上海市某商业建筑排风热回收系统节能性分析

邬佳佳 刘东

同济大学机械与能源工程学院

随着绿色低碳节能建筑的发展，建筑节能越来越受到人们的重视。空调系统作为整个建筑的主要能耗大户，其节能性和经济性也越来越被人们所关注，而在空调系统总负荷中新风负荷占比较大，约为 30%～50%，在一些人员密集的公共建筑内区，新风负荷所占比例更高，甚至可以达到70%以上[1]。为了能有效减少新风负荷，《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）中规定：设有集中排风的空调系统经技术经济比较合理时,宜设置空气-空气能量回收装置[2]。排风热回收技术作为一种常用的节能技术手段，被广泛应用于工程项目中，它可以回收和利用排风中蕴含的冷热量，对新风进行预处理，减小新风负荷，使用合理时能够起到节约能源的作用。本文以上海市某商业建筑的排风热回收系统为研究对象，分析排风热回收技术的节能性。

1 热回收装置的节能特性

热回收装置根据能量回收的形式，主要可以分为全热回收和显热回收。常用的全热回收装置有板翅式和转轮式热回收装置，显热回收装置有板式，热管式及中间冷媒式热回收装置。

热交换效率是评价热回收装置节能性的重要指标，分为全热回收效率，显热回收效率及潜热回收效率，在工程设计中关注较多的是前两者。

式中：Gs为新风的质量流量，kg/s；Gmin为送风和排风较小的气流率，kg/s；T1为室外新风温度，℃ ；h1为室外新风焓值，k J/kg；T2为新风经预处理后的温度，℃ ；h2为新风经预处理后的焓值，kJ/kg；T3为室内排风温度，℃ ；h3为室内排风焓值，kJ/kg。

假设新排风量相等时，式（1）、（2）可以简化为：

当新排风量相等时，全热回收装置回收的热量Qh、显热回收装置回收的热量Qt可以表示为：

值得注意的是：1）文献[3]指出排风热回收装置使用与否，应根据当地的实际温湿度、空调运行时间来分析计算，合理选择热回收方式[3]。现有的对于排风热回收系统节能性研究的案例许多都是仅仅计算设计工况下的平均热回收量，结果往往偏大。实际上室外新风状态参数是个变量，绝大多数时间系统都不在设计工况下运行，因此，按照全年逐时的室外气象参数动态计算系统节能量更加合理[4]。因此，式（5）中的h1应当为室外新风的逐时焓值，公式(6)中的T1应当为室外新风的逐时干球温度。2）在实际工程项目中，排风量经常小于新风量，当排风量与新风量的比值过小时，换热效率会大幅降低，热回收系统经济性会变差。《实用供热空调设计手册》[5]中提供了某型号显热型转轮热回收装置选型图，由选型图看出，当排风量与新风量的比值变化时，热回收装置的效率也是随之变化的，排风量与新风量的比值越小，热回收效率也越小。根据厂家提供的数据，当新排风量不等的时候，热交换效率近似等于新排风量相等时的热回收效率乘以排风量与新风量的比值。因此在实际工程中，如果排风量与新风量不相等，计算系统的热回收量时则需要根据厂家提供的热回收装置的选型图对热回收效率进行修正，但考虑到系统的节能性，建议设置旁通风管调节风量。

2 项目概况及节能分析

2.1 项目概况

本项目位于上海市，为商业建筑，总建筑面积约为55000 m2，地下两层，主要为车库及设备用房，地上四层，主要为零售及餐饮。该项目冷源采用离心式电制冷冷水机组，热源采用燃气热水锅炉。

表1 为室内设计参数。

表1 主要功能房间空调室内设计参数

空调运行时间：9:00-22:00。全年：制冷季 5 月 15日-9 月15日，供热季 11 月15 日-次年3 月15 日。

2.2 排风热回收节能潜力分析

本项目总新风量为 216000 m3/ h，集中排风量为164400 m3/ h。由于商业中餐饮面积占比较大，内区较多，因此新风负荷在总冷负荷中占比较大，约为 52%。可见该商业建筑的新风系统节能潜力巨大。

由《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[6]可得上海市典型气象年的全年逐时干球温度、焓值等气象参数，见图1 及图2。

图1 上海市典型气象年逐时干球温度

图2 上海市典型气象年逐时焓值变化图

图3 供冷季总供冷时长与室外新风焓值及温度大于室内的时长的对比

图4 供热季总供热时长与室外新风焓值及温度小于室内的时长的对比

图3、图 4 分别列出了供冷（热）季总时长与室外新风焓值及温度大（小）于室内时长的对比图。

由图 3 图4 中的统计数据可以看出在供冷（热）季，室外新风焓值及温度大（小）于室内的时长均占到供冷（热）总时长的60%以上。室外新风焓值大（小）于室内的时长在供冷（热）季总时长的占比更是达到了85%以上，分别为86%和96%，而室外新风温度大（小）于室内的时长在供冷（热）季总时长的占比分别为63%和99%。可见上海地区使用热回收装置的节能潜力很大。

根据该建筑空调运行时间及室内设计参数可计算出在供热季及供冷季单位体积风量新风的逐时全热负荷及显热负荷，见图5。

图5 单位体积风量的新风逐时全热负荷及显热负荷

由图 5 可以看出供热季新风负荷中显热负荷占比较高，而在供冷季新风负荷中潜热负荷占比较大，经计算，夏季单位体积流量新风最大潜热负荷可以达到43 W/(L/s)，此时潜热负荷占新风全热负荷的 80%，其中在供冷季单位体积流量新风全热负荷中潜热负荷占比达到 50%以上的时间占到总供冷时间的 60%以上，因此综合来看在上海地区使用全热回收装置更加适合。

2.3 热回收量计算

以下分别计算该项目使用全热回收装置和显热回收装置的热回收量。因本项目过渡季热回收系统不运行，为避免增加系统能耗，故设置旁通风管，同时新、排风量不相等时，通过旁通风管调节风量。

1）采用全热回收装置的热回收量

若本项目采用转轮式全热回收装置，全热回收效率为 60%，根据式（3）可以计算出使用热回收装置对新风进行预处理后的新风焓值，图 6、图 7 分别为供冷季及供热季室外新风逐时焓值与经预处理后的新风逐时焓值的对比图。

图6 供冷季室外新风逐时焓值与经预处理后的新风逐时焓值的对比图

图7 供热季室外新风逐时焓值与经预处理后的新风逐时焓值的对比图

由图6、图7 可以看出，在使用了全热回收装置后，室外新风的焓值显著降低，新风焓值曲线变得平缓，并且室外新风的焓值越高，经全热回收装置处理的效果越明显，这对于新风负荷占比较大的商业建筑来说节能效果显著。

由于室外新风焓值是时间的函数，在全年空调使用时间内，对于室外新风焓值常采用逐时焓值法进行处理。

结合式（5）式可得使用全热交换器时的夏季和冬季热回收量QS和Qw：

式中：h1(t) 为气象参数确定的室外逐时平均焓值，kJ/kg；Δt为小时时间长度；n为运行的小时数。

根据式（7）～（ 8）计算可得本项目热回收量（表2）：

表2 本项目空调季全热热回收量

2）采用显热回收装置的热回收量

若采用热管式显热热回收装置，显热热回收装置效率为 70%，结合式（6）可得使用显热交换器时的夏季和冬季热回收量QS和Qw：

式中：T1(t)为气象参数确定的室外逐时平均温度，℃ ；Δt为小时时间长度；n为运行的小时数；c为空气的比热容，kJ/(kg·℃)。

根据式（9）～（ 10）计算可具体得本项目的热回收量（表3）：

表3 本项目空调季显热热回收量

由表 2 可以计算出，采用全热热回收装置供冷季及供热季的回收率分别为48%和46%，由表3 可以计算出，采用显热回收装置供冷季及供热季的回收率分别为9%和42%，可见在上海地区使用热回收装置回收的能量很可观，而相比显热回收装置来看，采用全热回收装置的节能效果更加明显。

3 结论

1）室外气象参数是影响排风热回收系统节能性的一个重要因素，在工程设计中，不能仅根据静态工况来分析热回收装置的节能性，应当根据项目当地全年逐时气象参数结合运行时间来分析热回收装置的节能性。

2）根据分析上海地区冬季新风负荷中显热负荷占主要部分，而夏季新风负荷中潜热负荷占比较大，排风热回收系统建议选用全热回收系统。

3）现在的大型商业建筑中，餐饮面积往往占比较高同时内区很大，新风负荷可能占到建筑总负荷 50%甚至更高，此类建筑使用热回收装置的节能效果显著。本项目中使用全热回收装置后，供冷季和供热季的回收率可以达到48%和46%。