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1、第7 卷第5 欺 2 0 07 年 1 0月 制 冷 与 空 调 R E F RI G E P A TI ON AND AI R一C ( ) NDI TI ON工 NG 2 9 一 3 2 空调系统排风热回收的生命周期成本分析 柯莹王鑫袁旭东 ( 华中科技大学) 摘要 简要介绍空调系 统排风热回收装置节能性的优点， 着重对其空调系统本身生命周期成本的 影响 进行分析， 并介绍其回 收期的计算。 结合武汉当地实例分析， 指出该装置节能性较好， 能够大量节省空调 系统本身的生命周期成本， 回收期较短， 有很好的推广和便用价值。 关锐词排风热回收节能性L 口二 分析回收期计算 T h e L C C
2、a n a l y s i s o f H V A Cs y s t e m s w i t ha i r- t o 一 a i r e n e r g y r e c o v e 叮 K e y i 眼Wa 叱 X i n y usn X u d o 吃 ( H u az h o n g U ni vets i tyofS c i e n c e a n d Tec h nofo 只 y ) A B S T R A C T I n t 1 odu c est he a d v a n t a g e s o f H V A Cs y s t em 州t ha i r 一 卜ai r ene
3、r g yre cove 叮e - q 山 p m e nt， a n al y zes t hel i f e 即 cl e cost ( L C C ) a n d 由 o w s howt o ca l ul a l e t h e s y s t e m s p 妙b a c k p e ri ods ( PBP ) . Tak 朗t h e 叩a rt m e n t i n Wu h a n fOr e xam p letoa nal y zea I1 d 脚: t h e 加 n c l u s io n t hat i t b asg 。 :月e n e r g y saw 鸣
4、 abi 五 t y ， econonu 因 l i f e 。 y d e cost and a s h o r t p a y b a c k p e ri 记 K 五 Yw0 R DSai r- to-a irene x g y r e c o ， e ry; e ne堪 y savi 咫c a p a L i li t y ; L C C a 耐y si s ; c a 】 c ul at io n ofp 即b ac kp e r ieds 空调系统的排风热回收是利用热回收装置回 收排风中的 冷( 热) 量达到节能的 一种有效的 方式。 在建筑物的空调负荷中， 新风负荷一般要占到空调
5、 总负荷的3 0 %， 甚至更多。将空调房间的热量排 放到大气中 既造成城市的热污染， 又白白 地浪费了 热能。如果用排风中的余冷涂 热来预处理新风， 就可以减少处理新风所需的能量， 同时降低机组负 荷， 有效减小系统的初投资， 从而提高空调系统的 节能性和经济性。 空调设计规范规定: 凡涉及有独立的新风和排 风系统的场合， 应认真考虑回收排风中冷( 热) 量来 预 冷 ( 热 ) 新 风 的 措 施 l 。 1 排风热回收系统 排风热回收装置( al 卜 t 介 缸 r e ne 犯 y二 cover y v 呱ila ti on eq ni p ment) 利用空气 一 空气热交换器 (
6、ai r- to-al : h ea t ex ch anger ) 来回 收 排风中的冷( 热) 能对新风进行预处理。根据回收热量的形式， 主要 可分为显热回收(hea t re cove ry， 简称热回收) 和全 热 回 收 ( en e rg y o co v er y ， 也 叫 能 回 收 或 烩回 收 ) 2。 气气热 交换器 是排风 热回 收系 统的 核心 3 川。 典型的热交换器有热管式热交换器(h ea t p i Peh ea t e xc h a 明er ) 、 板式热交换器( p l at e h e a t e xc h a 明e r ) 及 转轮式热交换器( ro
7、tary h eat exch a n g e r ) 等几种。 其中热管式传递的是显热， 其他2 种既可传递显 热， 又可传递全热。 图1 是一个简单的带排风热回收装置的空调 系统图。 从空调房间出来的空气经过热交换器与 旁通管遭 图1 带排风热回收的空调系统 . 国家自然科学基金项目( 5 0 1 7 7 0 1 2). 收稿日 期: 20。 卜 07一 31 通讯作者: 柯莹， E ll 泊 Jqu曰刀 1 26. 州 万方数据 制冷与空调第 7卷 室外新风进行热交换， 对其进行预处理。换热后的 排风排到室外， 经过预处理的新风和回风混合后再 经辅助盘管处理后送进室内。在热交换器处设有
8、一个旁通管道， 在过渡季节等不需要进行排风热回 收的时候将其打开， 直接通人新风。 2 节能分析 排风热回收的节能性主要是在于它利用排风 对新风进行预处理， 系统只需将空气从预处理后的 温度处理到送风温度即可， 这样就降低了系统处理 空气的负荷量及运行时的能耗。如果已知室内外 温度， 结合送风设计参数和排风热回收装置的相关 公式， 即可进行全年性的节能分析。 根 据 显 热回 收 时 的 效率 公 式 3， 。 T = 二 . ( TI 一 几) / 【 m 二( T l 一 T 3 ) 及排风和新风的质量比， 即可计算出空气经过预热后的温度， 然后再根据回 风和新风的比值计算出两者混合后的温
9、度。 将是 否进行热回 收的两种能耗进行比较， 即可得出其节 能效果。 3 生命周期成本分析和回收期的计算 使用一种新的设备首先要考虑其是否有好的 使用价值， 其整个使用周期的总费用如何， 能不能 在较短的时间内回收投资的成本。下面就对排风 热回 收的 生命周期成本( 盯 e c y d e ot . L CC ) 和回 收周期( p a y b a ckpe l i 记尸刀 尸 ) 进行分析。 3 . 1 生命周期成本的计算 生命周期成本分析考虑的是系统在整个运行 期间的相关费用， 主要包括初投资费用、 运行费用、 维 护费 用 等 一 。 对于排风热回收系 统而言， 则可 以从设备初投资、
10、 系统运行费用和使用排风热回收 装置节约的费用这几个方面考虑， 即 L CC =C 。+( C 。一C 二 ) x 走( 1 ) 其他设备的投资费用。这样， 对于第1 种情况而 . 勺 ， C 二=C 。 + C a ux + C 如+ C ，( 2 ) 其中， C 。 为热交换器的投资费用; C 。为辅助盘管 的 投 资 费 用; c 肠 为 风 机的 投 资费 用; c ， 为 系 统 其 他设备的投资费用。 对于第2 种情况， 初投资仅包括热交换器、 辅 助盘管及增加的风机的投资费用。 所以， C 、=c 。 +C .+C lan( 3 ) c ， 是 系 统 的 运 行 费 用， 包
11、括 系 统 冷 水 机 组、 冷 热盘管、 水泵及风机等各个部分的 运行费用。 在使 用排风热回收装置后， 各个部分由于其影响， 各自 的能耗都可能会有不同程度的影响。 c 二 是系统由于使用排风热回收装置减小冷 ( 热) 负荷而节约的费用， C 二= 是 坎二 ， 其中， E为所 使用能源的 单价， q 二 为热回 收系统回 收的 能量。 3 . 2 回收周期的 计算 7 回收周期按照式( 4)进行计算: 尸日P 设备初投资 每年节约的费用 ( 4 ) 与传统的空调系统相比， 有排风热回收装置的 系统多了一个热回收装置。如果仅考虑热交换器 的回收周期， 则 P召P = C 。 ( c ，一c
12、 ， 如 ) / k ( 5 ) 一( 1 +滋 ) / ( 1 +了 ) ，L-，二 其 中 ， L CC为 系 统 生 命 周 期 内 的 总 成 本 ; c eaP 为 系 统 设备 初投资; c ， 为系统运行费用; c 、 为使用排 风热回收节省的费用; k为考虑金融利率与物价变 化的系数; 。为系统的生命周期， 釜 为银行利率， j 为物价上涨率。 在进行初投资分析时需要考虑2 种情况: 一是 对新的 空调系统考虑使用排风热回 收装置; 二是在 原有的空调系统上加上排风热回收装置。 对于第1 种情况， 初投资不仅包括热交换器、 辅助盘管及增加的风机的费用， 还应该考虑到系统 如果考
13、虑加人排风热回收装置对其他设备的 影响， 在设备初投资方面需要加上增加的风机的投 资， 同时减去因峰值负荷降低而造成的机组容量减 少引起的机组投资减少量和冷热盘管等设备的初 投资减少量即可。 4 实例分析 在实际工程中已有一些开始使用排风热回收 装置， 且达到了 较好的效果81。 下面以 武汉市某 空调系统为例， 结合上面的结论进行相关理论分 析。 取武汉市 某栋空调面积约为90 0 00 矽 的商 业建筑。设定武汉的室内参数分别如下: 夏季室内 温度为24， 相对湿度为60%， 送风温度为16; 冬季室内温度为2 0， 相对湿度为50%， 送风温 度为2 8 。 其夏季冷负荷约为 19O 0
14、0 k W， 冬季 热负荷约为5 4 0 0 k w。 下面 分别对使用排风热回 收 装置后的 节能性、 生命周期成本和回 收期进行分 析。 万方数据 第 5期柯莹等: 空调系统排风热回收的生命周期成本分析 4 . 1 节能性 这里结合武汉市全年的室外气候和室内设计 温度进行分析。图中几一5 和几_ 二 分别为夏季和冬 季的室内设计温度; T 、5 和T 、w 分别为夏季和 冬季的 设计送风温度; T l 为室外温度曲线， 由 历年 的 平均温度、 最高温度、 最低温度曲线图表及夏冬 季设计温度值确定; 几 为夏季和冬季新风经过预 处理后与回风混合后的实际温度， 由显热回收的效 率公 式， 新
15、风、 回 风 及排风的比 值及T l 和T 3 可以 确定; T2 为没有进行热回收时新风经预处理后 与回 风混合后的温度， 由室内 外的温度值及新回 风 的比 值确定; T 3 为室内 设计温度， 夏季为 T 3 _ ， ， 冬 季 为T 3 _ ， 。 确定了T l ， 几， T: 和T ， 等温度的 曲线后， 便可分析其节能效果。 如图 所示， 普通的空调系统需要将空气从 T2 处理到几， 此时只需将其从 几 处理到 T ， 即可， 这样即可节省从 T Z 到 T2 所需要的能量。图2 中网格部分即为热回收的冷( 热) 量， 斜线部分为辅 助加热或冷却的负荷量， 只要测得各部分的面积，
16、即可计算出其节省的能量的比值。取上述的数据 得到: 在武汉， 建筑空调采用显热回收装置时， 根据 所测得的面积， 使用排风热回收后夏季可以回收 1 9 . 8 %的冷量， 冬季可以回收2 9 ， 7 %的热量; 夏季 峰值负荷降低21 7 %， 冬季峰值负荷降低34. 2 %。 ” 蝙 2 0 几， 从ha 567891 01 11 21234 图2 空调显热回收效果图 对于 所取建筑， 其夏季可节省能量门 2 6 万1 W.h， 峰值负荷降低41 2 3k w; 冬季可节约能量 1 72万 k w h ， 负荷降低1 8 47 k w。 4 . 2 热回 收装置的确定 机组的选择主要是根据风
17、量的大小来确定。 根据本例的实际情况， 由于单层的风量较大， 需要采用分区降低单机的风量。 经考虑， 每层分若 千个区， 每区选用额定风量为2 一3 万m3瓜 的新 风换热机。就武汉市新风换热装置目前的市场价 格， 新风换热机组的总投资成本约为2 90万元。 4 . 3 L C C分析 对其 L C C的分析， 可以从以下几点逐一分 析。 1)初 投 资c ， : 整 个系 统的 初 投资 包 括 原 有 空调机组和附加的排风热回收装置两大部分。对 于新的空调系统， 由于热回收装置的使用， 使得峰 值负荷有明显的减小( 武汉地区主要以夏季负荷为 主， 仅以此考虑， 降低41 23 k w) ，
18、 这样机组的容量 降低， 在这方面首先就节省了一笔不小的费用。另 外由于加人设备使得系统的风压增大， 在风机的选 用上要有相应的考虑。对于已有的空调系统， 初投 资则为热交换装置和辅助风机的费 用。 2)运 行 费 用c 动对 于 新的 空 调系 统 而 言 ， 采 用热回收装置后， 冷热源机组的容量有了明显的减 小， 故其在运行时的能耗有了明显减小， 运行费用 相对也就大幅降低。虽然风机的运行费用增加了， 但是远小于其回收的能量， 基本可以忽略不计。对 于原有的空调系统来说， 增加的运行费用就是所增 加的风机这一部分费用。 3)节省费 用c ， : 包括了 上面 两者的节省量。 系统增加了热
19、回 收 装置之后， 其冷热源机组的容量 有了明显的减小， 故其在运行时的能耗量有了明显 减小， 运行费用相对的 有大幅降低。 为计算方便， 暂忽略由于增加排风热回收装置 万方数据 . 3 2 制冷与空调第 7卷 而引起的风机等设备的附加能耗( 与所节省的能量 相比 很小， 回收的能耗和由于采用热回收装置所增 加的风 机的能 耗的比 值可高达3 9 ， ) 。不防设空 调系统的能效比 值为4 ， 另根据当地的电价0 . 6 元 /(k w h)， 由 上面的数据 进行计算可得到具体节省 的费用如下; 夏季: C ， = 泛 场，。 二 乏 x o . 6 x 4 2 6 x l 0 4 拜 =k
20、 x 63. 9 万元句64万元 冬季: C 、 = 几 场.、 = 走 x o ， 6 x 1 7 2 x l o 心 月 =kx 2 58万元、2 6 万元 上述计算中， k 值均近似取为1 。 这样， 一年之内该装置就可以节省近90 万元 的能耗花费。 对于本例， 与常规的空调系统相比， 在整个生 命周期中( 设空调系统的生命周期为2 0 年) 共可节 省90x 加= 1 800 万元。即 使减去 换热设备本身 的投资， 也可以节省约 1 5 10万的费用， 对整个生 命周期而言， 的确是一笔不小的开支。 4 . 4 回收期的计算 ( L CC ) 及回收期( 尸 刀 尸 ) 的计算进行
21、了 分析， 并以 武汉地区为实例进行了 计算， 得出其具有较好的节 能性， 能大量节省空调系统生命周期成本， 并具有 较短的回收期的结论。 对空调系统使用排风热回收装置不仅可以降 低系统的峰 值负荷、 减小机组容量、 降低初投资成 本， 还可以 节约大量的能量， 这样就可以 有效地节 约运行费用， 从而达到节能的目的。同时， 使用热 回收 装置后能够大大减小原有空调系统的生命周 期成本， 且其回收周期也较短。由此可以看出。 对 空调系统使用排风热回收装置是非常具有发展前 景的。由于武汉地区的地理位置和气候特点具有 一定的 代表性， 这一结果也可推广应用到其他长江 中下游冬冷夏热地区。 参 考
22、文 献 尸召 P = 设备初投资 每年节约的费用 ( 6 ) 只要知道每年使用排放热回收装置所节省的 费用即可算出设备的回收周期。根据已有的数据 得出本系统使用排风热回收装置的回收周期约为 3 . 2年。 4 . 5 说明 1)在L C C分析中， 没有加人由于主机容量减 少而节省的费用; 在回收期的计算过程中也只是单 独考虑热回收装置本身的回收周期， 也没有考虑冷 热源的因素。在L 分析中， 如果考虑到冷水机 组容量减小的影响， 将会节省更多的费用; 而在计 算回收周期时只需在设备初投资一项中减去主机 本身投资减少的费用即可。 2) 新风量越小的话， 热回收设备成本会越低， 但是使用排风热回
23、收装置的主要原因就是节能的 同时改善室内的 空气品质， 所以在实际情况中 新风 量不宜取的过小， 本例中的新风比为30%。 3) 本文针对的是有回风的情况， 如果是全新 风的话， 能量回收效果会更好。 5 结论 笔者对排风热回收装置的生命周期成本 【 1中 华人民共和国建设部 公共建筑节能设计标准. 北 京: 中国建筑 工业出 版社， 2 005 : 1 5 . 【 21郑钢. 热回 收节能在空调系统中的应用一 能源技术， 2 加5 ， ( 6 ) : 1 2 4 一 1 2 6 . 【 31 2005盯A 刊 D A R Dfor PER F O R 入 IAN :ER A T I N G
24、) P AI RT 仆AIRI 压A T E X C H A NG I 三 R SF ORE N 王 : R GY F E C ( V 卫R Y V E N T I L A T I ， N E Q L l l P 卜 正N T S t . n - 山r dl 0 6 0 - 4 J o 恤 nec k 幻 l a fin， K urt ww ot h ， J .B 士 曰ri c k ， 九卜 卜a ir en e y gyr . 刀 v 吧 ryh ea t e x c h a ng.。 八 S H R 人 卫 。 傲 - 耐 ， 200 3 ， 4 5 ( 8 ) : 5 7 . 汇 5
25、川Jan B 0 卜 洲川 ， R O be nW3 ， 知 t ， G 士 绍J Sc卜 犯 nau . D 臼 ign ofm ul ti 一 c 司 ， 日 t o undh ea t e xc h 旧 刀 g e T sysl e t l . for v e n t ila t 加 r 卜 臼 石 n g 日 Il d c 加 】 ing， A S H R A ET r a 朋 - act I O 幻 。 ， 1 9 9 5 : 9 6 7 一 9 7 8 . 6 J 石建中， 刘堂 文 睦通空调设计的L C C 概念. 工业安 全与环保 20胶.7: 27一 25. 【 7 、 、
26、w栖 刁 ” . R d 吧 rt W3 洲 切 t ， C 盯 即J S ll 一. G 笼 卜 曰- f 即 币此D 画， of n 门 I H 臼 ta l记 E n er 盯 R 恻 Ex- c 】” 1屯 朗 for l 冈%V 团 t i la 七 田月r in卜 氏 冉 C山卜 访 政U 的 i ts 八 5 曰 心正毛 也 迎 川廊 ， 2 005:857 一 的1 ， 8 邻守春 焦良 珍. 全热文换器节能与经济效益分析实 例 中国 建设信息供热制冷， 加04， ( 6): 22一 25. 9h 记 。N 扣 翻， C ar 即J S 川 L 江 卜 C 卿 】e 人 嫂 ， m 臼 之 ( L C A ) d冉 赶 4 坛 浦 嗯U 川 ts袱 th. 1记城 t 帐 期 t A 血 . 协坛 E I嗽创 E x 公 曰 艰 .A 日 书 沪 卫 下 闭 服 t 俪 ， 2 加4 : 3 99. 叨 民 万方数据