中国电子系统工程第二建设有限公司
摘要：探讨了热回收技术在空调排风系统中的应用，以工程实例介绍了施工要点，分析了热回收技术的经济效益，为热回收技术的推广提供了数据支持。
关键词：空调系统 液体循环式热回收系统 经济效益分析
0 前言
目前，我国能源形势非常严峻，已成为仅次于美国的第二大能源消费国。随着人民生活水平的提高，建筑能耗增长迅猛。我国的建筑能耗约占全国总用能量的1/4，其中空调能耗已达建筑总能耗的60％以上。另外，建筑物的室内空气品质越来越重视，对新风量提出了更高的要求。[1]据调查，空调工程中对新风处理的能耗约占总能耗的25％~30％，对于高级宾馆和办公建筑可达40％。因此，降低建筑能耗，尤其降低空调能耗，是缓解国家能源紧张形势，实现可持续发展的重要措施。在空调节能中，新风、排风空气热回收的设置就显得尤为重要，合理使用排风热回收装置，可以降低能源消耗，提高能源利用率。
1 背景
1.1热回收技术的形成过程
有关空气品质的研究，可以追溯到20世纪初，当时，人们已经开始采用通风的方法来改善室内空气环境。空调系统的出现，为人们创造了舒适的空调环境。70年代的全球能源危机，使空调系统这一能源消耗大户面临严峻的考验，节能降耗成为空调系统设计的关键。节能措施之一就是减少入室新风量，但是这一措施引起了室内空气环境恶化，再加上现代建筑中密闭空间的增多以及各种装饰材料的使用，出现了“病态建筑综合症”。80年代以来，空调步入一个新的发展阶段，新阶段的标志之一就是由舒适性空调向健康空调的变革。新排风热回收技术以其独特的优势已在市场上逐渐普及开来。
1.2热回收技术的优势
传统的新风系统，新风负荷占空调总负荷的30％甚至更多。把空调房间里的热量直接排放到大气中，既造成了城市的热污染，又白白浪费了热能。而加入热回收技术的新风系统则有效利用了排风中的余冷余热来预处理新风，减少了处理新风的能量，降低了机组的负荷，提高了空调系统的经济性。
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图1：新排风热回收系统示意图
如图所示，从空调房间出来的空气一部分经过热回收装置与新风进行换热，从而对新风进行预处理，换热后的排风以废气的形式排出，经过预处理的新风与回风混合后再被处理到送风状态送人室内。如果室内外温差较小，就没有必要使用排风热回收，所以在新风的入口处设置了一个旁通管道，在过渡季节时将其打开。如果使用排风热回收系统不足以满足空调区域的冷（热）符合，就需要辅助的冷却（加热）设备。
相比传统的全新风系统，带热回收技术的新风系统则展现出很多优点：对新风进行预处理，减小了空调运行符合，节约了费用；减少了空调系统的最大符合减小了空调系统的型号，节省了初投资；在节约能源的同时还可以加大室内的新风比，提高了室内的空气品质。
1.3规范要求
《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015），《通风空调系统运行管理规范》（GB50365-2005）规定：
建筑物内设有集中排风系统且符合下列条件之一时，宜设置排风热回收装置。排风热回收装置的额定热回收效率不应低于60％。
1.送风量大于或等于3000m³/h的直流式空气调节系统，且新风与排风的温度差大于或等于 8℃。
2.设计新风量大于或等于4000m³/h的空气调节系统，且新风与排风的温度差大于或等于8℃。
3.设有独立新风和排风的系统。
2 热回收装置的类型及其应用
热回收装置根据回收热量的不同分为显热回收装置和全热回收装置两大类。显热回收装置只能回收显热，常见的有板式显热热交换器，热管式热交换器和液体循环式热交换器；全热回收装置既可回收显热，又能回收潜热，常见的有板翘式热交换器，转轮式热交换器和热泵式热交换器。下面将主要介绍液体循环式能量交换器能量回收装置的类型及其应用。
液体循环式热回收装置习惯上称中间热媒式热回收装置或分离式热回收装置，由于常用媒介为乙二醇，故也称乙二醇热回收装置。如图2所示，它是由装置在排风管和新风管内的两组换热盘管通过管道的连接而形成的一个封闭的系统（换热盘管模块组装3D图如图3所示），管道内工作流体由循环水泵驱动，为缓冲系统的压力波动，吸收工作流体因温度变化而增加的体积，设置了一个膨胀罐。工作流体一般为水，为了防止结霜、结冰，降低水的冰点，通常在水中加入一定比例的乙二醇，根据当地室外温度的高低和乙二醇的凝固点，选择采用不同的浓度。液体循环式热回收装置只传递显热。
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图2：液体循环式热回收系统工作原理图
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图3：液体循环式热回收装置换热盘管模块组装3D图
如图2所示，液体循环式热回收装置的工作原理如下。在冬季，由于排风温度高于工作流体的温度，空气与工作流体之间存在温度差，当排风经过换热盘管时，排风中的显热向换热盘管中的工作流体传递，因此排风温度降低，换热盘管中的工作流体温度升高，然后工作流体流至新风换热盘管处对新风预加热，从而实现冬季排风热量的回收。夏季则正好相反，由于排风温度低于工作流体的温度，当排风经过换热盘管时，排风中的冷量向换热盘管中的工作流体传递，当它循环至新风侧的换热盘管时，就可以将冷量传递至新风，降低新风的温度，从而实现夏季排风冷量的回收。减少了系统负荷和整个空调系统的运行成本。
使用液体循环式热回收装置，新风与排风互不接触，不会产生任何交叉感染；供热侧与得热侧之间通过管道连接，因此对距离没有限制，对位置无严格要求，且占用空间少，布置方便灵活；热交换器和循环水泵均可采用常规通用产品，寿命长，运行成本低；[2]如果使用恰当的盘管排数，其显热回收率可达40％-60％。缺点是只能回收显热，不能回收潜热；由于通过工作流体传热，所以存在温度损失，热效率较低。液体循环式热回收装置适用于对新风质量要求较高的场合。如：医疗建筑、制药厂、无菌动物实验室以及排放有毒，有害气体的工业厂房。
3施工要点
以山东新时代FDA项目为工程实例，该项目四栋单体楼共设置有10套液体循环式热回收装置，中间媒介为25％的乙二醇溶液，故以下称乙二醇热回收装置。
3.1材料与设备
一套乙二醇热回收系统主要包含以下设备：1套乙二醇热回收泵组（包含1个水泵，1个膨胀罐），控制柜（可实时显示温度，累积回收能耗，计算热回收效率），2个换热盘管，2个蝶阀，2个球阀，2个排气阀，3个过滤器，1个泄水阀，6个橡胶软接，2个温度传感器，6个压力表，DN32无缝钢管若干米（每个系统约为50米）。
3.2施工工艺流程
施工准备（技术、人员、机具、材料、现场、交底）→换热盘管的安装→热回收泵组的安装就位→管道、支架预制→附件、法兰加工、检验→管段预制→管道安装→管道系统检验→管道系统试验→防腐绝热→系统清洗→系统调试→资料汇、绘制竣工图→验收。
3.3施工安装要点
1.换热盘管应安装在空调机组的新风段和排风机之后，便于充分回收排风能量；
2.热回收泵组就位应选择整个管路系统中央位置；
3.过滤器安装在换热盘管进水侧；
4.排气阀安装在换热盘管回水管路的高点；
5.泄水阀安装在系统的最低点。
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图4：乙二醇热回收泵组 图5：乙二醇热回收管路系统打压试验
3.4施工质量控制
1.开工前，技术交底经业主监理审核合格之后，再对工人进行全面的技术交底；
2.保证支架的数量及强度，根据现场设置有L型支架和龙门支架；
3.为保证管路的严密性，系统管路先进行气压试验，合格后，再进行水压试验，保压一天，合格后方允许下一步工作；
4.连接管路和换热盘管的软接一定要保证质量，此部分最易漏水；
5.系统管路在打压合格后，要进行防腐绝热工作，防止结露，避免能量浪费；
6.乙二醇溶液浓度根据当地年最低温度选择，本项目选择25％的乙二醇溶液；
7.整个系统的定压和补液应选择闭式膨胀罐，以避免乙二醇的挥发和空气污染管路系统；
8.应通过整个系统的阻力，选择合适的乙二醇泵，以避免水泵能耗的增加；
9.为了达到充分的热交换，管路内的乙二醇溶液的流速应控制在1m/s左右；
10.排风机后的换热盘管必须有凝水盘和冷凝水排水系统，以便于冬季冷凝水的排放。
3.5施工进度控制
在换热盘管和热回收泵组安装就位完毕之后，一组工人（3人），每套系统从支架预制到管道安装完毕，共用时3-4天。
4 热回收技术的经济效益分析
以山东新时代FDA项目为例，山东新时代FDA项目四栋单体楼共有59台空调机组，其中有10台空调机组应用了乙二醇热回收技术。现对乙二醇热回收技术进行经济效益分析。
4.1乙二醇热回收收益计算
4.1.1计算数据
（1）根据设计及设备参数可知，10台乙二醇热回收装置在一年中，冬季回收热量为655KW，夏季回收冷量为218KW，过度季节不使用；
（2）系统每天运行10小时，冬季运行120天，夏季运行120天；
（3）驱动电机功率为1.5KW；
（4）临沂市工业用电电价：0.62元/KWh；
（5）离心式制冷机组比价约为950元/KW；
（6）热水成本：15元/t。
4.1.2夏季节约制冷机组负荷的费用
S1=回收冷量×制冷机组比价=218×950=20.71万元
4.1.3冬季节约热水费用
该系统回收的热量，若按照热水机组供水计算，进水60℃，出水50℃，则
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，取水的比热4326KJ/Kg.℃，代入Q=655KW，得出每小时消耗热水量m=54.5t/h。
节约热水费用S2=消耗热水量×运行时间×热水成本
=54.5×10×120×15=98.1万元
4.1.4设备耗电费
设备耗电费S3=设备总功率×运行时间×电价
=1.5×10×10×240×0.62=2.23万元
4.1.5设备维护人工费用S4约为8万元/年
全年收益S=S1+S2-S3-S4=20.71+98.1-2.23-8-=108.58万元
4.2乙二醇热回收装置投资计算
4.2.1设备初投资
根据山东新时代FDA药业有限公司采购部数据，10台乙二醇热回收装置（包含泵组，管件，仪表，换热盘管等设备）初投资为140万元。
4.2.2管网投资
按照设备费的20％考虑，则管网投资费用为28万元。
4.2.3投资总成本
投资总成本=设备初投资+管网费用=140+28=168万元
4.3投资回收期的计算
4.3.1设备折旧费D的计算
乙二醇热回收装置的折旧年限设为10年，净残率为5％，设备固定资产原值为140万元；按照平均年限法进行计算折旧费：
年折旧费D=固定资产原值×（1-净残率）/折旧年限
=140×（1-5％）/10=13.3万元
4.3.2静态投资回收期的计算
在静态分析法中，投资回收期可用下公式计算：
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式中：
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：为投资回收期，年；
It：投资总成本，万元；
D：设备折旧费，万元；
R：年节约总成本，万元。
即：
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=
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= 1.38年
综上所述，乙二醇热回收装置投资不到两年可全部收回，以后每年净节约资金108.58万元，节能效益十分显著，值得推广。
5 总结
热回收技术在建筑空调系统的排风系统中的应用十分广泛，热回收装置类型也不尽相同。根据不同的环境选择更适合的热回收技术，才能有效降低能源消耗，提高能源利用率，提高空调系统经济性。液体循环式热回收技术，尤其乙二醇热回收技术适用于医疗建筑、制药厂、无菌动物实验室等对新风质量要求较高的场合，节能效果显著，值得在项目推广普及。
参考文献：
[1]陆贵江.暖通空调系统的节能措施分析[J].《科技创业家》. 2011.10.
[2]代柏清 汪莉 纪世昌.新风热回收设备及其应用.
[3]《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）.
[4]《通风空调系统运行管理规范》（GB50365-2005）.