基于太陽能的新風(fēng)雙級處理模塊化節(jié)能墻

劉忠寶, 韋自妍, 劉梓宸

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部, 北京 100124)

當(dāng)前我國社會高速發(fā)展,能源需求較大,化石能源儲備供不應(yīng)求,而太陽能作為清潔安全的可再生能源,有較好的應(yīng)用前景。隨著太陽能光伏產(chǎn)品成本和價格的不斷下降,太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到大規(guī)模廣泛應(yīng)用[1-5]。

裝配式建筑是指把傳統(tǒng)建造方式中的大量現(xiàn)場作業(yè)工作轉(zhuǎn)移到工廠進行[6-8]。作為建筑工業(yè)化的發(fā)展重心,裝配式建筑已經(jīng)發(fā)展到了一個較為成熟的階段,為發(fā)展資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會提供了保障。2019年全國新開工裝配式建筑4.2億m2,較2018年增長45%,占新建建筑面積的約13.4%。作為其配套產(chǎn)業(yè),2017年裝配式建筑及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)總行業(yè)規(guī)模達到5 333億元。但目前相關(guān)配套的適用于單個房間的熱回收新風(fēng)系統(tǒng)在市面上的產(chǎn)品還比較缺乏。

我國面臨嚴(yán)峻的室內(nèi)環(huán)境污染問題,其主要來源是室內(nèi)劣質(zhì)建材和家居導(dǎo)致的裝修污染。而人們有90%以上的時間在建筑中度過,室內(nèi)環(huán)境直接影響著人體健康?？紤]室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),每人需要的最小新風(fēng)量應(yīng)達到30 m3/h。良好的建筑通風(fēng)將室外新鮮空氣引入并排出室內(nèi)污染,是解決室內(nèi)環(huán)境污染的重要途徑之一。建筑通風(fēng)的手段主要分為自然通風(fēng)和機械通風(fēng)。自然通風(fēng)通過直接開窗,被動地使自然氣流進入室內(nèi)環(huán)境;機械通風(fēng)則通過機械系統(tǒng)主動地引入室外空氣。然而從大量工程實例可以知道, 空調(diào)為處理新風(fēng)所需能耗大致要占到總能耗的30%～50%[9],直接影響了整個冬季和夏季空調(diào)系統(tǒng)能耗效率,也極大地增加了冬季供暖能耗,浪費資源。

目前采用機械設(shè)備的新風(fēng)系統(tǒng)主要有中央新風(fēng)系統(tǒng)、柜式新風(fēng)系統(tǒng)、壁掛式新風(fēng)系統(tǒng)和窗式新風(fēng)系統(tǒng)[10-12]。目前普遍的中央新風(fēng)系統(tǒng)以及柜式新風(fēng)系統(tǒng)都適用于較大面積的室內(nèi)且價格昂貴,不適用于一般家庭。

目前的壁掛式新風(fēng)系統(tǒng)和窗式新風(fēng)系統(tǒng)大部分都是單向流新風(fēng),沒有熱交換,缺乏對新風(fēng)熱量的回收。因此在冬夏季為了保證室內(nèi)溫度,空調(diào)負(fù)荷將大大增加。采用電輔熱的壁掛新風(fēng)系統(tǒng),即便控制了送風(fēng)的溫度,同樣也增加了電量的消耗。參考德國某品牌的壁掛式新風(fēng)系統(tǒng)價格在4 300～5 800元,窗式新風(fēng)系統(tǒng)價格在1 980～3 980元,安裝費另行計算,整體花費昂貴。

雷小慧[13]通過計算比較了北方寒冷地區(qū)和冬冷夏熱地區(qū)供冷季節(jié)房間開窗自然新風(fēng)、機械新風(fēng)系統(tǒng)通入新風(fēng)的能耗,得出在保證室內(nèi)新風(fēng)需求量的前提下,采用有熱回收新風(fēng)系統(tǒng)方式能耗較低,且?guī)э@熱回收的新風(fēng)系統(tǒng)能耗最低。He等[14]用光伏發(fā)電驅(qū)動熱電片工作,夏季用冷端為房間空氣降溫,同時熱端對水加熱作為生活用水;冬季改變熱電片兩端電流方向,實現(xiàn)熱電片冷熱端互換,熱端為室內(nèi)空氣加熱。簡而言之,目前市面上適用于單獨房間的帶熱回收的新風(fēng)機組還比較缺乏,發(fā)展比較成熟的光伏熱電技術(shù)結(jié)合新風(fēng)系統(tǒng)使用能取得良好效果。

相較于常規(guī)的制冷方式,熱電制冷具有無運動部件、無須制冷劑、環(huán)保性能良好的多方面優(yōu)勢。而太陽能光伏熱電制冷系統(tǒng)采用可再生能源光伏發(fā)電直接驅(qū)動熱電制冷系統(tǒng),實現(xiàn)光伏發(fā)電即發(fā)即用,具有零能耗的節(jié)能優(yōu)勢。光伏熱電制冷熱回收技術(shù)有廣泛的應(yīng)用前景,近年來國內(nèi)外研究人員在該方面有一定的研究成果。王喜良[15]設(shè)計了一種主動進行余熱回收的光伏光電熱回收系統(tǒng),在冬季對新風(fēng)實現(xiàn)2次熱回收并采用電暖器和空調(diào)制冷模式穩(wěn)定室內(nèi)溫度,有效地改善室內(nèi)舒適性。孟方芳[16]設(shè)計了一種光伏熱電新風(fēng)機,利用光伏熱效應(yīng)在冬季提高新風(fēng)的溫度,節(jié)能環(huán)保。

目前關(guān)于光伏新風(fēng)處理的研究大多具有系統(tǒng)本身安裝困難、占地空間大等缺點,對于太陽能光伏熱電新風(fēng)處理節(jié)能墻體的研究還未涉及。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國建筑行業(yè)對于建筑工程施工技術(shù)的要求也日漸提升。在設(shè)計與建設(shè)建筑工程環(huán)節(jié),靈活運用新型建筑節(jié)能墻體,可實現(xiàn)建筑工程節(jié)能環(huán)保并降低成本。本文設(shè)計的一種光伏新風(fēng)雙級處理的模塊化節(jié)能墻體,在節(jié)約能耗的同時更易于安裝,具有一定的研究價值。

該墻體基于熱回收技術(shù)與熱電制冷制熱效應(yīng),為室內(nèi)引入全新風(fēng),并實現(xiàn)對新風(fēng)的雙級處理,對新風(fēng)預(yù)熱(預(yù)冷),提高(降低)送風(fēng)溫度,改善室內(nèi)空氣品質(zhì),保證室內(nèi)新風(fēng)量,有益于人們的身心健康。本裝置改進了一般新風(fēng)系統(tǒng)的空氣能量回收裝置,深度回收新風(fēng)帶入室內(nèi)的熱量,顯著降低新風(fēng)能耗以及供暖能耗。整體設(shè)備的驅(qū)動力來源于光伏發(fā)電,對環(huán)境無污染,具有良好的節(jié)能減排效果。該節(jié)能墻適用于裝配式建筑,不占室內(nèi)空間,大幅度節(jié)省傳統(tǒng)設(shè)備的占地面積,具有良好的推廣前景和使用價值,可以帶來良好的社會效益。

1 新風(fēng)雙級處理模塊化節(jié)能墻方案設(shè)計

1.1 理論分析計算

新風(fēng)雙級處理模塊化節(jié)能墻的設(shè)計工況如表1所示,選取北方地區(qū)夏季和冬季平均室內(nèi)溫度和室外溫度作為設(shè)計工況。

表1 新風(fēng)雙級處理模塊化節(jié)能墻設(shè)計工況Table 1 Design conditions of modular energy-saving wall with two-stage fresh air treatment ℃

1.1.1 風(fēng)機選型

根據(jù)人均舒適新風(fēng)量30 m3/h,一個適用于三人空間的新風(fēng)量應(yīng)不小于90 m3/h。由此可計算出送風(fēng)與排風(fēng)風(fēng)機風(fēng)量應(yīng)不小于1.5 m3/min。為匹配熱電制冷片的工作電壓選擇其工作電壓為12 V。所選風(fēng)機具體參數(shù)見表2。

表2 設(shè)備主要構(gòu)件參數(shù)Table 2 Parameters of main components of equipment

1.1.2 新風(fēng)第1級處理

根據(jù)制冷設(shè)計工況,計算可得新風(fēng)出口溫度26.9 ℃,排風(fēng)出口溫度27.0 ℃,新風(fēng)壓力損失5 Pa,排風(fēng)出口壓力損失5 Pa;根據(jù)制熱設(shè)計工況,計算可得新風(fēng)出口溫度9.8 ℃,排風(fēng)出口溫度10.6 ℃,新風(fēng)壓力損失5 Pa,排風(fēng)出口壓力損失5 Pa。

1.1.3 新風(fēng)第2級處理

熱電制冷片選取TEC1-12715,該制冷片的具體參數(shù)見表2。

夏季制冷工況下,根據(jù)夏季平均工況,室外溫度30 ℃,室內(nèi)溫度24 ℃。算得通過換熱器后空氣溫度tf=27 ℃,換熱器壁面溫度tw=-10 ℃,空氣流速v=3.6 m/s,換熱器管長l=0.077 4 m。可得雷諾數(shù)Ref為

(1)

根據(jù)物性表得Prf=0.702,溫差修正系數(shù)ct=1,空氣導(dǎo)熱系數(shù)λf=0.026 3 W/(m·K),傳熱系數(shù)h

計算式為

(2)

根據(jù)肋片規(guī)格可知肋高遠(yuǎn)大于肋厚,肋片效率ηf計算式為

(3)

(4)

(5)

式中:Hc為修正肋高;δ為肋厚;H為肋高。算得肋片效率ηf=92.31。

由熱電制冷片規(guī)格可得實際制冷量φf計算式為

φf=60%φmηf=73.8 W

(6)

式中:φm為熱電制冷片理論制冷量,由表2可知φm=133.35 W。

假定管道內(nèi)無流動損失管道與外界絕熱,制冷工況下經(jīng)過第2級處理的溫度變化Δt(℃)計算式為

(7)

式中:cp為空氣定壓比熱容;ρ為空氣密度;Q1為夏季制冷工況下的換熱量。

冬季制熱工況下,根據(jù)冬季平均工況,室外溫度-10 ℃,室內(nèi)溫度20 ℃。算得通過換熱器后tf=6 ℃,tw=60 ℃,v=3.6 m/s,l=0.077 4 m。

假定管道內(nèi)無流動損失管道與外界絕熱,制熱工況下經(jīng)過第2級處理的溫度變化Δt(℃)計算式為

(8)

式中Q2為冬季制熱工況下的換熱量

1.2 設(shè)計流程

本項目將設(shè)計一種以太陽能為能量來源的對新風(fēng)進行雙級處理的模塊化節(jié)能墻體。該設(shè)備單體適用于兩人活動的約20 m2空調(diào)房間,新風(fēng)風(fēng)量不小于60 m3/h。設(shè)備主體總厚度345 mm,與一般建筑外墻相當(dāng)。該節(jié)能墻直接嵌在墻體中,白天在充足的太陽能輻射下,太陽能電池板為蓄電池組和通風(fēng)管道供電,晚上蓄電池組把白天儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,為通風(fēng)管道供電。新風(fēng)系統(tǒng)通過驅(qū)動第一級熱交換器和第二級熱電制冷熱泵系統(tǒng)對室外新風(fēng)進行雙級處理,滿足室內(nèi)通風(fēng)換氣需求的同時,為室內(nèi)通入溫度適宜且潔凈的新風(fēng)。系統(tǒng)通過控制面板進行控制,實現(xiàn)冬季、夏季、春秋3種不同模式運轉(zhuǎn)。

本設(shè)計由3個部分組成,第1部分為太陽能側(cè)外墻;第2部分為內(nèi)外墻之間的墻體;第3部分為用戶側(cè)內(nèi)墻。節(jié)能墻三視圖如圖1所示。

1—室外新風(fēng)進風(fēng)口; 2—室內(nèi)回風(fēng)出風(fēng)口; 3—太陽能光伏板; 4—真空絕熱板; 5—控制面板; 6—蓄電池; 7—太陽能充放電控制器; 8—新風(fēng)過濾器; 9—風(fēng)閥; 10—第2級新風(fēng)再處理裝置; 11—第1級新風(fēng)處理裝置; 12—新風(fēng)風(fēng)機; 13—通風(fēng)管道; 14—回風(fēng)風(fēng)機; 15—室外新風(fēng)出風(fēng)口; 16—室內(nèi)回風(fēng)進風(fēng)口。圖1 節(jié)能墻三視圖Fig.1 Three views of energy-saving wall

1.2.1 太陽能側(cè)外墻

太陽能側(cè)外墻裝有額定功率450 W的單晶硅太陽能電池板。為了提高太陽能光伏發(fā)電的能力,選擇將模塊墻面分布在建筑的西面和南面,并根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H太陽輻射情況選擇最佳傾斜角,提高輻射量。太陽能電池板晝間產(chǎn)生的電能為通風(fēng)管道和蓄電池提供電能。

1.2.2 內(nèi)外墻之間的墻體

內(nèi)外墻之間的墻體由通風(fēng)管道和蓄電池組成。通風(fēng)管道承載風(fēng)機、新風(fēng)濾網(wǎng)、第1級熱交換器和第2級熱電制冷熱泵系統(tǒng)。不同工況下通風(fēng)管道空氣處理流程原理如圖2所示。

圖2 空氣處理流程Fig.2 Air handling flow chart

在新風(fēng)側(cè),通過新風(fēng)風(fēng)機從室外引入的新風(fēng)經(jīng)過新風(fēng)濾網(wǎng)過濾后與室內(nèi)引出的回風(fēng)經(jīng)過第1級熱交換器進行熱交換,得到溫度適中的新風(fēng)。經(jīng)過熱交換之后的室外新風(fēng)再通過第2級熱電制冷熱泵系統(tǒng)升溫或降溫,實現(xiàn)雙級處理,為室內(nèi)通入溫度適宜的新風(fēng)。

在回風(fēng)側(cè),通過回風(fēng)風(fēng)機從室內(nèi)引出的回風(fēng)經(jīng)過濾網(wǎng)后與室外引入的新風(fēng)經(jīng)過熱交換器進行熱交換,經(jīng)過熱交換之后的室內(nèi)回風(fēng)再經(jīng)過熱電制冷熱泵系統(tǒng)帶走熱電制冷熱泵系統(tǒng)的廢熱(廢冷),最后排出室外,以保證熱電制冷熱泵系統(tǒng)運行的制冷制熱效率。

新風(fēng)風(fēng)機和回風(fēng)風(fēng)機均選擇軸流風(fēng)機。第1級熱交換器采用叉流式板翅式空氣-空氣熱交換器。新風(fēng)與回風(fēng)在板翅式換熱器中進行熱量交換,有效利用房間內(nèi)的能量,初步降低引入新風(fēng)帶來的新風(fēng)負(fù)荷。第2級熱電制冷熱泵系統(tǒng)選用2片TEC1-12715熱電制冷片搭配兩端的散熱片構(gòu)成熱電制冷裝置,為新風(fēng)加熱或降溫。熱電制冷制熱具有無噪聲、無振動、體積小等特點。兩端制冷制熱方向取決于電壓方向,故可以通過進行電壓換向來滿足,不需要改變風(fēng)道或風(fēng)的流動路徑以實現(xiàn)冬夏2種不同工況的目的。熱電制冷制熱片對散熱的要求較高,因此設(shè)計的回風(fēng)側(cè)排出的回風(fēng)正好可以在夏季帶走熱電制熱制冷片熱端的熱量。

在進入熱交換器之前,兩側(cè)風(fēng)道由一層鋁板分隔并保證互不摻混,利用鋁的高導(dǎo)熱率,提高一級處理部分的總體的換熱效率。在熱交換器之后分為2條管道,2條管道之間做保溫材料的填充,保證2條管道的溫度不相互影響。

裝置中新風(fēng)過濾器采用H12級別HEPA過濾器,該HEPA過濾器對大于等于0.3 μm顆粒的過濾效率在99.9%以上,由此保證引入室內(nèi)新風(fēng)的空氣質(zhì)量,也能保護通風(fēng)管道內(nèi)的設(shè)備。蓄電池組由蓄電池和太陽能充放電控制器組成,白天依靠太陽能電池板為其充電,夜晚或者無陽光的時候靠其為通風(fēng)管道供電。太陽能充放電控制器用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中,控制多路太陽能板對蓄電池充電和蓄電池給負(fù)載供電的自動控制設(shè)備供電。蓄電池選用 100 A·h 鉛酸蓄電池,在夜晚和無陽光時為設(shè)備供電。

1.2.3 用戶側(cè)內(nèi)墻

用戶側(cè)內(nèi)墻設(shè)置有控制面板與維修口。控制面板保證用戶可以方便地對墻體運行進行控制,通過按鈕開關(guān)控制風(fēng)機開啟關(guān)閉,加入單片機設(shè)備滿足連接智能設(shè)備(如手機、電腦)控制風(fēng)量大小,通過撥動開關(guān)調(diào)節(jié)熱電制冷熱泵系統(tǒng)制冷、制熱和關(guān)閉,實現(xiàn)冬季、夏季、春秋季3種不同模式運轉(zhuǎn)。維修口用于進行檢修以及設(shè)備更換。

1.3 儲能部分的設(shè)計

按照全國部分城市每日平均日照時間為3.2～5.5 h,輸出功率為450 W,太陽能板的實際使用功率約為70%,可得單日實際輸出電能為1 008～1 732.5 W·h。

根據(jù)選型可得2臺風(fēng)機在60 m3/h風(fēng)量下功率約為25 W,熱電制冷制熱片額定制冷功率約為266.7 W,整機耗電功率為291.7 W。故在冬夏開啟雙級處理時可單日工作時間為3.5～5.9 h。在春秋季只開一級處理時可以全天為室內(nèi)引入舒適新風(fēng)。

1.4 樣機主體及性能參數(shù)

完成所有部分的選型后進行了設(shè)備的組裝,設(shè)備外觀見圖3,通風(fēng)管道內(nèi)部見圖4,設(shè)備主體及主要構(gòu)件參數(shù)見表2。

圖3 設(shè)備外觀Fig.3 Equipment appearance drawing

圖4 通風(fēng)管道內(nèi)部Fig.4 Internal drawing of ventilation duct

1.5 實驗測量儀器

文中實驗所用儀器分別為風(fēng)速儀和溫度數(shù)據(jù)采集模塊。詳細(xì)參數(shù)如表3所示。

表3 實驗儀器參數(shù)Table 3 Parameters of experimental instrument

2 實驗及結(jié)果分析

2.1 實驗方案及實驗場地

利用焓差室進行兩室法的實驗[17],測試了新風(fēng)雙級處理模塊化節(jié)能墻在冬季夏季額定性能實驗工況下(見表4)及其他工況下的熱回收性能。主要測量風(fēng)道內(nèi)部新風(fēng)的溫度變化,以評估在額定工況下第1級熱交換器和第2級熱電制冷熱泵系統(tǒng)的新風(fēng)處理效果。風(fēng)道部分設(shè)置有6個溫度傳感器進行數(shù)據(jù)采集,分別檢測新風(fēng)進口溫度、新風(fēng)經(jīng)過一級處理的溫度、新風(fēng)經(jīng)過雙級處理進入室內(nèi)的溫度、回風(fēng)進口溫度、回風(fēng)經(jīng)過一級處理的溫度、回風(fēng)經(jīng)過雙級處理排出室外的溫度。

表4 額定性能實驗工況Table 4 Test conditions of rated performance ℃

在夏季與冬季不同室內(nèi)外溫度的工況下,測量對新風(fēng)只進行一級處理和雙級處理下的新風(fēng)出口溫度,并對2種情況進行數(shù)據(jù)分析,對比2種模式下新風(fēng)機組的熱回收性能。

2.2 夏季額定工況60 m3/h風(fēng)量冷量回收實驗分析

圖5闡明了新風(fēng)經(jīng)過一級處理后的溫度始終穩(wěn)定在30.7 ℃附近。新風(fēng)經(jīng)過雙級處理后的溫度隨著時間的增長逐漸下降,在250 s后逐漸趨于穩(wěn)定,溫度在28.6 ℃左右。

圖5 夏季室外35 ℃、室內(nèi)27 ℃時新風(fēng)溫度變化曲線Fig.5 Temperature curve of outdoor air at 35 ℃ and indoor air at 27 ℃ in summer

顯熱交換效率ηwd的計算公式為

ηwd=(tOA-tSA)/(tOA-tRA)×100%

(9)

式中:tOA為新風(fēng)進口空氣的干球溫度,℃;tSA為送風(fēng)出口空氣的干球溫度,℃;tRA為回風(fēng)進口空氣的干球溫度,℃;ηwd為顯熱交換效率,以百分?jǐn)?shù)表示。

經(jīng)計算可得只有新風(fēng)一級處理時系統(tǒng)顯熱交換效率ηwd1為

ηwd1=4.207/7.22=58.2%

當(dāng)對新風(fēng)進行雙級處理時的顯熱交換效率ηwd2為

ηwd2=6.259/7.22=86.7%

對比一級處理,雙級處理的效率提高了

Δηwd=ηwd2-ηwd1=86.7%-58.2%=28.5%

2.3 冬季額定工況60 m3/h風(fēng)量熱量回收實驗分析

圖6闡明了新風(fēng)經(jīng)過一級處理后的溫度始終穩(wěn)定在12.7 ℃附近。

圖6 冬季室外2 ℃、室內(nèi)21 ℃時新風(fēng)溫度變化曲線Fig.6 Temperature curve of outdoor air at 2 ℃ and indoor air at 21 ℃ in winter

圖6指出新風(fēng)經(jīng)過雙級處理后的溫度隨著時間的增長逐漸上升,在450 s后逐漸趨于穩(wěn)定,溫度在17.2 ℃左右。

經(jīng)計算可得只有新風(fēng)一級處理時系統(tǒng)顯熱交換效率ηwd1為

ηwd1=9.942/18.866=52.7%

當(dāng)對新風(fēng)進行雙級處理時的顯熱交換效率ηwd2為

ηwd2=14.9/18.866=79%

對比一級處理,雙級處理的效率提高了

Δηwd=ηwd1-ηwd2=79%-52.7%=26.3%

2.4 夏季其他工況下60 m3/h風(fēng)量冷量回收實驗分析

圖7、8、9分別為夏季室外32、37、40 ℃下風(fēng)量60 m3/h時的新風(fēng)溫度變化曲線。從圖7、8、9得出在250 s后,經(jīng)過雙級處理后的新風(fēng)溫度趨于穩(wěn)定。

圖7 夏季室外32 ℃、室內(nèi)27 ℃時新風(fēng)溫度變化曲線Fig.7 Temperature curve of outdoor air at 32 ℃ and indoor air at 27 ℃ in summer

圖8 夏季室外37 ℃、室內(nèi)28 ℃時新風(fēng)溫度變化曲線Fig.8 Temperature curve of outdoor air at 37 ℃ and indoor air at 28 ℃ in summer

圖9 夏季室外40 ℃、室內(nèi)28 ℃時新風(fēng)溫度變化曲線Fig.9 Temperature curve of outdoor air at 40 ℃ and indoor air at 28 ℃ in summer

從圖7、8、9中還可以得出與一級處理相比,雙級處理無論在極端工況下還是在普通工況下都有效地提升了換熱效率。

2.5 實驗結(jié)果分析

前文所述實驗各溫度工況總結(jié)為表5。表6為實驗所得數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)對比。理論計算設(shè)計工況是根據(jù)夏季平均工況所得,實際工況與理論工況不同,故結(jié)果存在一定的差距。

表5 各溫度工況說明Table 5 Description of each temperature condition ℃

表6 實驗數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)對比Table 6 Comparison between experimental data and theoretical calculation data ℃

表6的數(shù)據(jù)表明,夏季制冷工況下理論結(jié)果與實際平均結(jié)果差距較小,而冬季工況的實驗結(jié)果與理論結(jié)果有一定差距。分析原因為環(huán)境溫度較低導(dǎo)致熱電制冷片有一定的熱量損失。綜合實驗結(jié)果,由于本裝置零能耗,且對新風(fēng)有一定的熱回收作用,起到良好的節(jié)能減排的作用。

表7為各溫度工況下雙級處理效率情況。實驗研究表明,在新風(fēng)風(fēng)量為60 m3/h時,夏季額定工況下顯熱交換效率可達86.7%,冬季額定工況下的顯熱交換效率可達79.0%。從夏季工況數(shù)據(jù)中可以看出,當(dāng)天氣越極端時雙級熱交換效率越低,但只要天氣不過于極端,雙級處理都可以保障良好的熱回收效率。

表7 各溫度工況下雙級處理效率情況Table 7 Two-stage treatment efficiency under different temperatures

由表7可得夏、冬季工況下雙級處理的顯熱交換效率在67.2%～86.7%。對比一級處理,雙級處理效率提升12.9%～28.5%。由此表明加入第2級熱電制冷熱泵系統(tǒng)對新風(fēng)進行雙級處理有良好的深度熱回收效果。在室內(nèi)室外溫差較大時存在熱交換效率有所降低的問題,是由于夏季室外溫度較高時,不利于熱電制冷片散熱,從而使熱電制冷片溫度冷端溫度偏高,使得第2級熱交換效率降低。

表8為各溫度工況下各級換熱量分析,其中第1級處理換熱量為Q1(熱交換器換熱量),第2級處理換熱量為Q2(熱電制冷制熱量)。換熱量計算式為

表8 各溫度工況下各級換熱量分析Table 8 Analysis of heat exchange at all levels under various temperatures kJ

Q=cpmΔT

(8)

(9)

表9為結(jié)合雙級排風(fēng)溫度分析計算得到的熱電制冷(制熱)材料效率。通過計算可知,在夏季制冷工況下熱電材料的制冷效率最高為24.6%,冬季制熱工況下熱電材料的制熱效率為24.1%。

表9 熱電材料制冷(制熱)效率Table 9 Cooling (heating) efficiency of thermoelectric materials %

3 可行性與經(jīng)濟性分析

3.1 可行性分析

本項目通過對新風(fēng)的雙級處理,進一步減小新風(fēng)與室內(nèi)環(huán)境溫差。對現(xiàn)在一般的新風(fēng)設(shè)備進行了改進,并使之適應(yīng)裝配化的建筑行業(yè)工業(yè)化趨勢。本設(shè)計具有模塊化特點,出廠時直接做好,根據(jù)房間的大小選擇裝配數(shù)量,根據(jù)建筑地理位置與戶型選擇裝配方向,與建筑一體化生產(chǎn),故有較為可觀的市場前景。對于非裝配式建筑的應(yīng)用需在裝修前做好相關(guān)計劃或者單獨將熱電制冷熱泵系統(tǒng)與吊裝新風(fēng)機組進行結(jié)合使用。

目前該設(shè)備單體可應(yīng)用于兩人活動的約20 m2的空調(diào)房間,平均每日可工作4～6 h,新風(fēng)風(fēng)量約為每小時不小于60 m3,夏季制冷工況下,送風(fēng)溫度為28～31 ℃。冬季制熱工況下,送風(fēng)溫度在12～20 ℃。假定在夏季及冬季工況下與房間空調(diào)器共同使用,由于新風(fēng)耗能約占空調(diào)設(shè)備耗能40%,根據(jù)顯熱交換效率,由公式

η=ηwd×40%=34.7%

(10)

計算可得,本項目約可減少空調(diào)設(shè)備耗能η的34.7%。

冬季制熱工況下,研究表明[18]當(dāng)顯熱熱回收裝置回收效率達到70%時, 就可以使供暖能耗降低40%～50%。本設(shè)計在冬季工況下的顯熱交換效率可達79.0%,高于70%。由此可說明本項目在冬季供暖地區(qū)大力推廣將獲得良好的節(jié)能減排效果。

3.2 經(jīng)濟性分析

根據(jù)文獻[19]中年平均單位面積空調(diào)耗電量為9.19 kW·h/m2,計算可得一年單個設(shè)計房間可以節(jié)省空調(diào)耗電w=63.8 kW·h。若按一年運行D=365天,電費c=0.6元/(kW·h)考慮,一年運行節(jié)省的電費C為

C=D·c·w

(11)

計算可知運行一年可節(jié)省電費13 972.2元。本文所述的光伏新風(fēng)處理墻體的加工成本包括熱電材料、太陽能板、管道等共計約為2 500元,將該墻體應(yīng)用到生產(chǎn)生活中具有明顯的成本節(jié)約,不僅有利于保障住宅內(nèi)人類健康生活,又有良好的節(jié)能減排效果。

若全國近3年新建裝配式建筑全部換上該設(shè)備一年可節(jié)省43.2億度電。小浪底水利樞紐年發(fā)電量51億kW·h,該設(shè)備一年夏季節(jié)約電量約相當(dāng)于0.85個小浪底水利樞紐年發(fā)電量。因此具有很好的經(jīng)濟和社會效益。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于太陽能的新風(fēng)雙級處理模塊化節(jié)能墻,分析了該節(jié)能墻的應(yīng)用前景并對節(jié)能墻的性能進行了測試,得到了如下結(jié)論:

1) 該裝置夏季為新風(fēng)降溫,顯熱交換效率可達86.7%,冬季為新風(fēng)升溫,顯熱交換效率可達79.0%,對比于只采用一級處理的顯熱交換效率有了26%～28%的提升,實現(xiàn)了對新風(fēng)的深度熱回收,有效地提高能量利用率。

2) 本裝置節(jié)能環(huán)保零能耗,應(yīng)用在單個設(shè)計房間可節(jié)省空調(diào)耗電63.8 kW·h,可起到良好的節(jié)能減排的作用。并且成本較低且可模塊化生產(chǎn),有良好的經(jīng)濟效益。

3) 由于夏季光伏發(fā)熱對制冷效果的影響,在制冷工況下,對房間空調(diào)器的輔助效果并沒有制熱工況下效果明顯。在以后的研究中將對裝置進行改進,通過在光伏發(fā)電模塊后設(shè)置室外新風(fēng)通道,對余熱進行回收。夏季可將該部分熱量通過排風(fēng)直接排出,達到散熱的目的;冬季則利用該部分熱量加熱部分新風(fēng),提高裝置效率。