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排风热回收系统设计方法研究The Way to Design a Good Air-to-Air Energy Recovery Ventilation System中国建筑科学研究院 孙宁摘要 本文提出排风热回收系统的设计方法，讨论如何计算可供热回收的排风量、节能收益，以及热回收装置的选型方法。关键词： 空气热回收，设计方法Abstract: This paper provides the design method of air-to-air energy recovery ventilation system, with discussing the ways to calculate the recoverable exhaust air volume, benefit of energy recovery and how to specify the heat recovery exchanger.Key Words: air-to-air energy recovery, design method随着用户节能意识的提升，越来越多地被公共建筑采用排风热回收系统对排风中的冷热湿进行回收再利用。而且，国家和地方先后颁布实施了一些节能设计标准和规范，如GB50189-2005公共建筑节能设计标准第5.3.14规定：“建筑物设有集中排风系统且符合下列之一时，宜设置排风热回收装置”。北京地方标准DBJ01-621-2005公共建筑节能设计标准更进一步对各种系统形式做出了具体要求。这些标准成为排风热回收技术应用的重要推手之一。但是，单纯为了用而用，或仅仅为满足规范要求而设计的节能系统，很可能曲解国家标准的初衷，很可能造成误用，导致日后运行问题，甚至反而增加能耗。部分建筑用户和设计人员1已经开始质疑，花这么多钱买的节能设备有意义吗？笔者认为，设计者首先应该确定是可供回收的排风量有多少，判断是否适合安装热回收系统；然后要计算节能量和进行投资回收期分析，判断是否值得安装热回收系统；最后，确定热回收装置的效率等技术要求，并且为了实现设计意图，还要结合用户的施工和物业水平提供切实可操作的安装和运行的技术措施。1. 可回收排风量排风有两种形式：一为有组织的排风，即采用排风口和排风道进行的排风；二是房间向外渗出的“无组织”排风。只有有组织排风才是可以被回收的，无组织排风是无法热利用的。无组织渗出风并非没有用处，文献3的作者指出必要的建筑物渗出风对保持室内正压、防止未经处理的室外风侵入室内是必需的。无组织渗出比无组织渗入要节能，因为从门窗空洞渗入的室外风是未经过滤和热湿处理的，这些风量会增加系统的冷热负荷、污染室内空气。所以，新风量不能比正压需求渗出风量小，只有比所需渗出风量大的部分，才有可以被回收利用。那么，如何计算维持必要正压所需要的渗出风量呢？当确定室内正压值后，如果知道建筑门窗的阻力系数和缝隙（空洞）的面积，我们就可以计算出房间向室外渗出风量。下面算式为缝隙风速的计算方法：V = 2P / ()其中：V - 门窗缝隙流速，m/s；P - 室内正压，Pa； - 空气密度，kg/ m3； - 门窗缝隙空洞的阻力系数。以一层200人的办公室为例，面积2500 m2，高2.7 m，门缝加窗缝的面积为1.6 m2，设室内对室外压差为5 Pa，缝隙阻力系数为5.0，则缝隙处风速为1.29 m/s，渗风量为7400 m3/h。如果人均新风量为30 m3/h，则总新风量才6000 m3/h。那么，就没有可供回收的排风风量了，反而要提高新风量。GB50019-2003采暖通风与空气调节设计规范也指出为保证室内510Pa的压差，需要的新风量约为11.5次换气次数。一些新风加风机盘管系统的新风量仅占循环风的15%左右，也就1次换气左右，仅够维持建筑正压。所以，北京市地方节能设计标准对风机盘管加新风系统要求设排风热回收装置的规定是值得商榷的。2. 回收装置的性能热回收装置的性能有了重要参数，一个是效率，另外一个是压降。前者关乎节能量，后者关乎节能的代价-风机电耗的增加。前面的例子已经说明装置的回收效率对节能量和投资回收期影响很大。本文所指的效率是指美国ARI Standard 1060-2005 Performance Rating of Air-to-Air Exchangers for Energy Recovery Ventilation Equipment中的C1 Effectiveness。它的定义如下： = ms(X1-X2) / mmin(X1-X3)其中，ms - 新风流量；mmin - 新风和排风流量中的最小值；X1 - 新风的焓、温度或含湿量；X2 - 送风的焓、温度或含湿量；X3 - 排风的焓、温度或含湿量。比如，对于通常的排风量小于新风量系统，全热节能量的计算就是用效率乘以室内外焓差。热回收换热装置的厂家一般都可以提供电脑选型单，上面会有冬夏两个工况的显热、潜热和全热效率值，显热和潜热的回收效率往往是不同的，有的差异还很大。在选型时，设计者需要留意热回收效率随温度的变化，部分厂家的全热转轮显热效率可以达到50%以上，而冬夏季节潜热效率变化比较大，夏季只有1020%，冬季达到2040%，还没有能够“达标”。（导致潜热效率变化的原因可能是它们的涂层材质与所通过的空气温度有关系。）第二个重要参数是装置的压降。压力损失导致的风机功耗增加会削减部分节能收益，因此必须重视压降，而且是在新风侧和排风侧都有压降。减小压降可以减少风机电费损耗。然而，降低压降的办法主要有两个：增加迎风面积；减小装置的厚度。前者会增加造价，甚至尺寸过大；后者会降低效率。提高所选设备的效率可以提高节能量，但是往往要多花钱，高效率设备的压降可能也要增加，所以设备选型是个通过试算反复优化参数的过程。3. 节能量的计算与节能评价室内外温度差、含湿量差和回收系统的效率决定了节能量的大小。在计算节能量时，应该注意如下两个问题：（1） 冬夏室外设计温湿度与室内设计参数的差最大，但是全年中这种工况的时间比较短，热回收系统在大部分时间是部分负荷运行，在一些地区的过渡季节中，热回收系统还不能运行。所以，仅靠空调设计工况下热回收装置效率的高低来判断节能效益大小是不合适的，应该采用建筑物当地的典型全年逐时气象参数（温湿度）来计算全年节能量。（2） 因为安装热回收装置会增加风系统阻力，如装置本身的阻力和配套过滤器的阻力，且某些类型的装置本身配有电机，所以在计算热回收系统的节能量时，要把送风和排风机增加的功率和回收装置的电耗从节能量中扣除。节能计算包括两个部分：回收的热量和送排风机增加的电耗。回收热量计算式如下：Er = Ve X1-X3 t其中：Er - 回收的显热、潜热或全热量，kWh； - 空气密度，kg/ m3；Ve - 排风量，m3/s；X1 - 新风的焓，kJ/kg；X3 - 排风的焓，kJ/kg。t 时间，h。风机电耗增加量：Ei = ( Vs Ps+ Ve Pe) / f t / 1000其中：Ei - 安装回收系统比不安装，多投入的电耗，kWh； - 空气密度，kg/ m3；Ve - 排风量（如果是采用带回风的空调机组，则为回风量），m3/s；Vs 新风量（如果是采用带回风的空调机组，则为送风量），m3/s；Ps - 热回收装置新风侧压降，Pa；Pe -热回收装置排风侧压降及排风过滤器压降之和，Pa；f - 风机和电机的综合效率；t 时间，h。【例1】以北京一个办公楼为例来说明节能计算的过程。计算依据如下：(1) 夏季室内温度为26C，相对湿度55%，冬季室内温度21C，相对湿度40%。排风量为10000 m3/h，新风量12000 m3/h，采用风机盘管加新风系统。(2) 采用全热转轮回收装置，其冬夏的回收效率为50%。(3) 空调机组的风机和电机综合效率为50%；全热转轮回收装置的压降200Pa，转轮上游中效过滤器压降150Pa。(4) 根据室内外焓值和温度，确定冬季和夏季运行时间，自系统每天自7:00至21:00之间运行。采用清华大学提供的北京市典型年逐时气象数据，计算得出如下结果：回收热量 kWh风机电耗增加量 kWh能效比 kWh / kWh夏季2454349001.43冬季117401138892.82过渡季03026-注：过渡季节排风机不运行，仅开送风机。从上表计算的回收的能量和消耗的能量看，回收的都比消耗的大，夏季回收热量比风机电耗增加大4倍，冬季回收热量比投入电耗大7倍，好象节能量比较大。然而，夏季回收的冷量只需要用7012 kWh的电能就可以生产出来（设系统制冷效率为3.5）。可见，夏季是用了4900 kWh电能以节电7012 kWh，能效比为1.43。冬季采暖是用天然气，而风机用电，这需要把电折算成一次能源来比较，设一次热能转换为电的转换率为0.33，即是消耗了39999 kWh的热换来了117401 kWh的热量，能效比为2.82。可是，尽管过渡季节排风机不运行，送风机还是要运行的，由于回收装置增加的阻力，风机要多耗电3026 kWh，把夏季省的电都赔了还多耗914 kWh。为了从技术上真实评价节能投入和产出的效率，需要将节省的热量还原为生产热能时的能源消耗量，也就是说，如果我们不回收这部分能量，就要消耗一定的能源来满足使用。经过还原之后的才是热回收系统节省的能耗，算式如下：Es = Er / 其中，Es 节省的能耗，kWh；Er - 回收的显热、潜热或全热量，kWh； - 制冷（或供热）系统的综合效率，包含冷机（或锅炉）、水泵和风机等辅机的功耗； - 制冷或供热型式不同的修正系数。是一个与系统型式有关的系数，而且反应的是整个制冷或供热期间内的平均效率。设计者根据所设计系统的情况确定它，下面是作者根据经验估算的数值。对于水冷冷水电制冷系统：通常在2.55之间，可取3.5.对于风冷冷水电制冷系统：通常在1.52.5之间，可取2.对于吸收式冷水制冷系统：通常在0.751.1之间，可取0.9；对于燃气或燃煤供热或加湿系统：通常在0.60.85之间，可取0.8；对于电供热或加湿系统：通常在0.90.95之间，可取0.9。越小，Es越大，说明供热或制冷效率越低，生产能耗越高，热回收系统能够节约的能耗也越多。越大，说明供热制冷系统效率高，热回收系统的节能效果越小，甚至没有利用价值。4. 节能收益与热回收装置效率的确定热回收系统的节能收益包含两个方面内容：一是节能量，另一个是节省的能源费用。如果系统有净节能量，仅仅说明系统减少了能耗，在技术上是有价值的。设计者还要在基础上计算节能费用，采用投资回收期评价，以判断节能设计方案是否有经济价值。为此，设计者应该掌握项目的电、燃气或煤的价格，或其他能源政策，还有了解设备和系统造价概算。下面针对例1来计算节省的能耗费用，以说明确定热回收装置效率的方法。给定条件如下：(1) 新风量为12000 m3/h、排风量10000 m3/h的全热回收系统造价增加10万元（含热轮、排风段和排风道的造价）；而全热回收装置可减少冷热源及相关造价2万元。(2) 冷机采用电制冷，采暖和加湿采用天然气。燃气热值为46000 kJ/ m3，天然气费按2.2元/Nm3，电费按平均1元/kWh。则各项费用如下：热回收节省能源费 元风机电耗增加量 元净节省能源费 元夏季701249002112冬季20213138896324过渡季03026-3026全年净节省5411元，考虑造价增加了8万元，回收期要20年了，从投资回报的角度看已经是“赔本买卖了”。如果再计入维护保养热回收装置和系统的费用，恐怕更赔钱了。从以上算例看出，即使热回收系统本身在节能，但从整个空调系统的角度看可能不节能（如算例夏季工况的能效比显示）；即使整个系统是节能的，又有可能在财务上是赔钱的。如果提高热回收装置的效率到75%（这是目前比较好的效率了），阻力增加50 Pa，且造价增加1万元时，那么全年可净节省16000元能源费，则回收期为7年。如果用户接受7年的回收期，那么系统安装的热回收装置的全热回收效率不能低于75%，且造价增加不能超过9万元。【例2】前面的例子是按全热计算的，板式显热回收装置比全热装置价格便宜，而且阻力小，可以不配中效过滤器，可是不能回收潜热。那么采用显热回收方式的节能效果会怎么样呢？为计算显热回收系统，补充条件如下：(1) 板式显热回收装置冬夏的回收效率为60%，显热回收装置及过滤器总阻力200 Pa。(2) 显热空调机组及风道造价增加8万元，显热回收装置可减少冷热源及相关造价1万元，净造价增加7万元。(3) 其他条件同前面算例。经计算得全年节省能源费3950元，分项结果如下：热回收节省能源费 元风机电耗增加量 元净节省能源费 元夏季14422800-1358冬季1497379377037过渡季01729-1729显热回收效率60%的装置是比较不错的产品，已经难于再找到更高效率的了。这说明采用板式显热回收装置并没有改善投资回报，甚至在夏季还出现了支不抵收。【例3】北京的一些项目为满足地方节能标准而采用新风换气机，下面计算某新风换气机的节能效果。给定条件如下：(1) 新风和排风量为1000 m3/h；(2) 板式显热回收装置冬夏的回收效率为50%，显热回收装置及过滤器总阻力150 Pa；(3) 机组的风机和电机综合效率为40%；(4) 每天使用14小时。计算结果列表如下：热回收节省能源费 元风机电耗增加量 元净节省能源费 元夏季120210-90冬季1248595653过渡季0259-259全年节省303元，而这样一台1000 m3/h的新风换气机曾经卖到五千多元，根本谈不上投资回报，而且夏天还浪费能源。看来，“滥用”新风换气机之风应该引起关注。设计者在计算节能收益时，还需要注意以下几个方面：(1) 能源费用的地区差异。 我国各地区的电、燃气或煤炭费用存在一定差异，而且不同建筑的政策可能也不同，这些因素会在相当程度上影响方案选择。比如，按燃气采暖计算认为在东北严寒地区采用热回收的经济很大；可是，如果建筑采用燃煤锅炉结论可能就完全不同了。(2) 供热或供冷的收费方式。华北和东北地区冬季节能是主要的，可是很多建筑目前冬季采暖收费是按照面积收费的，没有鼓励节能措施的应用，业主没有从节能中获得经济效益。(3) 排风系统的费用。比较长的保温排风道的造价会影响我们的热回收投资效益。水平或垂直排风道会占用一定空间、空调机组增加的排风段也会占用空间，这都会增加土建造价。采用无组织回风虽然节省风道投资，但是会破坏送风和回风分配。(4) 室内外温湿度差的影响。室内外焓差或温差对节能收益影响是很大的。如果室内夏季设计温度比较低或冬季设计温度比较高，则可供回收的能量就会比较大。(5) 加湿方式对计算的方法的影响。采用不同类型的加湿器，如锅炉蒸汽、电加湿或湿膜加湿，它们的运行成本是不同的，这一点在计算热回收费用时要注意。4. 安装和运行对节能收益的影响即使一个好的设计方案，如果安装单位、调试单位和用户没有实施好设计意图，节能省钱的目的很可能打折扣。这里列举几个现场容易出现的问题。(1) 安装问题。目前大部分组合空调机组的热回收装置都是在工地现场安装的，安装操作条件差，且一些安装队伍在安装前没有接受过培训指导、没有详细图纸。作者在现场看到一部分质量低劣的安装已经导致一些问题，其中比较严重的是热回收装置与机组之间的密封性很差、漏风量高，其次是安装过程对换热器的损坏。劣质安装会导致节能量的衰减。(2) 控制程序调试问题。为实现节能优化，设计者会提供完整的自控策略，如通过比较室内外焓差和温差来实施转轮开关控制、旁通阀开关控制、排风机开关控制等等。但是如果调试单位采用粗旷的方式工作，只是实现设备的时间表运行，那么本来节能的系统可能会成为费能系统。(3) 运行管理的影响。在过渡季节，当室内外焓差或温差接