一種新型熱回收裝置在實驗室空調系統中的應用

同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司 周 謹

0 引言

隨著技術和經濟的發展，各種類型的科研、實驗場所愈來愈多。而各科研單位、高等院校實驗室的建設無疑對科技創新、科研發展起著舉足輕重的作用。近年來，國家和各地方政府、各高校紛紛建設各種類型的重點實驗室、普通實驗室，對實驗室建設的投入越來越大。隨著各種實驗室的建設，絕大多數實驗室都會設置空調設施，以滿足實驗人員做實驗時的舒適度，其中部分實驗室的空調標準相當高。由于實驗過程中會使用很多揮發性藥品，特別是有機藥劑，所以實驗過程中產生的廢氣種類多、濃度高，有一定危害性。因此，為了排除廢氣，實驗室通常換氣要求高，排風量、新風量非常大。

由于一些普通的實驗室對室內溫濕度控制并沒有特別嚴格的要求，因此引入其內的室外新風是未經任何溫濕度處理的，在這種情況下，嚴冬、盛夏時直接引入的極冷、極熱室外空氣對室內實驗人員舒適性有較大的影響。不少實驗室對引入的新風進行了簡單的冷卻、加熱處理，以有效提高室內環境的舒適性。但在實際使用過程中，地處江南、華南沿海潮濕地區的實驗室，在一些季節常常會出現由于對引入新風的除濕處理不到位，造成實驗室設備、圍護結構大面積結露的現象，給實驗室的維護、使用帶來了很大的困擾，影響了實驗室的正常使用。

在這種情況下，僅僅對實驗室新風進行簡單的冷熱處理是不能夠滿足使用要求的，必須在進行冷熱處理的同時對新風進行濕度控制，從而避免出現結露現象。此時，新風系統不但需要設置冷卻、加熱、再熱等功能段，還需要在夏季設置熱源，空調運行能耗相應增加，空調系統的節能需求顯得尤為突出。

本文對實驗室空調新風系統中設置的熱回收系統進行一定條件下的定量分析，對普通實驗室在使用中如何避免出現結露提出一些方法和建議，為實驗室建設提供參考。

1 實驗室空調通風系統現狀

近年來建設的實驗室通常都會設置空調系統，以滿足實驗人員的舒適性需求，實驗室空調系統的設置會根據建設時資金情況、對室內溫濕度的控制需求及當地的氣候、能源條件采用不同的類型。比較常見的有2種方式。一種為直接采用直流式空調系統，即利用送入室內的新風承擔新風負荷及室內負荷，不再另設其他空調系統。在這種空調方式中，由于送入室內的新風需要承擔室內溫濕度的調節，因而對新風送風參數的控制要求比較高，房間的溫濕度控制也更加安全可靠，其缺點是能耗相對較大，并且當室內通風柜用量較少時還需要開啟一定量的新風機組以滿足室內溫濕度控制需求。另一種則是將處理新風的系統與空調系統分別設置：實驗室內單獨設置空調系統，滿足室內空調熱濕負荷的需求，另外獨立設置新風系統承擔相應的新風負荷。當實驗室內通風柜不開啟時，可以完全關閉新風系統而不影響室內的空調使用[1]。

對于有一定恒溫恒濕要求的實驗室，通常采用第1種空調方式，在其新風處理過程中，冷卻、再熱功能段是必不可少的。而對于大量的普通實驗室，很多都采用第2種空調方式，為了降低運行能耗，并且由于實驗室本身對環境工況沒有嚴格的要求，往往對新風的處理參數也沒有嚴格的要求，在夏季僅對室外空氣進行簡單的冷卻，滿足一定的舒適性即可。此種情況下送入室內的新風相對濕度非常高，其露點溫度常常高于室內空調溫度，導致出現室內大量結露的現象，對實驗室儀器、設備造成損害。

在江蘇、上海、浙江、廣東等潮濕天氣頻繁出現的地區，很多實驗室(尤其是高校實驗室)常常受到這一問題的困擾，經常是實驗設備一旦投入使用，就會出現通風柜表面大量結露的現象。有些實驗室為了減少結露，關閉了室內空調設施，實驗人員不得不在高濕熱環境下從事實驗工作。這種情況下，原有的空調系統起不到應有的作用，并且室內實驗環境工況也得不到保證，實驗室內的設施常常出現發霉的現象。

因此，對普通實驗室，如果想要避免出現室內結露現象，其空調新風處理絕不能簡單地只是冷卻到室內溫度即可，而是必須進行有效除濕，然后經過再熱后送入室內。如果實驗室工藝要求有一個相對穩定的溫濕度環境，這一系統的設置更是必不可少。

2 實驗室避免結露對新風系統的設置要求

如上文對空調新風系統設置的說明，在夏季實驗室空調新風系統運行時，輔助再熱的熱源是必不可少的，而系統對室外新風有效除濕的要求，更進一步增大了空調系統的新風冷負荷。因而在進行這種類型實驗室空調新風系統設置時必須要考慮2個問題：首先必須設置再熱熱源，其次是減少空調運行能耗。

對于輔助熱源的設置，由于實驗室的使用特點，無法通過二次回風的方式解決。因此，一般會考慮設置四管制的空調系統，增加夏季的再熱熱源，也可以考慮采用熱回收型的冷水機組，利用冷水機組的冷凝余熱作為系統的再熱熱源。

而對大幅度增加的空調運行能耗，通常通過在排風、新風之間設置熱回收裝置回收部分能量解決，在一定程度上降低新風冷負荷。

實驗室排風中包括各種揮發性藥品、有機藥劑，有一定危害性和腐蝕性。為了避免出現交叉污染，一般采用液體循環式的熱回收裝置，利用分別安裝在進、排風管路中的盤管換熱器，借助循環泵和中間熱媒回收排風中的冷(熱)量。這樣的熱回收系統只能利用介質之間的溫差回收排風中的顯熱，而無法回收排風中的潛熱，因此其熱回收效率是相對較低的。但是由于實驗室新風量、排風量非常大，因此設置熱回收系統仍有著較大的節能意義。

通常情況下，實驗室熱回收系統的設置方式如圖1所示，在排風管路上增加一組換熱盤管，使排風與盤管中的熱媒(通常為乙二醇)進行換熱，將排風中的一部分冷量(或熱量)傳到熱媒中，然后再利用熱媒對室外新風進行預冷或預熱，從而改善新風機組表冷器的進風工況，降低新風負荷。該系統屬于被動式的熱回收系統，其回收的冷(熱)量完全取決于室內外空氣溫差，當室外溫度發生變化時，回收的冷(熱)量將隨之發生變化。在已選定換熱盤管的情況下，室內外溫差越大，能夠回收的冷(熱)量就越多，其系統效益就越好[2]。

注：t1為室外空氣溫度；t2、t3分別為經過預冷(熱回收盤管)及表冷器的空氣溫度；ts為送風溫度；tn為室內溫度；t4為排風溫度；tw1、tw2為熱媒循環過程中的溫度。圖1 實驗室熱回收系統設置方式

對于前述2個問題，另一種新型的熱回收系統可以一次性解決，給實驗室的建設提供了一個不錯的選擇。

3 新型熱回收系統的應用

這種新型的熱回收系統設置方式如圖2所示，該系統在傳統的液體循環式熱回收系統中增加了一組再熱盤管，直接利用熱回收系統對除濕后處于低溫飽和狀態的新風進行再熱，同時進一步回收由于除濕而溫度降低的送風中的冷量，并將循環中的載冷劑溫度進一步降低(由t′w1降低至tw1)，然后用溫度更低的載冷劑對室外新風進行預冷，從而增大了預冷量，降低了新風機組表冷器的冷負荷，達到進一步節能的目的。

注：V1、V2為調節閥；t′w1為熱媒循環過程中的溫度。圖2 新型熱回收系統設置方式

該系統由于需要控制新風機組的送風溫度，因此需要在熱回收盤管和再熱盤管管路上設置調節閥，對熱回收盤管和再熱盤管的回收冷量進行分配。與圖1相比，圖2所示的系統不再需要額外的再熱熱源，因此在空調水系統的設置上就更簡單，而再熱盤管相當于第2個熱回收盤管，可以回收更多的空調冷量，也可以在更多的工況下回收冷量，這也意味著其熱回收系統在全年范圍內可以有更長的運行時間，因而熱回收的效果也更佳。

下面通過一個實例對新型熱回收系統的運行節能效果進行簡要的分析，采用計算機模擬計算的方式，使用Syskon 4.0軟件，按上海市的全年氣候參數進行模擬計算。

4 案例分析

地處上海的某實驗室，總排風量為12 000 m3/h，補風量為10 000 m3/h。假設該實驗室對室內環境溫濕度要求較高，其空調系統需要全年不間斷運行，因而其新風空調處理系統同樣為全年運行。

根據上海市的氣候條件，新型熱回收系統全年8 760 h的熱回收情況和全年負荷及能耗分別如圖3、4所示。圖3中的點表示全年室外工況，其中綠色的實心點表示熱回收系統運行可以有效回收能量；綠色空心點表示在該氣候條件下熱回收系統可以關閉；黃色實心點表示在該氣候條件下熱回收系統可以運行，但需要補充熱量；而紅色點則表示排風溫度與送風溫度接近時，為滿足再熱溫度的設定，補熱升溫的換熱介質經過再熱盤管后可能超過室外溫度，系統將消耗多余的能量。圖4顯示了全年工況下對應圖3的不同溫度條件下，有熱回收和沒有熱回收對應的總負荷和能耗。

圖3 恒溫恒濕空調系統的全年熱回收情況

注：正值表示熱負荷或供熱能耗；負值表示冷負荷或供冷能耗。圖4 恒溫恒濕空調系統全年負荷及能耗

在實驗室全年基本維持恒溫恒濕工況下，全年最大冷負荷為208 kW，最大熱負荷為105 kW，全年累積總供冷能耗為409 600 kW·h，總供熱能耗為254 700 kW·h。而設置新型熱回收系統后，其最大冷負荷降低為164 kW，最大熱負荷降低為64 kW，全年累積總供冷能耗降低為326 400 kW·h，總供熱能耗降低為89 300 kW·h。其中，供冷的熱回收率平均為20%，供熱的熱回收率可以達到65%，效益非常可觀。而在系統設置中可以發現，當室外工況處于黃色點、紅色點時，系統還需要額外補熱，因此在空調水系統設置中仍然需要采用四管制系統，而補熱熱源的設置也是必需的。

但是對于普通實驗室，并沒有全年恒溫恒濕的需求，如果只是為了避免夏季空調運行時室內出現大面積結露的情況，采用這一新型熱回收系統能否有效解決呢？筆者對同樣的實驗室考慮了第2種運行工況，即每年夏季運行5個月(5月15日至10月14日)，冬季運行3個月(12月1日至次年2月28日)。其他季節空調系統停止運行，因而不考慮空調能耗。在實際運行的8個月中，每天空調系統運行8 h，即從09:00運行至17:00。部分時間運行空調系統的全年熱回收表現和負荷及能耗如圖5、6所示。

圖5 部分時間運行空調系統的全年熱回收情況

注：正值表示熱負荷或供熱能耗；負值表示冷負荷或供冷能耗。圖6 部分時間運行空調系統的全年負荷及能耗

通過分析可以發現，由于過渡季空調系統停止運行，所以圖3中的紅色點和黃色點在圖5中消失了，在空調系統運行的所有時間里，新型熱回收系統都能比較好地回收能量，并且所有制冷工況下都不再需要額外的熱源。

實驗室全年僅供冷季、供熱季的工作時間開啟空調系統，其全年最大冷負荷仍為208 kW，最大熱負荷也仍為105 kW，全年累積總供冷能耗為130 810 kW·h，總供熱能耗為57 617 kW·h。在使用了新型熱回收系統后，其最大冷負荷同樣降低為164 kW，最大熱負荷降低為64 kW，全年累積總供冷能耗降低為101 191 kW·h，總供熱能耗降低為17 800 kW·h。其中，供冷期間的熱回收率平均提升至23%，供熱期間的熱回收率提升至69%。相比不間斷運行的系統，總體回收的能量絕對值雖然降低了，但熱回收率反而有所提升。

最關鍵的是，系統完全沒有補熱熱源的需求了，利用回收的能量進行再熱已經完全可以滿足實驗室在夏季運行時對室內濕度進行控制的要求。

5 結語

通過上述分析可以發現，對普通實驗室來說，設置新型熱回收系統后，不但可以回收部分能量，減少實驗室新風系統的冷負荷，而且能有效解決夏季空調送風后的再熱熱源問題，在降低實驗室能耗的基礎上避免了室內出現大量結露的現象。

當然，對于這種系統的設置，在不同氣候條件下還需要進行更加深入、具有針對性的分析，不能一概而論，譬如對有恒溫恒濕需求的系統，仍然需要采用四管制的空調系統，也仍然需要額外的再熱熱源。同時在新型熱回收系統的設置上也需要增加一些精確的控制元件和控制系統，對排風、新風系統的熱回收盤管的換熱量進行精確的控制，因此這種系統的實現對控制系統的要求是比較高的。

但這種系統對實驗室的建設還是有一定意義的，在降低能耗的同時可以簡化系統的構成，在實驗室的建設中可以給建設方、設計方提供一個較好的、更多樣性的選擇。