哈爾濱某辦公樓排風(fēng)熱回收應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

呂欣欣

空調(diào)技術(shù)

哈爾濱某辦公樓排風(fēng)熱回收應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

呂欣欣

（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200002）

空調(diào)排風(fēng)熱回收，是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要節(jié)能措施。本文根據(jù)哈爾濱地區(qū)的氣候特點(diǎn)，分析了哈爾濱某辦公樓項(xiàng)目排風(fēng)熱回收系統(tǒng)應(yīng)用的節(jié)能效果，并對熱回收裝置初投資增加及年運(yùn)行費(fèi)用等進(jìn)行了計(jì)算，得出了熱回收系統(tǒng)年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用及靜態(tài)投資回收期，研究表明該項(xiàng)目排風(fēng)熱回收節(jié)能效果顯著。

熱回收； 節(jié)能； 初投資； 運(yùn)行費(fèi)用； 投資回收期

0 引言

空調(diào)排風(fēng)熱回收,是目前空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的節(jié)能措施,排風(fēng)與新風(fēng)通過空氣-空氣能量回收裝置進(jìn)行熱交換,將原本要排除室外的能量進(jìn)行回收,用來對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷或預(yù)熱處理,從而可以減少處理新風(fēng)的用能，降低冷源或熱源的能耗，從而達(dá)到節(jié)能目的。

在現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中,對空氣—空氣能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求見表1。

哈爾濱某辦公樓項(xiàng)目，共26層，總建筑面積60000m2，其中空調(diào)面積48880m2。本文將對該辦公樓項(xiàng)目排風(fēng)熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用，進(jìn)行技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析。

1 研究條件和方法

1.1 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)形式

該項(xiàng)目采用風(fēng)機(jī)盤管（FCU）加新風(fēng)(PAU)的空調(diào)系統(tǒng)，新風(fēng)由新風(fēng)處理機(jī)組通過風(fēng)道送至各辦公區(qū)域，

并設(shè)置相應(yīng)機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)。

表1 相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中的條文要求

表2 該項(xiàng)目室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

由上述表格內(nèi)人員密度及最小新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)可以得出該項(xiàng)目新風(fēng)量為：

48880×30/10=146640m3/h。

1.3 室外氣象條件

室外氣象參數(shù)是進(jìn)行排風(fēng)熱回收分析的重要基礎(chǔ)研究資料。該項(xiàng)目位于哈爾濱市，屬于中國氣候分區(qū)中的嚴(yán)寒A區(qū)，本文計(jì)算所用氣象數(shù)據(jù)均來自《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》［3］。圖1為哈爾濱地區(qū)全年8760h室外干球溫度。

1.4 負(fù)荷情況

采用HDY-SMAD空調(diào)負(fù)荷計(jì)算分析軟件V4. 0（能耗分析版）進(jìn)行計(jì)算，得出全年逐時(shí)負(fù)荷分布，如圖2所示，全年新風(fēng)負(fù)荷情況，如圖3所示。

由圖2可以看出該項(xiàng)目熱負(fù)荷出現(xiàn)在10月份到來年的4月份，供暖期較長，冷負(fù)荷主要出現(xiàn)在5月份到9月份，供冷時(shí)間相對較短。

將全年逐時(shí)負(fù)荷相加，得出全年所需供冷量及供熱量見表3。

表3 該項(xiàng)目全年負(fù)荷情況

由圖3及表3可以看出，新風(fēng)負(fù)荷占全年負(fù)荷的43.8%，嚴(yán)寒地區(qū)新風(fēng)負(fù)荷比例較大，全年新風(fēng)負(fù)荷中，潛熱負(fù)荷所占比例達(dá)到了為33%，在考慮能量回收時(shí)應(yīng)考慮潛熱負(fù)荷的回收。

1.5 電價(jià)及熱價(jià)

該項(xiàng)目地點(diǎn)為哈爾濱市，電價(jià)及熱價(jià)見表4。

表4 哈爾濱市電價(jià)及熱價(jià)

注：1.非居民用熱價(jià)格，全額熱費(fèi)=基本熱費(fèi)+計(jì)量熱費(fèi)，基本熱費(fèi)=基本熱價(jià)×用戶收費(fèi)面積；

2.基本熱價(jià)：每m2使用面積19.00元/a；

3.計(jì)量熱價(jià)：每GJ52.74元，選取依據(jù)為黑龍江省物價(jià)監(jiān)督管理局所

發(fā)哈價(jià)聯(lián)發(fā)〔2013〕37號(hào)文；

4.A電價(jià)：選取依據(jù)為黑龍江省物價(jià)監(jiān)督管理局所發(fā)黑價(jià)格［2016］4號(hào)文。

2 排風(fēng)熱回收方案確定

2.1 排風(fēng)熱回收方式

排風(fēng)熱回收分顯熱回收和全熱回收兩種方式，由全年負(fù)荷情況可知，該項(xiàng)目全年新風(fēng)負(fù)荷中，潛熱負(fù)荷所占比例約為33%，比例較大，在分析排風(fēng)熱回收節(jié)能效果時(shí)，潛熱負(fù)荷能量回收不可忽視，因此該項(xiàng)目采用全熱回收方式。

2.2 排風(fēng)熱回收裝置

排風(fēng)熱回收裝置有多種不同的類型，常用熱回收裝置性能和適用對象在文獻(xiàn)[2][4]內(nèi)都有描述，其中常用的全熱回收裝置為轉(zhuǎn)輪式和板翅式兩種，相關(guān)性能對比見表5。

由表5可以看出，轉(zhuǎn)輪式全熱回收裝置相對于板翅式效率高，適用風(fēng)量大，該項(xiàng)目選用轉(zhuǎn)輪式全熱回收裝置進(jìn)行接下來的節(jié)能效果分析。

經(jīng)熱回收裝置廠商進(jìn)行選型，確定該項(xiàng)目轉(zhuǎn)輪式全熱回收裝置參數(shù)見表6。

2.3 排風(fēng)熱回收運(yùn)行策略

該項(xiàng)目排風(fēng)熱回收系統(tǒng)應(yīng)用示意圖見圖5，空調(diào)房間排風(fēng)經(jīng)排風(fēng)機(jī)排出，與室外新風(fēng)在轉(zhuǎn)輪熱交換器處進(jìn)行全熱交換，對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)處理機(jī)組進(jìn)一步處理后送入室內(nèi)?？紤]到盡量避免新、排風(fēng)漏風(fēng)，以及進(jìn)入轉(zhuǎn)輪氣流的均勻性，新、排風(fēng)機(jī)均采用抽吸式布置方式。

表5 常用空氣熱回收裝置（全熱）性能

表6 轉(zhuǎn)輪式全熱回收裝置性能參數(shù)

圖中：T11為室內(nèi)排風(fēng)干球溫度，即轉(zhuǎn)輪排風(fēng)入口干球溫度，℃，h11為對應(yīng)焓值，kJ/kg；Td為室內(nèi)露點(diǎn)溫度，由表2可知Td=1.9℃；T12為轉(zhuǎn)輪排風(fēng)出口干球溫度，℃；h12為對應(yīng)焓值，kJ/kg；T21為室外干球溫度，即轉(zhuǎn)輪新風(fēng)入口干球溫度，℃；h21為對應(yīng)焓值，kJ/kg；T22為新風(fēng)經(jīng)預(yù)熱盤管后的溫度，℃；h22為對應(yīng)焓值，kJ/kg；T23為新風(fēng)轉(zhuǎn)輪出口干球溫度，℃；h23為對應(yīng)焓值，kJ/kg；η為轉(zhuǎn)輪熱交換器全熱效率；G1為排風(fēng)量；G2為新風(fēng)量，m3/h；考慮到室內(nèi)相對正壓，排風(fēng)與新風(fēng)比值取0.8。

由上圖可以看出，排風(fēng)熱回收系統(tǒng)相對于常規(guī)系統(tǒng)，增加了新、排風(fēng)側(cè)的系統(tǒng)阻力，且轉(zhuǎn)輪自身運(yùn)行需

要能耗，該項(xiàng)目風(fēng)機(jī)能耗增加：

式中 W—單位風(fēng)量風(fēng)機(jī)耗電量增加能耗，W/（m3·h）；

W1—風(fēng)機(jī)能耗，W/（m3·h）；

W2—轉(zhuǎn)輪自身能耗,W/（m3·h）；

ΔP—新、排風(fēng)側(cè)增加阻力，Pa；

ηt—通風(fēng)機(jī)總效率，%。

由表6可知ΔP=350Pa，W2=0.02W/（m3·h），ηt取65%[5]，可計(jì)算得出W=0.0832W/（m3·h）。

其中夏季工況，轉(zhuǎn)輪熱回收裝置的臨界適用條件為：

式中 ES—夏季工況下單位風(fēng)量熱回收量，W/（m3·h）；

ρ—空氣密度，kg/m3；

SCOP—電冷源綜合制冷性能系數(shù)，kW/kW。

其中SCOP取4.0［1］，將表2及表6內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)帶入上述公式，可計(jì)算得出h22-h11≥1.92kJ/kg，即室外新風(fēng)焓值h22≥53.02kJ/kg。

該項(xiàng)目冬季采用市政供熱方式，冬季工況轉(zhuǎn)輪熱回收裝置的臨界適用條件為：

式中 Ph—轉(zhuǎn)輪熱回收裝置節(jié)省的熱量費(fèi)用，元；

Pe—轉(zhuǎn)輪熱回收消耗電量產(chǎn)生的電費(fèi)，元。

式中 RJ—熱價(jià)，元/GJ。

式中 DJ—電價(jià)，元/（kW·h）。

將表2及表6內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)帶入上述公式，可計(jì)算得出 h11-h22≥2.18kJ/kg，即室外新風(fēng)焓值 h22≤29.32kJ/kg

上述分析匯總排風(fēng)熱回收運(yùn)行策略見表7，在冬季及夏季工況滿足轉(zhuǎn)輪熱回收條件時(shí)，對室內(nèi)排風(fēng)進(jìn)行熱回收，當(dāng)系統(tǒng)處于過渡季工況時(shí)，關(guān)閉熱轉(zhuǎn)輪，開啟新，排風(fēng)旁通管，進(jìn)行過渡季免費(fèi)供冷，避免轉(zhuǎn)輪阻力損失。

2.4 冬季熱轉(zhuǎn)輪防凍考慮

哈爾濱地區(qū)室外寒冷，當(dāng)室內(nèi)排風(fēng)與室外低溫新風(fēng)經(jīng)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行熱交換后，排風(fēng)干球溫度達(dá)到露點(diǎn)溫度產(chǎn)生凝結(jié)水，且排風(fēng)溫度低于水的的結(jié)冰溫度0度時(shí)，就會(huì)發(fā)生結(jié)霜甚至冰堵現(xiàn)象，即

表7 排風(fēng)熱回收運(yùn)行策略

轉(zhuǎn)輪熱回收裝置一旦出現(xiàn)冰堵，排風(fēng)經(jīng)過轉(zhuǎn)輪的氣流通道會(huì)逐漸變窄，風(fēng)阻隨之增加，致使排風(fēng)流量減小，排風(fēng)側(cè)的溫度會(huì)因排風(fēng)量的減小而降低，更加劇了冷凝水的凍結(jié)，從而形成惡性循環(huán)。

轉(zhuǎn)輪熱回收裝置防冰堵通常有三種方法[6]：

（1）調(diào)整轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)速度。轉(zhuǎn)輪電機(jī)采用變頻控制，當(dāng)排風(fēng)溫度低于設(shè)定時(shí)，通過變頻器降低轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，即使轉(zhuǎn)輪效率降低，排風(fēng)溫度升高，防止冰堵發(fā)生；

（2）改變新排風(fēng)比例。轉(zhuǎn)輪上下設(shè)置旁通風(fēng)閥，新風(fēng)經(jīng)風(fēng)閥分流，使排風(fēng)溫度保持在冰點(diǎn)以上，防止冰堵發(fā)生；

（3）預(yù)熱新風(fēng)。將低溫的新風(fēng)預(yù)熱至室內(nèi)排風(fēng)露點(diǎn)溫度以上，避免排風(fēng)產(chǎn)生凝結(jié)水，可避免轉(zhuǎn)輪冰堵發(fā)生。

哈爾濱地區(qū)室外寒冷，考慮到實(shí)際應(yīng)用的安全可靠性，該項(xiàng)目轉(zhuǎn)輪防凍采用預(yù)熱新風(fēng)方式，室內(nèi)排風(fēng)露點(diǎn)溫度Td=1.9℃，取預(yù)熱盤管臨界開啟溫度為2℃，當(dāng)室外新風(fēng)溫度低于2℃時(shí)，開啟預(yù)熱盤管，將室外新風(fēng)預(yù)熱至2℃，再經(jīng)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行熱交換。

3 排風(fēng)熱回收節(jié)能效果

3.1 排風(fēng)熱回收節(jié)能運(yùn)行小時(shí)數(shù)

根據(jù)表7，匯總?cè)甓竟r及夏季工況下，排風(fēng)熱回收節(jié)能運(yùn)行小時(shí)數(shù)見表8。

表8 排風(fēng)熱回收節(jié)能運(yùn)行小時(shí)數(shù)

由上表可以看出，該項(xiàng)目冬季工況排風(fēng)熱回收節(jié)能運(yùn)行時(shí)間達(dá)到了全年運(yùn)行時(shí)間的61%，夏季工況達(dá)到了20%，排風(fēng)熱回收全年總節(jié)能運(yùn)行小時(shí)數(shù)達(dá)到了運(yùn)行時(shí)間的81%，全年大部分空調(diào)運(yùn)行時(shí)刻都有節(jié)能運(yùn)行條件。

3.2 排風(fēng)熱回收節(jié)能量

轉(zhuǎn)輪排風(fēng)全熱回收節(jié)能量計(jì)算公式如下：

ΔQ=ηG1ρ∫（h22-h11）dt （6）

式中 ΔQ—轉(zhuǎn)輪排風(fēng)全熱回收節(jié)能量，kW；

t—節(jié)能運(yùn)行時(shí)間，h。

根據(jù)上述公式，計(jì)算得出該項(xiàng)目全年轉(zhuǎn)輪全熱回收熱量/冷量情況見表9。

表9 該項(xiàng)目全年轉(zhuǎn)輪全熱回收熱量/冷量

由表9可以看出，冬季熱回收熱量占總供熱量的23%，可節(jié)約887330kW·h的年耗熱量，夏季熱回收冷量占總供冷量的10.9%，可節(jié)約292987kW·h的年耗冷量，全年轉(zhuǎn)輪回收熱量為1181016kW·h，占全年新風(fēng)負(fù)荷的41.1%，因此該項(xiàng)目全年排風(fēng)熱回收節(jié)能運(yùn)行效果顯著。

4 排風(fēng)熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

在進(jìn)行排風(fēng)熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，需考慮如下幾個(gè)問題：

（1）轉(zhuǎn)輪裝置、預(yù)熱盤管及新、排風(fēng)旁通風(fēng)管及相應(yīng)閥門等設(shè)備及附件增加，系統(tǒng)初投資增加；

（2）轉(zhuǎn)輪設(shè)備增加了送、排風(fēng)系統(tǒng)在熱回收工況下運(yùn)行時(shí)的阻力，相應(yīng)風(fēng)系統(tǒng)輸送能耗增加；

（3）熱轉(zhuǎn)輪自身運(yùn)行需要耗電。

4.1 排風(fēng)熱回收系統(tǒng)初投資增加

排風(fēng)熱回收系統(tǒng)相對于常規(guī)系統(tǒng)，單位風(fēng)量設(shè)備初投資增加約為3.5元/（m3·h），其中熱轉(zhuǎn)輪設(shè)備初投資增加約為2.5元/（m·h），其余附件初投資增加約為1.5元/（m·h），因此，該項(xiàng)目初投資增加量見表10。

表10 該項(xiàng)目初投資增加

4.2 耗電量增加

見表11。

4.3 全年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用

根據(jù)哈爾濱電價(jià)及熱價(jià)，可計(jì)算該項(xiàng)目冬季及夏季排風(fēng)熱回收全年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用情況見表12。

除掉每年耗電量增加，則每年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用為23.17-4.58=18.58萬元

4.4 靜態(tài)投資回收期計(jì)算

靜態(tài)投資回收期=投資增加費(fèi)用/（每年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用-每年耗電量增加費(fèi)用）

將4.1～4.3小節(jié)數(shù)值帶入上述公式，可以得出該項(xiàng)目靜態(tài)投資回收期為：

51.324/（23.17-4.58）=2.76a

表11 風(fēng)機(jī)年耗電量增加

表12 全年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用

5 結(jié)語

根據(jù)分析，該項(xiàng)目辦公建筑采用排風(fēng)全熱回收，每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用18.58萬元，轉(zhuǎn)輪全熱回收靜態(tài)投資回收期約為2.76年，節(jié)能運(yùn)行效果顯著。

本文通過計(jì)算得出該項(xiàng)目熱回收裝置的臨界節(jié)能適用條件如下：

（1）夏季工況：室內(nèi)外焓差h22-h11≥1.92kJ/kg，即室外新風(fēng)焓值h22≥53.02 kJ/kg

（2）冬季工況：室內(nèi)外焓差h11-h22≥2.18kJ/kg，即室外新風(fēng)焓值h22≤29.32kJ/kg

在進(jìn)行哈爾濱地區(qū)排風(fēng)全熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮哈爾濱地區(qū)室外寒冷，容易發(fā)生結(jié)霜甚至冰堵危險(xiǎn)，考慮到實(shí)際應(yīng)用的安全可靠性，轉(zhuǎn)輪應(yīng)考慮防凍措施。

[1]GB50189-2015,公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GB50736-2012,民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系．中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[4]辛業(yè)洪，韓杰.某超高建筑空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)全熱回收方案的生命周期成本分析[J].建筑技術(shù)研究，2013，（3）：70～72.

[5]GB19761-2009，通風(fēng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)[S].

[6]劉明山，王旭東.冬季寒冷地區(qū)排風(fēng)熱回收空調(diào)機(jī)組防凍傷處理[J]．暖通空調(diào)，2011，（3）：21～25.

Technical and Economic Analysis of Heat Recovery Application in an Office Building of Harbin

LV Xin-xin
（East China Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200002，China）

Exhaustair heat recovery is animportant energy-savingmethod.Accordingtothefeatures of theclimate, thispaperanalyzestheheatrecoveryeffectinanofficebuildingofHarbin.Theincreaseoftheinitial investmentandtheannual savings inoperatingcosts is calculated.Thestatic investment payback periodis calculated.Theresults showthat heat recoveryenergysavingeffectinthisbuildingisremarkable。

heatrecovery； energy-saving； initial investment； operationcost； investmentpayback period

TU831

B

2095-3429（2016）03-0049-05

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.012

2016-04-25

修回日期：2016-05-23

呂欣欣（1985-），女，山東濰坊人，工學(xué)碩士，工程師，主要從事大型商業(yè)綜合體、辦公、酒店及劇院類項(xiàng)目的空調(diào)設(shè)計(jì)工作。