一種新型熱回收裝置在實(shí)驗(yàn)室空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司 周 謹(jǐn)

0 引言

隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種類型的科研、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所愈來(lái)愈多。而各科研單位、高等院校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)無(wú)疑對(duì)科技創(chuàng)新、科研發(fā)展起著舉足輕重的作用。近年來(lái)，國(guó)家和各地方政府、各高校紛紛建設(shè)各種類型的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、普通實(shí)驗(yàn)室，對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的投入越來(lái)越大。隨著各種實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室都會(huì)設(shè)置空調(diào)設(shè)施，以滿足實(shí)驗(yàn)人員做實(shí)驗(yàn)時(shí)的舒適度，其中部分實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)高。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)使用很多揮發(fā)性藥品，特別是有機(jī)藥劑，所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)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(shí)驗(yàn)室通常換氣要求高，排風(fēng)量、新風(fēng)量非常大。

由于一些普通的實(shí)驗(yàn)室對(duì)室內(nèi)溫濕度控制并沒(méi)有特別嚴(yán)格的要求，因此引入其內(nèi)的室外新風(fēng)是未經(jīng)任何溫濕度處理的，在這種情況下，嚴(yán)冬、盛夏時(shí)直接引入的極冷、極熱室外空氣對(duì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)人員舒適性有較大的影響。不少實(shí)驗(yàn)室對(duì)引入的新風(fēng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的冷卻、加熱處理，以有效提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性。但在實(shí)際使用過(guò)程中，地處江南、華南沿海潮濕地區(qū)的實(shí)驗(yàn)室，在一些季節(jié)常常會(huì)出現(xiàn)由于對(duì)引入新風(fēng)的除濕處理不到位，造成實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、圍護(hù)結(jié)構(gòu)大面積結(jié)露的現(xiàn)象，給實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)、使用帶來(lái)了很大的困擾，影響了實(shí)驗(yàn)室的正常使用。

在這種情況下，僅僅對(duì)實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的冷熱處理是不能夠滿足使用要求的，必須在進(jìn)行冷熱處理的同時(shí)對(duì)新風(fēng)進(jìn)行濕度控制，從而避免出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。此時(shí)，新風(fēng)系統(tǒng)不但需要設(shè)置冷卻、加熱、再熱等功能段，還需要在夏季設(shè)置熱源，空調(diào)運(yùn)行能耗相應(yīng)增加，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能需求顯得尤為突出。

本文對(duì)實(shí)驗(yàn)室空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)中設(shè)置的熱回收系統(tǒng)進(jìn)行一定條件下的定量分析，對(duì)普通實(shí)驗(yàn)室在使用中如何避免出現(xiàn)結(jié)露提出一些方法和建議，為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來(lái)建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室通常都會(huì)設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，以滿足實(shí)驗(yàn)人員的舒適性需求，實(shí)驗(yàn)室空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)置會(huì)根據(jù)建設(shè)時(shí)資金情況、對(duì)室內(nèi)溫濕度的控制需求及當(dāng)?shù)氐臍夂?、能源條件采用不同的類型。比較常見(jiàn)的有2種方式。一種為直接采用直流式空調(diào)系統(tǒng)，即利用送入室內(nèi)的新風(fēng)承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷及室內(nèi)負(fù)荷，不再另設(shè)其他空調(diào)系統(tǒng)。在這種空調(diào)方式中，由于送入室內(nèi)的新風(fēng)需要承擔(dān)室內(nèi)溫濕度的調(diào)節(jié)，因而對(duì)新風(fēng)送風(fēng)參數(shù)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(diǎn)是能耗相對(duì)較大，并且當(dāng)室內(nèi)通風(fēng)柜用量較少時(shí)還需要開(kāi)啟一定量的新風(fēng)機(jī)組以滿足室內(nèi)溫濕度控制需求。另一種則是將處理新風(fēng)的系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)分別設(shè)置：實(shí)驗(yàn)室內(nèi)單獨(dú)設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，滿足室內(nèi)空調(diào)熱濕負(fù)荷的需求，另外獨(dú)立設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)相應(yīng)的新風(fēng)負(fù)荷。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通風(fēng)柜不開(kāi)啟時(shí)，可以完全關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)而不影響室內(nèi)的空調(diào)使用[1]。

對(duì)于有一定恒溫恒濕要求的實(shí)驗(yàn)室，通常采用第1種空調(diào)方式，在其新風(fēng)處理過(guò)程中，冷卻、再熱功能段是必不可少的。而對(duì)于大量的普通實(shí)驗(yàn)室，很多都采用第2種空調(diào)方式，為了降低運(yùn)行能耗，并且由于實(shí)驗(yàn)室本身對(duì)環(huán)境工況沒(méi)有嚴(yán)格的要求，往往對(duì)新風(fēng)的處理參數(shù)也沒(méi)有嚴(yán)格的要求，在夏季僅對(duì)室外空氣進(jìn)行簡(jiǎn)單的冷卻，滿足一定的舒適性即可。此種情況下送入室內(nèi)的新風(fēng)相對(duì)濕度非常高，其露點(diǎn)溫度常常高于室內(nèi)空調(diào)溫度，導(dǎo)致出現(xiàn)室內(nèi)大量結(jié)露的現(xiàn)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器、設(shè)備造成損害。

在江蘇、上海、浙江、廣東等潮濕天氣頻繁出現(xiàn)的地區(qū)，很多實(shí)驗(yàn)室(尤其是高校實(shí)驗(yàn)室)常常受到這一問(wèn)題的困擾，經(jīng)常是實(shí)驗(yàn)設(shè)備一旦投入使用，就會(huì)出現(xiàn)通風(fēng)柜表面大量結(jié)露的現(xiàn)象。有些實(shí)驗(yàn)室為了減少結(jié)露，關(guān)閉了室內(nèi)空調(diào)設(shè)施，實(shí)驗(yàn)人員不得不在高濕熱環(huán)境下從事實(shí)驗(yàn)工作。這種情況下，原有的空調(diào)系統(tǒng)起不到應(yīng)有的作用，并且室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境工況也得不到保證，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)施常常出現(xiàn)發(fā)霉的現(xiàn)象。

因此，對(duì)普通實(shí)驗(yàn)室，如果想要避免出現(xiàn)室內(nèi)結(jié)露現(xiàn)象，其空調(diào)新風(fēng)處理絕不能簡(jiǎn)單地只是冷卻到室內(nèi)溫度即可，而是必須進(jìn)行有效除濕，然后經(jīng)過(guò)再熱后送入室內(nèi)。如果實(shí)驗(yàn)室工藝要求有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫濕度環(huán)境，這一系統(tǒng)的設(shè)置更是必不可少。

2 實(shí)驗(yàn)室避免結(jié)露對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置要求

如上文對(duì)空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置的說(shuō)明，在夏季實(shí)驗(yàn)室空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，輔助再熱的熱源是必不可少的，而系統(tǒng)對(duì)室外新風(fēng)有效除濕的要求，更進(jìn)一步增大了空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)冷負(fù)荷。因而在進(jìn)行這種類型實(shí)驗(yàn)室空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置時(shí)必須要考慮2個(gè)問(wèn)題：首先必須設(shè)置再熱熱源，其次是減少空調(diào)運(yùn)行能耗。

對(duì)于輔助熱源的設(shè)置，由于實(shí)驗(yàn)室的使用特點(diǎn)，無(wú)法通過(guò)二次回風(fēng)的方式解決。因此，一般會(huì)考慮設(shè)置四管制的空調(diào)系統(tǒng)，增加夏季的再熱熱源，也可以考慮采用熱回收型的冷水機(jī)組，利用冷水機(jī)組的冷凝余熱作為系統(tǒng)的再熱熱源。

而對(duì)大幅度增加的空調(diào)運(yùn)行能耗，通常通過(guò)在排風(fēng)、新風(fēng)之間設(shè)置熱回收裝置回收部分能量解決，在一定程度上降低新風(fēng)冷負(fù)荷。

實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)中包括各種揮發(fā)性藥品、有機(jī)藥劑，有一定危害性和腐蝕性。為了避免出現(xiàn)交叉污染，一般采用液體循環(huán)式的熱回收裝置，利用分別安裝在進(jìn)、排風(fēng)管路中的盤(pán)管換熱器，借助循環(huán)泵和中間熱媒回收排風(fēng)中的冷(熱)量。這樣的熱回收系統(tǒng)只能利用介質(zhì)之間的溫差回收排風(fēng)中的顯熱，而無(wú)法回收排風(fēng)中的潛熱，因此其熱回收效率是相對(duì)較低的。但是由于實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)量、排風(fēng)量非常大，因此設(shè)置熱回收系統(tǒng)仍有著較大的節(jié)能意義。

通常情況下，實(shí)驗(yàn)室熱回收系統(tǒng)的設(shè)置方式如圖1所示，在排風(fēng)管路上增加一組換熱盤(pán)管，使排風(fēng)與盤(pán)管中的熱媒(通常為乙二醇)進(jìn)行換熱，將排風(fēng)中的一部分冷量(或熱量)傳到熱媒中，然后再利用熱媒對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷或預(yù)熱，從而改善新風(fēng)機(jī)組表冷器的進(jìn)風(fēng)工況，降低新風(fēng)負(fù)荷。該系統(tǒng)屬于被動(dòng)式的熱回收系統(tǒng)，其回收的冷(熱)量完全取決于室內(nèi)外空氣溫差，當(dāng)室外溫度發(fā)生變化時(shí)，回收的冷(熱)量將隨之發(fā)生變化。在已選定換熱盤(pán)管的情況下，室內(nèi)外溫差越大，能夠回收的冷(熱)量就越多，其系統(tǒng)效益就越好[2]。

注：t1為室外空氣溫度；t2、t3分別為經(jīng)過(guò)預(yù)冷(熱回收盤(pán)管)及表冷器的空氣溫度；ts為送風(fēng)溫度；tn為室內(nèi)溫度；t4為排風(fēng)溫度；tw1、tw2為熱媒循環(huán)過(guò)程中的溫度。圖1 實(shí)驗(yàn)室熱回收系統(tǒng)設(shè)置方式

對(duì)于前述2個(gè)問(wèn)題，另一種新型的熱回收系統(tǒng)可以一次性解決，給實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供了一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

3 新型熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用

這種新型的熱回收系統(tǒng)設(shè)置方式如圖2所示，該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的液體循環(huán)式熱回收系統(tǒng)中增加了一組再熱盤(pán)管，直接利用熱回收系統(tǒng)對(duì)除濕后處于低溫飽和狀態(tài)的新風(fēng)進(jìn)行再熱，同時(shí)進(jìn)一步回收由于除濕而溫度降低的送風(fēng)中的冷量，并將循環(huán)中的載冷劑溫度進(jìn)一步降低(由t′w1降低至tw1)，然后用溫度更低的載冷劑對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷，從而增大了預(yù)冷量，降低了新風(fēng)機(jī)組表冷器的冷負(fù)荷，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能的目的。

注：V1、V2為調(diào)節(jié)閥；t′w1為熱媒循環(huán)過(guò)程中的溫度。圖2 新型熱回收系統(tǒng)設(shè)置方式

該系統(tǒng)由于需要控制新風(fēng)機(jī)組的送風(fēng)溫度，因此需要在熱回收盤(pán)管和再熱盤(pán)管管路上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，對(duì)熱回收盤(pán)管和再熱盤(pán)管的回收冷量進(jìn)行分配。與圖1相比，圖2所示的系統(tǒng)不再需要額外的再熱熱源，因此在空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)置上就更簡(jiǎn)單，而再熱盤(pán)管相當(dāng)于第2個(gè)熱回收盤(pán)管，可以回收更多的空調(diào)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(tǒng)在全年范圍內(nèi)可以有更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，因而熱回收的效果也更佳。

下面通過(guò)一個(gè)實(shí)例對(duì)新型熱回收系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)能效果進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析，采用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的方式，使用Syskon 4.0軟件，按上海市的全年氣候參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。

4 案例分析

地處上海的某實(shí)驗(yàn)室，總排風(fēng)量為12 000 m3/h，補(bǔ)風(fēng)量為10 000 m3/h。假設(shè)該實(shí)驗(yàn)室對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫濕度要求較高，其空調(diào)系統(tǒng)需要全年不間斷運(yùn)行，因而其新風(fēng)空調(diào)處理系統(tǒng)同樣為全年運(yùn)行。

根據(jù)上海市的氣候條件，新型熱回收系統(tǒng)全年8 760 h的熱回收情況和全年負(fù)荷及能耗分別如圖3、4所示。圖3中的點(diǎn)表示全年室外工況，其中綠色的實(shí)心點(diǎn)表示熱回收系統(tǒng)運(yùn)行可以有效回收能量；綠色空心點(diǎn)表示在該氣候條件下熱回收系統(tǒng)可以關(guān)閉；黃色實(shí)心點(diǎn)表示在該氣候條件下熱回收系統(tǒng)可以運(yùn)行，但需要補(bǔ)充熱量；而紅色點(diǎn)則表示排風(fēng)溫度與送風(fēng)溫度接近時(shí)，為滿足再熱溫度的設(shè)定，補(bǔ)熱升溫的換熱介質(zhì)經(jīng)過(guò)再熱盤(pán)管后可能超過(guò)室外溫度，系統(tǒng)將消耗多余的能量。圖4顯示了全年工況下對(duì)應(yīng)圖3的不同溫度條件下，有熱回收和沒(méi)有熱回收對(duì)應(yīng)的總負(fù)荷和能耗。

圖3 恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的全年熱回收情況

注：正值表示熱負(fù)荷或供熱能耗；負(fù)值表示冷負(fù)荷或供冷能耗。圖4 恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)全年負(fù)荷及能耗

在實(shí)驗(yàn)室全年基本維持恒溫恒濕工況下，全年最大冷負(fù)荷為208 kW，最大熱負(fù)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(shè)置新型熱回收系統(tǒng)后，其最大冷負(fù)荷降低為164 kW，最大熱負(fù)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(dá)到65%，效益非?？捎^。而在系統(tǒng)設(shè)置中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室外工況處于黃色點(diǎn)、紅色點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)還需要額外補(bǔ)熱，因此在空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)置中仍然需要采用四管制系統(tǒng)，而補(bǔ)熱熱源的設(shè)置也是必需的。

但是對(duì)于普通實(shí)驗(yàn)室，并沒(méi)有全年恒溫恒濕的需求，如果只是為了避免夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)室內(nèi)出現(xiàn)大面積結(jié)露的情況，采用這一新型熱回收系統(tǒng)能否有效解決呢？筆者對(duì)同樣的實(shí)驗(yàn)室考慮了第2種運(yùn)行工況，即每年夏季運(yùn)行5個(gè)月(5月15日至10月14日)，冬季運(yùn)行3個(gè)月(12月1日至次年2月28日)。其他季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)停止運(yùn)行，因而不考慮空調(diào)能耗。在實(shí)際運(yùn)行的8個(gè)月中，每天空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行8 h，即從09:00運(yùn)行至17:00。部分時(shí)間運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)的全年熱回收表現(xiàn)和負(fù)荷及能耗如圖5、6所示。

圖5 部分時(shí)間運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)的全年熱回收情況

注：正值表示熱負(fù)荷或供熱能耗；負(fù)值表示冷負(fù)荷或供冷能耗。圖6 部分時(shí)間運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)的全年負(fù)荷及能耗

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，由于過(guò)渡季空調(diào)系統(tǒng)停止運(yùn)行，所以圖3中的紅色點(diǎn)和黃色點(diǎn)在圖5中消失了，在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的所有時(shí)間里，新型熱回收系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)室全年僅供冷季、供熱季的工作時(shí)間開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)，其全年最大冷負(fù)荷仍為208 kW，最大熱負(fù)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(tǒng)后，其最大冷負(fù)荷同樣降低為164 kW，最大熱負(fù)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(yùn)行的系統(tǒng)，總體回收的能量絕對(duì)值雖然降低了，但熱回收率反而有所提升。

最關(guān)鍵的是，系統(tǒng)完全沒(méi)有補(bǔ)熱熱源的需求了，利用回收的能量進(jìn)行再熱已經(jīng)完全可以滿足實(shí)驗(yàn)室在夏季運(yùn)行時(shí)對(duì)室內(nèi)濕度進(jìn)行控制的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)普通實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，設(shè)置新型熱回收系統(tǒng)后，不但可以回收部分能量，減少實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)系統(tǒng)的冷負(fù)荷，而且能有效解決夏季空調(diào)送風(fēng)后的再熱熱源問(wèn)題，在降低實(shí)驗(yàn)室能耗的基礎(chǔ)上避免了室內(nèi)出現(xiàn)大量結(jié)露的現(xiàn)象。

當(dāng)然，對(duì)于這種系統(tǒng)的設(shè)置，在不同氣候條件下還需要進(jìn)行更加深入、具有針對(duì)性的分析，不能一概而論，譬如對(duì)有恒溫恒濕需求的系統(tǒng)，仍然需要采用四管制的空調(diào)系統(tǒng)，也仍然需要額外的再熱熱源。同時(shí)在新型熱回收系統(tǒng)的設(shè)置上也需要增加一些精確的控制元件和控制系統(tǒng)，對(duì)排風(fēng)、新風(fēng)系統(tǒng)的熱回收盤(pán)管的換熱量進(jìn)行精確的控制，因此這種系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的要求是比較高的。

但這種系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)還是有一定意義的，在降低能耗的同時(shí)可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的構(gòu)成，在實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中可以給建設(shè)方、設(shè)計(jì)方提供一個(gè)較好的、更多樣性的選擇。