶液除濕系統年運行費用

4.3 初投資回收期分析

本文計算初投資回收期以帶轉輪的冷卻除濕新風機組為計算基準，分析帶熱回收的雙冷源系統和熱泵式溶液除濕系統相對于其的初投資回收年限。具體回收年限如表11所示：

表11 初投資回收期分析

5 結論

1）雙冷源新風機組采用高、低兩種冷源對新風進行處理，使得能源得到了梯級利用，尤其高溫冷源的利用，使得蒸發溫度得到提高，大大提高了能效比。其能效比相比帶熱回收裝置的冷卻除濕機組提高了26%左右。

2）熱泵式溶液除濕機組利用冷凝熱對溶液進行再生，利用溶液回收裝置回收排風中的冷量，機組整體COP值都高于其他兩種新風機組，分別比其他兩種新風機組提高了36%和8%。

3）雙冷源新風機組初投資較低，相對于冷卻除濕機組回收期僅需4年，是一種經濟、節能的新風機組，且系統相對簡單，技術成熟，可廣泛應用于小型辦公、住宅等建筑。

4）熱泵式溶液除濕機組不存在濕表面，避免了健康問題，同時溶液具有殺菌作用，特別適用于對室內空氣品質要求較高的場合，例如醫院，高檔辦公和高檔酒店等建筑。但是其系統復雜，規模較大，且設備價格昂貴，初投資較高。