乙二醇熱回收裝置在實驗動物設施運行中的節能效果

閆 辰 尚曉松 孫 波 劉 欣 李學勇

(1.中國醫學科學院藥物研究所，北京 100050)(2.中國電子工程設計院有限公司,北京 100142)

實驗動物設施是人工環境設施，需要人為控制設施內空氣的溫度、濕度、壓力、潔凈度、換氣次數等參數，使其符合相應的國家規范和標準要求。這些空氣參數主要靠設施配套的通風空調系統來控制，而通風空調系統則是實驗動物設施的主要能耗設備[1]。由于實驗動物設施的排風中蘊含著大量的熱能，在室內外溫差較大的季節，將排風中所蘊含的熱能回收并傳遞給新風，不僅能使高溫季節的新風溫度有所降低而減少制冷所需要的能耗，也能使低溫季節的新風溫度有所升高而減少加熱所需要的能耗，也還能在嚴寒季節對新風進行預熱而預防空調熱交換盤管凍裂。因此，在實驗動物設施的通風空調系統中安裝熱回收裝置，是一項非常重要的節能和安全措施。

為了詳細觀測乙二醇熱回收裝置的實際使用性能，作者在本單位的實驗動物設施中安裝并使用了一套該裝置。本文收集了該裝置2019年全年連續運行的數據，以分析研究該裝置的實際節能效果。

1 材料和方法

1.1 乙二醇熱回收裝置的組成

中國醫學科學院藥物研究所實驗動物中心現有的屏障環境動物實驗設施為一個總建筑面積1 130 m2的三層建筑，于2018年進行了凈化裝修改造并于當年末投入連續運行。該設施的通風空調系統由新風機組、空調機組、排風機組、乙二醇熱回收裝置等組成，見圖1。

圖1 通風空調系統組合形式示意圖Fig.1 Combination form of ventilation and air conditioning system

其中的乙二醇熱回收裝置由排風機組內的熱交換盤管、新風機組內的熱交換盤管、乙二醇管路及循環泵等部分組成。為保障乙二醇盤管的熱交換性能并避免因乙二醇盤管的增設而增加通風空調系統的風側阻力，本設施設計時相應擴大了乙二醇熱交換盤管所在風管的截面面積，故而乙二醇盤管的增設所增加的風阻可忽略不計。該裝置運行時，通過乙二醇循環泵的運轉，將排風中的熱能回收并傳遞給新風，于低溫季節提升新風的溫度而減少空調機組的加熱量，于高溫季節降低新風的溫度而減少空調機組的制冷量，從而實現節能運行，降低運行成本。

1.2 原始數據的采集處理

利用該設施配備的自控軟件，對該設施的新風溫度、新風相對濕度、熱交換后的空氣溫度、熱交換后的空氣相對濕度等原始數據進行采集，頻度為1次/h、全年采集8 760次數據記錄和儲存工作。由于1年完整的原始數據量過于龐大，且相近日期的室外溫度近似，出于便于展示結果的角度考慮，本文僅從每月的上、中、下旬各抽取3個時間點的數據，對2019年全年12個月共計108個時間點的原始數據進行統計分析。

1.3 熱交換數據的計算分析

根據空調常識，空氣的熱能應以焓來體現。通過濕空氣焓濕圖計算器，計算出新風焓值H1(kJ/kg)和熱交換后空氣的焓值H2(kJ/kg)。

根據熱量回收計算公式Q=ρLΔH[2]，計算出每個時間點的熱量回收值。其中Q為某個時間點的熱量回收值(kJ/h)；ρ為標準大氣壓下空氣的密度(1.295 kg/m3)；L為新風機組的實際風量(15 974 m3/h)；ΔH為熱交換前后空氣的焓差(H2-H1)。

根據公式P=αβQ，計算出每個時間點的熱量回收值所對應的電量消耗值。其中P為電量消耗值(kW·h)；α系數指低溫季節對應的電加熱負荷(根據電工常數，電加熱器的產熱量與耗電功率之比取值0.98)和高溫季節對應的制冷負荷(根據電工常數及本設施制冷系統的配置，本設施的制冷量與耗電功率之比取值2.9)；β為換算系數【1 kJ=1/3 600 (kW·h)】；Q為某個時間點的熱量回收值(kJ/h)。

2 結果

2.1 熱交換數據的統計結果

對全年12個月共計108個時間點的數據信息統計結果見表1，圖2。

表1 熱回收裝置性能統計表Table 1 Statistical table of heat recovery unit performance

續表

續表

圖2 熱回收裝置的性能曲線圖Fig.2 Performance curve of the heat recovery unit

由表1和圖2可見，乙二醇熱回收裝置的確能夠實現節能。其節能效果與室內外溫差呈正相關，溫差越大，節能效果越明顯；溫差越小，節能效果越不明顯。匯總2019年全年節能數據的統計結果顯示，在保持室內溫度全年穩定于(24.0±2.0)℃的狀態下，當室外氣溫日均低于17.30 ℃(即每年的4月中旬之前和10月中旬之后)或高于26.15 ℃(即每年的6月下旬至9月中旬)時，乙二醇熱回收裝置節省的能耗高于其自身的能耗，具有實際運行意義；而當室外溫度日均在17.30 ℃至26.15 ℃(即每年的4月中旬至6月下旬、9月中旬至10月中旬)之間時，乙二醇熱回收裝置節省的能耗低于其自身的能耗，失去實際運行意義，應當停止循環泵的運行。

2.2 熱交換性能的分析結果

對2019年全年節能數據進行全面計算和分析后，得出的結果如下：

當處于制熱季節時，該套乙二醇熱回收裝置累計可節省電量75 017.56 (kW·h)，在扣除熱回收裝置運行時7.5 kW循環泵所消耗的32 850.00 (kW·h)電能后，得出乙二醇熱回收裝置所節省的用電量合計為42 167.56(kW·h)。按照北京市現行的用電價格標準均值1.22元/(kW·h)計算，共計節省5.14萬元運行成本。

當處于制冷季節時，該套乙二醇熱回收裝置累計可節省電量68 050.00(kW·h)，在扣除熱回收裝置運行時7.5 kW循環泵所消耗的32 850.00(kW·h)電能后，得出乙二醇熱回收裝置所節省的用電量合計為51 490.00(kW·h)。按照北京市現行的用電價格標準均值1.22元/(kW·h)計算，共計節省4.29萬元運行成本。

綜上數據，2019年全年共計節約運行成本9.43萬元。

3 討論

按照工作原理的不同，空氣熱回收裝置大體可分為轉輪式熱回收、溶液吸收式熱回收、板式熱回收和乙二醇熱回收幾大類[3]。

轉輪式熱回收裝置是通過新風與排風交替逆向流過轉輪而將排風中的熱能傳遞給新風。該裝置可同時回收排風中的顯熱和潛熱，因而對排風的全熱回收效率高達60%～85%[3]；但該裝置結構復雜，體積較大，造價較高，需要消耗動力，且在新風、排風之間存在10%～30%的交叉污染等缺陷[4]。

溶液吸收式熱回收裝置是通過一定的溶液(如氯化鈣、溴化鋰等)直接接觸排風并吸收其中的熱能，通過循環管路的轉運，再直接接觸新風并將熱能傳遞給新風。該裝置可同時回收排風中的顯熱和潛熱，因而對排風的全熱回收效率可達到30%～40%；但體積較大，造價較高，需要消耗動力，在送風、排風之間存在一定的交叉污染[3]。此外，實驗動物設施排氣中往往含有氨氣，而絡合物氨合氯化鈣也具有膨脹、結塊等缺點[5]。

板式熱回收裝置系是通過新風與排風交替逆向流過換熱隔板，靠排風與新風的溫差而將排風中的熱能傳遞給新風。該裝置結構簡單，造價較低，不需要消耗動力，對排風的顯熱回收效率能達到67%[6]；但該裝置體積較大，密封不嚴時能導致少量新風、排風的交叉污染，嚴寒季節排風微孔內的冷凝水易于結冰而污染微孔、加大風阻，室外空氣質量較差時排風微孔易于堵塞而加大風阻。

乙二醇熱回收裝置系通過管道及循環泵的運行，使乙二醇在新風和排風之間循環運行，從而將排風中的熱能傳遞給新風。該裝置結構復雜，需要消耗動力，對排風的顯熱回收效率雖只有30%～40%[3]，但能通過乙二醇管路的靈活布置而降低新風、排風管路排布時對空間條件的要求，更能將新風、排風管路完全隔離而有效避免新風、排風的交叉污染。

綜上所述，盡管轉輪式熱回收裝置和溶液吸收式熱回收裝置的熱回收效率都很高，但由于存在新風、排風之間的交叉污染，其在實驗動物設施中的應用受到很大的限制；板式熱回收裝置的熱回收效率雖也較高，但交換芯內微孔狀的送風管和排風管本身就導致了風阻的增大，室外空氣質量較差時和嚴寒季節微孔內的結冰都能夠再次加大排風的風阻，現有制作工藝也很難杜絕新風、排風之間的交叉污染，其在實驗動物設施中的應用也受到了一定的限制。相反，乙二醇熱回收裝置的熱回收效率雖然較低，但新風、排風管路可根據實際需要靈活排布而降低對空間條件的要求，更能杜絕新風、排風的交叉污染，有效實現了節能減排，也完全滿足實驗動物設施的使用要求，應當在實驗動物設施建設中得到推廣應用。

本設施裝配的乙二醇熱回收裝置初投資為19.38萬元。按照每年節約9.43萬元的費用計算，2.1年即可收回投資成本。與文獻[7]報道的臨沂某醫療病房樓乙二醇熱回收裝置“3～5年即可收回系統的初投資”相比，此裝置的初投資收回時間更短。