一種基于太陽能與蒸發冷卻的新型新風處理機組

姜 坪，林熙龍

(浙江理工大學 建筑環境與能源應用工程系，浙江 杭州 310018)

暖通空調能耗約占建筑能耗的60%，而新風負荷約占空調能耗的30%[1]。因此，有效降低新風處理機組的能耗具有重要意義。與傳統的機械制冷方式相比，間接蒸發冷卻因為其不需要人工冷源，結構簡單，初投資與運行費用少，以水為工質，經濟環保[2]受到了廣泛關注。由于間接蒸發冷卻可以實現空氣的等濕降溫，利用其對新風進行預冷，在夏季與過渡季節能夠有良好的節能效果[3]。Peterson和Hunn建造了一個為空調系統提供混合空氣預冷的蒸發冷卻系統，發現這樣的復合系統可以負擔約12%的傳統空調負荷[4]。黃翔等用蒸發冷卻器與機械制冷系統相結合，在夏季預冷新風，當新風比為20%時，可減少系統10%運行負荷，降低高品位能源消耗[5]。太陽能作為一種分布廣、儲量豐富且清潔無污染的可再生能源，也得到越來越多的應用。太陽能的熱利用一般有太陽能水集熱器與太陽能空氣集熱器兩種方式。太陽能水集熱器是利用太陽能產生熱水提供給用戶，已獲得較為廣泛的應用。太陽能空氣集熱器則是利用太陽能直接加熱空氣，可以用于干燥、房間供熱等[6-7]，與太陽能水集熱器相比，太陽能空氣集熱器不需要水的二次換熱，在需要加熱空氣的場合更具優勢。張兵等通過熱泵蒸發器前串聯太陽能空氣預熱器的新型方式提高了熱泵機組的COP[8]。姜坪等設計了一種高效率的新型太陽能空氣集熱器，該種太陽能空氣集熱器在風量為0.006 13 m3/s，太陽輻射強度611.484 W/m2的實驗條件下，最高瞬時集熱效率為71.73%[9]。

基于太陽能與蒸發冷卻的新型新風處理機組是將太陽能空氣集熱器和間接蒸發冷卻器相結合，夏季利用間接蒸發冷卻器對空氣進行預冷；冬季利用太陽能空氣集熱器對空氣進行預熱。其中，間接蒸發冷卻器中的噴淋水采用循環水，并引入室內空調末端產生的冷凝水來降低噴淋水的水溫。

1 新型新風處理機組構成及運行原理

新型新風處理機組由太陽能空氣集熱器、間接蒸發冷卻器、水箱、表冷器、新風處理機組送風風機、過濾器以及水泵等組成，機組結構見圖1。其中間接蒸發冷卻器的二次空氣使用的是室內排風。

夏季開啟第二風閥6，關閉第一風閥4，間接蒸發冷卻器噴淋泵10，新風由新風入口5進入入口段7，然后經過過濾器8進行過濾，再進入間接蒸發冷卻器9，此時水箱11中的水由水泵10驅動，進入布水器14對間接蒸發冷卻換熱器13內二次空氣流道進行噴淋，從室內排出的二次空氣流過水膜時，水分蒸發。吸收換熱面及相鄰流道一次空氣的熱量后使一次空氣降溫，二次空氣則在間接蒸發冷卻排風風機21的驅動下通過排風管20排出室外。新風其余所需冷量由空調主機提供冷凍水的表冷器16承擔。

圖1 新型新風處理機組系統圖 注：1-冬季新風入口；2-太陽能空氣集熱器；3-軸流風機；4-第一風閥；5-夏季新風入口；6-第二風閥；7-入口段；8-過濾器；9-間接蒸發冷卻器；10-間接蒸發冷卻器噴淋泵；11-水箱；12-間接蒸發冷卻二次空氣入口；13-間接蒸發冷卻換熱器；14-布水器；15-間接蒸發冷卻器二次空氣出口；16-表冷器；17-新風處理機組送風風機；18-冷(熱)水進水管；19-冷(熱)水出水管；20-間接蒸發冷卻器二次空氣排風管；21-間接蒸發冷卻器排風風機

冬季開啟第一風閥4，關閉第二風閥6，間接蒸發冷卻器噴淋泵10和布水器14停止工作，一次空氣從冬季新風入口1進入太陽能空氣集熱器2，空氣被加熱，在軸流風機3的驅動下空氣進入入口段7，再經過過濾器8對空氣進行過濾。若此時的空氣溫度高于排風溫度則關閉間接蒸發冷卻二次空氣入口12，關閉表冷器16，新風處理機組送風風機17進入室內；若此時的空氣溫度低于室內排風溫度則打開間接蒸發冷卻二次空氣入口12，使一次空氣進入間接蒸發冷卻換熱器13與二次空氣進行熱交換，通過新風處理機組送風風機17送入室內，二次空氣則在間接蒸發冷卻排風風機21的驅動下通過排風管20排出室外。此時間接蒸發冷卻換熱器為新風熱回收器。新風其余所需熱量由空調主機提供熱水的表冷器16承擔。

過渡季節表冷器16停止工作，可以根據需求停止使用新風處理機組，也可以利用太陽能空氣集熱器2對室外新風進行加熱或利用間接蒸發冷卻器9對室外新風進行冷卻。

2 新型新風處理機組設計計算

以杭州為例，杭州市室外空氣參數[10]為：夏季空調室外計算干球溫度t1=35.6 ℃，夏季空調室外計算濕球溫度為29 ℃，夏季室外空氣焓值h1=94.3 kJ/kg，含濕量d1=22.8 g/kg，相對濕度為61%，露點溫度為27.0 ℃。冬季空調室外計算溫度t4=-2.4 ℃，冬季空調室外相對濕度為82%，濕球溫度tsnx=20.3 ℃，冬季室外空氣焓值h4=3.5 kJ/kg。

夏季室內設計溫度tnx=26 ℃，相對濕度為60%，濕球溫度為20.3 ℃，露點溫度為17.7 ℃，焓值hnx=58.4 kJ/kg；冬季室內設計溫度tnd=18 ℃，相對濕度為55%，焓值hnd=36.3 kJ/kg。冬夏季空氣密度ρ均取1.3 kg/m3。

使用該新型新風處理機組建筑的面積為250 m2，人員為50人，人均所需新風量為30 m3/h，總新風量即總一次空氣量為1 500 m3/h。冬夏季一次空氣風量L1與二次空氣L2風量均相同。

2.1 間接蒸發冷卻器

(1)夏季工況

一次空氣為室外新風，二次空氣使用室內排風。如采用循環水噴淋，則噴淋水溫等于二次空氣的濕球溫度，但間接蒸發冷卻器中的循環水以冷凝水作為補充，因此噴淋水溫度會低于二次空氣的濕球溫度。循環水量與冷凝水量的比值決定了噴淋水的最終溫度，在間接蒸發冷卻器中，水氣比以0.2～0.5為最佳，取水氣比為0.2，因此循環水量為390 kg/h[11-13]。冷凝水量與循環水量的比例約為1∶15，由此可得噴淋水溫為20 ℃。

普通間接蒸發冷卻器運行時，一次空氣是等濕降溫的，但由于加入了冷凝水，噴淋水溫降低，此時間接蒸發冷卻器的壁面溫度低于一次空氣的露點溫度，所以一次空氣在通過間接蒸發冷卻器時降溫去濕。有實驗研究證明，當二次空氣采用室內排風，一次空氣相對濕度為60%并被降溫去濕時，間接蒸發冷卻器冷卻效率隨一次空氣干球溫度的上升而下降。當一次空氣干球溫度由27 ℃上升至36 ℃時，間接蒸發冷卻器的冷卻效率從0.65降低至0.54左右[14]。因此取間接蒸發冷卻器的冷卻效率為54%。

間接蒸發冷卻器的冷卻效率η[5]如下

(1)

式中t2——夏季一次空氣出風干球溫度/℃；

tx——噴淋水溫/℃。

可求得一次空氣的出風干球溫度為t2=27.2 ℃。此時一次空氣的相對濕度為90%，h2=80.0 kJ/kg。因此間接蒸發冷卻器承擔的新風冷量為

(2)

圖2顯示了夏季工況下新型新風機組的空氣處理過程。由于噴淋水溫略低于二次空氣進風的濕球溫度，因此二次空氣在間接蒸發冷卻器中從Nx減焓加濕至L2，同時將冷量傳遞給一次空氣而等濕升溫，最終二次空氣狀態點由狀態點Nx變化至Nx1。一次空氣Wx通過間接蒸發冷卻器降溫去濕后到L點，進入表冷器被繼續降溫去濕至送風點O。

圖2 夏季工況空氣處理過程

(2)冬季工況

冬季時噴淋水系統停止工作，間接蒸發冷卻器此時成為顯熱換熱器，顯熱交換效率ε取55%[15]。此時二次空氣溫度tnd=18 ℃。

一次空氣與二次空氣的顯熱交換效率ε如下

(3)

式中t5——冬季一次空氣的進風溫度/℃;

t6——冬季一次空氣的出風溫度/℃。

冬季工況下新型新風機組的空氣處理過程如下。一次空氣在太陽能空氣集熱器中吸收熱量等濕升溫，再被間接蒸發冷卻器等濕加熱后進入表冷器繼續加熱到送風狀態。二次空氣通過間接蒸發冷卻器將熱量傳遞給一次空氣后等濕降溫。

2.2 太陽能空氣集熱器

太陽能空氣集熱器集熱量計算公式[16]為

(4)

式中η——太陽能空氣集熱器效率/[%]；

QT——太陽能空氣集熱器集熱量/kW；

I0——水平面的太陽輻射強度/W·m-2；

μ——傾角修正系數；

f—太陽能空氣集熱器的面積/m2。

一次空氣入口溫度t4=-2.4 ℃，冬季室內溫度tnd=18 ℃。假設太陽能空氣集熱器承擔全部新風負荷，則太陽能空氣集熱器所需集熱量按下式計算

(5)

式中Cp——空氣定壓比熱容/kJ·(kg·℃)-1，取1.0 kJ/(kg·℃)。

杭州冬季日均太陽輻射強度取I0=317 W/m2[17]，太陽能空氣集熱器傾斜安裝在屋頂處，傾角修正系數μ取在垂直與水平之間，取0.8[19]。在強迫對流情況下太陽能空氣集熱器效率的平均值η=65%[18-22]。根據式(4)可求得太陽能空氣集熱器集熱板的面積f=68 m2?？紤]到實際工程中，太陽能空氣集熱器的允許安裝面積有限，因此取22 m2作為太陽能空氣集熱器的安裝面積。

2.3 表冷器

(1)夏季表冷器承擔的冷量

經間接蒸發冷卻器預冷后，夏季表冷器承擔一次空氣的冷量Q1為

(6)

(2)冬季表冷器承擔的熱量

杭州冬季總天數為90 d，取杭州冬季日均太陽輻射強度317 W/m2的75%、50%、25%的太陽輻射強度作為每個區段的分界點，杭州冬季日均太陽輻射強度的分布[17]見表1。

表1 杭州冬季日均太陽輻射強度分布

冬季間接蒸發冷卻器停止噴淋，成為一次空氣和二次空氣的顯熱交換器。一次空氣經過太陽能空氣集熱器和間接蒸發冷卻器依次加熱后，再經表冷器加熱到所需空氣狀態點。當落在第一區段的日均太陽輻射強度為425.3 W/m2時，根據式(4)可求得太陽能空氣集熱器提供的熱量為4.9 kW。冬季室外空氣溫度t4為-2.4 ℃，經過太陽能空氣集熱器加熱后的一次空氣溫度t5為6.6 ℃。由于顯熱換熱器的熱交換效率為55%，根據式(3)可求得一次空氣出風溫度t6為12.9 ℃。

冬季表冷器承擔一次空氣加熱量Q2為

(7)

同理，當區段日均太陽輻射強度為279.4 W/m2、195.9 W/m2、112.2 W/m2、0 W/m2時，表冷器承擔的一次空氣加熱量分別為3.5 kW、4.0 kW、4.4 kW、5.0 kW。

3 新型新風處理機組經濟效益分析

3.1 設備初投資

風量為1 500 m3/h傳統新風處理機組價格約為3600元，新型新風處理機組在傳統新風處理機組上增加了間接蒸發冷卻段，排風風機，水泵和太陽能空氣集熱器等。太陽能空氣集熱器所需集熱面積為22 m2，每M2造價按180元計，則總價為3 960元。間接蒸發冷卻器材料面積大約為3 m2[14-15]，每m2造價按450元計，則總價為1 350元。排風風機選取T35-11-2.8軸流風機一臺，風量為1 605 m3/h，轉速為1 450 r/min，功率為0.031 kW，單價500元。當新風量為1 500 m3/h時，間接蒸發冷卻器循環水量為390 kg/h，泵選取RGB-15-10水泵一臺，水泵流量為0.6 m3/h，功率為0.1 kW，單價為200元。新型新風處理機組的增量投資為6 010元，總投資為9 610元。

3.2 運行費用

(1)傳統新風處理機組

夏季時一次空氣所需冷量Q3為

(8)

假設夏季冷水機組COP為3，每小時耗電量為6.5 kW·h。

冬季時一次空氣所需加熱量Q4為11.1 kW，假設冬季冷水機組COP為4，每小時耗電量為2.8 kW·h。

(2)新型新風處理機組

夏季間接蒸發冷卻器承擔的冷量為7.7 kW，每小時耗電量為0.2 kW·h。經間接蒸發冷卻器預冷后，夏季表冷器承擔的11.7 kW冷量折算成每小時耗電量為3.9 kW·h。因此新型新風機組夏季每小時總耗電量約為4.1 kW·h。

當冬季區段日均太陽輻射強度為425.3 W/m2時，表冷器承擔的一次空氣加熱量為2.8 kW，折算成每小時耗電量為0.7 kW·h。同理可以得到，當區段日均太陽輻射強度為279.4 W/m2、195.9 W/m2、112.2 W/m2、0 W/m2時，每小時耗電量分別為0.9 kW·h、1.0 kW·h、1.1 kW·h、1.2 kW·h。當機組在夜晚工作時，每小時耗電量為1.2 kW·h。

以新風機組每天工作12 h(白天8 h，晚上4 h)計，冬夏季各工作90 d，電費價格0.56元/kW·h，傳統新風處理機組與新型新風處理機組冬夏季的運行耗電量及電費見表2。

與傳統新風處理機組相比，新型新風處理機組夏季節能2 592 kW·h，節能率36.9%，節約費用1 451.5元；冬季節能1 949.2 kW·h，節能率64.0%，節約費用1 091.5元。全年節約能耗4 541.2 kW·h，可節約運行費用2 543元。

利用凈現值分析法對新型新風處理機組進行回收期分析，折現率取8%，該機組的累積凈現值見表3。

表2 兩種新風處理機組耗電量與電費對比

表3 新型新風處理機組累積凈現值表

靜態投資回收年限=累計凈現值流量出現正值的年份-1+該年初尚未回收的投資/該年凈現值流量=3.7年

因此動態投資回收年限=累計折現值出現正值的年份-1+上年累計折現值的絕對值/當年凈現值流量的折現值=4.7年

依照上述計算方法，當新風處理機組的風量為4 500 m3/h時，新型新風處理機組夏季節約能耗為7 236 kW·h，節能率為34.5%；冬季節約能耗5 688 kW·h，節能率為63.4%，全年節約能耗12 924 kW·h。全年節約費用7 237.3元，靜態投資回收期為3.0年，動態投資回收期為3.6年。

4 結論

(1)新型新風處理機組利用太陽能空氣集熱器和間接蒸發冷卻器對新風進行預熱或預冷，間接蒸發冷卻器的噴淋水利用冷凝水降低了噴淋水溫，并利用室內排風作為二次空氣，提高了換熱效率，降低了新風處理能耗。

(2)與傳統新風處理機組相比，新型新風處理機組夏季節能率為36.9%，冬季節能率為64.0%。

(3)與傳統新風處理機組相比，當新風處理機組的風量為1 500 m3/h時，新型新風機組靜態投資回收期為3.7年，動態投資回收期為4.7年，當為風量較大機組時，靜、動態投資回收期均有所減小。