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某辦公樓空調(diào)箱節(jié)能改造方法的可行性研究

趙富強(qiáng)1岳嵩2祁英1張?jiān)奇?

1山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院
2濟(jì)南市熱力設(shè)計(jì)研究院

以濟(jì)南市某五層辦公樓空調(diào)箱的節(jié)能改造為例，重點(diǎn)介紹自己再熱式熱回收方式及在空調(diào)箱節(jié)能改造中的應(yīng)用。另外，通過(guò)理論計(jì)算結(jié)果與系統(tǒng)仿真結(jié)果的比較，得出該系統(tǒng)的節(jié)能效果和在工程應(yīng)用中的可行性。最后，針對(duì)系統(tǒng)在實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的一些問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明，并提出了一些參考建議。

空調(diào)箱節(jié)能改造自己再熱式熱回收可行性

該辦公樓空調(diào)系統(tǒng)是按照溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，但是運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有依照設(shè)計(jì)方案運(yùn)行，從而使得空調(diào)箱機(jī)組中原來(lái)只用來(lái)降溫的表冷器，現(xiàn)在既要承擔(dān)降溫，又要承擔(dān)除濕的作用，即冷凍除濕。這樣除濕后的空氣溫度往往過(guò)低，送人室內(nèi)會(huì)使人體產(chǎn)生不適。另外，辦公樓采用地板輻射供冷加置換通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。ISO-7730推薦0.1m與1.1m之間的垂直溫差不能超過(guò)3K以保證舒適感。根據(jù)這一要求，采用置換通風(fēng)與輻射供冷復(fù)合系統(tǒng)時(shí)，送風(fēng)溫度可提高至23℃，送風(fēng)速度約為0.25m/s左右，舒適度更有保證[1]。根據(jù)一年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，空調(diào)箱送風(fēng)溫度在13℃左右，低于送風(fēng)要求值。因此，為了改善室內(nèi)環(huán)境的舒適度，決定對(duì)空調(diào)箱進(jìn)行夏季節(jié)能改造，對(duì)冷凍除濕后的空氣進(jìn)行再熱，以提高送風(fēng)溫度。

1 空調(diào)箱機(jī)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(jī)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(jié)能的角度看，利用壓縮機(jī)的排熱方式效果最好，但該辦公樓空調(diào)系統(tǒng)采用了蓄冷技術(shù)，利用蓄能水箱將夜晚谷電時(shí)段制冷機(jī)制的冷凍水儲(chǔ)存起來(lái)，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(shí)的溫、濕度差進(jìn)行熱回收的方式[2]。由圖1可知，自己再熱式熱回收系統(tǒng)由表冷器1、表冷器3、水泵、電動(dòng)三通閥、膨脹水箱等組成，在表冷器1和表冷器3之間通過(guò)水泵強(qiáng)制水循環(huán)，使得表冷器2出風(fēng)的冷量移至空調(diào)箱機(jī)組進(jìn)風(fēng)處，用以降低進(jìn)風(fēng)空氣溫度，達(dá)到預(yù)冷進(jìn)風(fēng)的目的；同時(shí)又將空調(diào)箱機(jī)組進(jìn)風(fēng)處空氣的熱量移至表冷器2出風(fēng)處，用以加熱空氣，從而提高過(guò)冷的送風(fēng)溫度，降低室內(nèi)的相對(duì)濕度。如果表冷器3出風(fēng)溫度達(dá)不到送風(fēng)溫度要求，則利用輔助加熱器進(jìn)行再加熱，使送風(fēng)溫度達(dá)到要求送風(fēng)溫度。

2 熱回收系統(tǒng)表冷器設(shè)計(jì)計(jì)算

由空調(diào)箱機(jī)組的工藝流程圖可知，改造系統(tǒng)主要是在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一三級(jí)表冷器，因此改造工作的重點(diǎn)是確定一三級(jí)表冷器的面積。建立計(jì)算模型過(guò)程中，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了一些假設(shè)：①一級(jí)表冷器的除濕量很小，為了計(jì)算方便，假設(shè)一級(jí)表冷器只對(duì)混合空氣進(jìn)行預(yù)冷，不除濕；②三級(jí)表冷器回收的冷量等于一級(jí)表冷器回收的熱量。

2.1空氣處理過(guò)程

設(shè)計(jì)條件如下：夏季處理空氣總量為20000m3/h，新風(fēng)量為9000m3/h。室外設(shè)計(jì)參數(shù)為干球溫度tW= 34.8℃，濕球溫度tWS=27℃；室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)為干球溫度tN=27℃，相對(duì)濕度φ=65%。辦公樓總冷負(fù)荷為287.4kW，地板供冷承擔(dān)的冷負(fù)荷為149.9kW，空調(diào)箱承擔(dān)的全熱負(fù)荷為137.5kW，空調(diào)箱承擔(dān)的濕負(fù)荷為32.98g/s。

空調(diào)箱機(jī)組夏季空氣處理過(guò)程如圖2所示，空氣狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)如表1所示。

圖2 夏季空氣處理過(guò)程

表1 空氣狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

2.2一級(jí)表冷器設(shè)計(jì)計(jì)算

[3]，對(duì)一級(jí)表冷器進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。

根據(jù)需要的表冷器通用熱交換效率E'=0.597，假定的迎面風(fēng)速Vy'=2.5m/s，可以計(jì)算出迎風(fēng)面面積Fy'= 2.2m2。查參考文獻(xiàn)[3]附錄3-5可以選用JW30-4型表冷器一臺(tái)，其Fy=2.57m2，Vy=2.1m/s，水流速ω=1.2m/s，通水?dāng)嗝婷娣efw=0.00553m2，表冷器每排傳熱面積Fd= 33.4m2，析濕系數(shù)ξ=1，傳熱系數(shù)Ks=48.16W/(m2℃)，水流量W=6.64kg/s，表冷器能達(dá)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(jì)算：

式中：tC，tSC分別為空氣初狀態(tài)點(diǎn)的干球溫度和濕球溫度，℃；t1，ts1分別為空氣終狀態(tài)點(diǎn)的干球溫度和濕球溫度，℃。

傳熱系數(shù)按式（2）計(jì)算：

式中：Vy為表冷器的迎面風(fēng)速，m/s；ξ為析濕系數(shù)；ω為通過(guò)表冷器的水流速，m/s。

通過(guò)表冷器的水初溫tW1，水終溫tW2分別按式（3）、式（4）計(jì)算：

式中：ε為表冷器的熱交換效率；C為水比熱，J/(kg℃)。

三級(jí)表冷器型號(hào)同一級(jí)，不再另外計(jì)算。

2.3節(jié)能分析

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

三級(jí)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(jìn)行新風(fēng)預(yù)冷，將混合空氣直接處理到露點(diǎn)溫度所需的冷量：Q2'=G(h1-h2)=6.566×(74.4-36.1)= 251.5kW

計(jì)算分析結(jié)果表明，由于有前級(jí)預(yù)冷，冷凍除濕過(guò)程所需的冷量（高價(jià)冷量）可降低一部分；又由于有后級(jí)的部分再熱量，所以空調(diào)送風(fēng)的送風(fēng)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(jī)制備的高價(jià)冷量的消耗，增大低價(jià)冷量的利用率，有效降低電耗。

3 換熱系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證及分析

對(duì)該系統(tǒng)的仿真模擬，采用了瞬時(shí)系統(tǒng)模擬程序TRNSYS，它在對(duì)空調(diào)系統(tǒng)模擬和優(yōu)化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文中重點(diǎn)對(duì)空調(diào)箱機(jī)組系統(tǒng)的夏季運(yùn)行工況進(jìn)行了模擬，模擬流程如圖3所示，模擬結(jié)果如圖4～7所示。

圖3 空調(diào)箱機(jī)組模擬流程

圖4 表冷器1進(jìn)出口空氣溫度變化

圖5 表冷器3進(jìn)出口空氣溫度變化

圖6 表冷器1進(jìn)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(shù)的不斷變化，一級(jí)表冷器進(jìn)出口空氣的溫差在6℃左右變化。如圖5，三級(jí)表冷器進(jìn)出口空氣的溫差在7℃左右變化。按理論計(jì)算，一、三級(jí)表冷器的進(jìn)出口空氣溫差應(yīng)該是相等的，但是在實(shí)際中，一級(jí)表冷器是在濕工況下運(yùn)行的，其傳熱系數(shù)要大于三級(jí)表冷器的傳熱系數(shù)，故溫差要小于三級(jí)的。

如圖6所示，一級(jí)表冷器的進(jìn)出水溫差在1℃左右，平均溫度在20℃左右。與理論計(jì)算結(jié)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(tǒng)除濕主要由二級(jí)表冷器來(lái)承擔(dān)。經(jīng)過(guò)二級(jí)表冷器的除濕，送入室內(nèi)的空氣含濕量在9.1g/kg(干空氣)左右。

4 結(jié)論和展望

通過(guò)理論計(jì)算和仿真模擬，可以充分證明自己再熱式熱回收系統(tǒng)的可行性，并且系統(tǒng)的送風(fēng)溫濕度達(dá)到了要求值，不需要再進(jìn)行輔助加熱。另外，該系統(tǒng)可以根據(jù)空調(diào)用戶(hù)對(duì)溫濕度參數(shù)的不同需求，進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)，并且可以對(duì)原有的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。

空調(diào)箱機(jī)組中，一級(jí)表冷器（預(yù)冷）、二級(jí)表冷器（冷卻除濕）、三級(jí)表冷器（再熱）平行排列，它們之間必定有輻射換熱。如果二級(jí)表冷器和三級(jí)表冷器安裝距離過(guò)近，在風(fēng)壓的作用下，部分冷凝水會(huì)隨氣流飄落到再熱盤(pán)管上，吸收熱量，從而影響再熱量。因此，在實(shí)際工程中還要考慮表冷器間距對(duì)換熱量的影響。具體影響程度的大小，還需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

參考文獻(xiàn)

[1]王子介.低溫?zé)崴椛涔┡c輻射供冷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004

[2][日]鈴木謙一郎,大失信男.除濕設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1983

[3]趙榮義,范存養(yǎng),薛殿華,等.空氣調(diào)節(jié)(第四版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)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(qiáng)（1987～），男，碩士研究生；山東省濟(jì)南市臨港開(kāi)發(fā)區(qū)鳳鳴路山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)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(jī)的排熱。自己再熱式也能進(jìn)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(huì)受到限制，而且調(diào)節(jié)加熱量簡(jiǎn)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(shè)備最簡(jiǎn)單，但運(yùn)行費(fèi)用最高，要受電網(wǎng)制約。結(jié)合辦公樓的實(shí)際情況，綜合考慮各種熱回收方式的優(yōu)缺點(diǎn)，采用自己再熱式熱回收方式，并利用電加熱輔助加熱?？照{(diào)箱機(jī)組的工作流程圖如圖1。