某办公楼空调箱节能改造方法的可行性研究

赵富强 岳嵩 祁英 张云婷

某办公楼空调箱节能改造方法的可行性研究

赵富强1岳嵩2祁英1张云婷1

1山东建筑大学热能工程学院
2济南市热力设计研究院

以济南市某五层办公楼空调箱的节能改造为例，重点介绍自己再热式热回收方式及在空调箱节能改造中的应用。另外，通过理论计算结果与系统仿真结果的比较，得出该系统的节能效果和在工程应用中的可行性。最后，针对系统在实际工程中可能出现的一些问题进行了说明，并提出了一些参考建议。

空调箱节能改造自己再热式热回收可行性

该办公楼空调系统是按照溶液除湿空调系统设计的，但是运行过程中没有依照设计方案运行，从而使得空调箱机组中原来只用来降温的表冷器，现在既要承担降温，又要承担除湿的作用，即冷冻除湿。这样除湿后的空气温度往往过低，送人室内会使人体产生不适。另外，办公楼采用地板辐射供冷加置换通风空调系统。ISO-7730推荐0.1m与1.1m之间的垂直温差不能超过3K以保证舒适感。根据这一要求，采用置换通风与辐射供冷复合系统时，送风温度可提高至23℃，送风速度约为0.25m/s左右，舒适度更有保证[1]。根据一年的运行经验，空调箱送风温度在13℃左右，低于送风要求值。因此，为了改善室内环境的舒适度，决定对空调箱进行夏季节能改造，对冷冻除湿后的空气进行再热，以提高送风温度。

1 空调箱机组工艺流程介绍

冷却除湿中使用的再热方式主要有热回收式和外热源式。其中热回收式包括利用压缩机的排热和自己再热式等两种方式；外热源式包括锅炉和电加热等两种方式[2]。

从节能的角度看，利用压缩机的排热方式效果最好，但该办公楼空调系统采用了蓄冷技术，利用蓄能水箱将夜晚谷电时段制冷机制的冷冻水储存起来，白天

图1 工艺流程图

自己再热式是利用处理空气本身出入热交换器时的温、湿度差进行热回收的方式[2]。由图1可知，自己再热式热回收系统由表冷器1、表冷器3、水泵、电动三通阀、膨胀水箱等组成，在表冷器1和表冷器3之间通过水泵强制水循环，使得表冷器2出风的冷量移至空调箱机组进风处，用以降低进风空气温度，达到预冷进风的目的；同时又将空调箱机组进风处空气的热量移至表冷器2出风处，用以加热空气，从而提高过冷的送风温度，降低室内的相对湿度。如果表冷器3出风温度达不到送风温度要求，则利用辅助加热器进行再加热，使送风温度达到要求送风温度。

2 热回收系统表冷器设计计算

由空调箱机组的工艺流程图可知，改造系统主要是在原系统的基础上增加了一三级表冷器，因此改造工作的重点是确定一三级表冷器的面积。建立计算模型过程中，对计算模型进行了一些假设：①一级表冷器的除湿量很小，为了计算方便，假设一级表冷器只对混合空气进行预冷，不除湿；②三级表冷器回收的冷量等于一级表冷器回收的热量。

2.1空气处理过程

设计条件如下：夏季处理空气总量为20000m3/h，新风量为9000m3/h。室外设计参数为干球温度tW= 34.8℃，湿球温度tWS=27℃；室内设计参数为干球温度tN=27℃，相对湿度φ=65%。办公楼总冷负荷为287.4kW，地板供冷承担的冷负荷为149.9kW，空调箱承担的全热负荷为137.5kW，空调箱承担的湿负荷为32.98g/s。

空调箱机组夏季空气处理过程如图2所示，空气状态点参数如表1所示。

图2 夏季空气处理过程

表1 空气状态点参数

2.2一级表冷器设计计算

[3]，对一级表冷器进行了设计计算。

根据需要的表冷器通用热交换效率E'=0.597，假定的迎面风速Vy'=2.5m/s，可以计算出迎风面面积Fy'= 2.2m2。查参考文献[3]附录3-5可以选用JW30-4型表冷器一台，其Fy=2.57m2，Vy=2.1m/s，水流速ω=1.2m/s，通水断面面积fw=0.00553m2，表冷器每排传热面积Fd= 33.4m2，析湿系数ξ=1，传热系数Ks=48.16W/(m2℃)，水流量W=6.64kg/s，表冷器能达到的Eg=0.589，表冷器供水初温tW1=22.0℃，水终温tW2=23.3℃。

通用热交换效率按式（1）计算：

式中：tC，tSC分别为空气初状态点的干球温度和湿球温度，℃；t1，ts1分别为空气终状态点的干球温度和湿球温度，℃。

传热系数按式（2）计算：

式中：Vy为表冷器的迎面风速，m/s；ξ为析湿系数；ω为通过表冷器的水流速，m/s。

通过表冷器的水初温tW1，水终温tW2分别按式（3）、式（4）计算：

式中：ε为表冷器的热交换效率；C为水比热，J/(kg℃)。

三级表冷器型号同一级，不再另外计算。

2.3节能分析

二级表冷器提供的冷量：Q2=G(h1-h2)=6.566× (69.1-36.1)=216.6kW

三级表冷器回收的冷量：Q3=G(h0-h2)=6.566× (41.2-36.1)=33.5kW

回收的冷量百分率：33.5/216.6×100%=15.46%

如果不进行新风预冷，将混合空气直接处理到露点温度所需的冷量：Q2'=G(h1-h2)=6.566×(74.4-36.1)= 251.5kW

计算分析结果表明，由于有前级预冷，冷冻除湿过程所需的冷量（高价冷量）可降低一部分；又由于有后级的部分再热量，所以空调送风的送风温度有所上升，“携冷量”有所降低。从总体着眼，这样可以降低制冷机制备的高价冷量的消耗，增大低价冷量的利用率，有效降低电耗。

3 换热系统的仿真验证及分析

对该系统的仿真模拟，采用了瞬时系统模拟程序TRNSYS，它在对空调系统模拟和优化方面具有独特的优势。本文中重点对空调箱机组系统的夏季运行工况进行了模拟，模拟流程如图3所示，模拟结果如图4～7所示。

图3 空调箱机组模拟流程

图4 表冷器1进出口空气温度变化

图5 表冷器3进出口空气温度变化

图6 表冷器1进出口水温度

图7 空气含湿量变化

如图4所示，随着室外气象参数的不断变化，一级表冷器进出口空气的温差在6℃左右变化。如图5，三级表冷器进出口空气的温差在7℃左右变化。按理论计算，一、三级表冷器的进出口空气温差应该是相等的，但是在实际中，一级表冷器是在湿工况下运行的，其传热系数要大于三级表冷器的传热系数，故温差要小于三级的。

如图6所示，一级表冷器的进出水温差在1℃左右，平均温度在20℃左右。与理论计算结果相比，有一定的误差。如图7所示，表冷器1有一定的除湿能力，但系统除湿主要由二级表冷器来承担。经过二级表冷器的除湿，送入室内的空气含湿量在9.1g/kg(干空气)左右。

4 结论和展望

通过理论计算和仿真模拟，可以充分证明自己再热式热回收系统的可行性，并且系统的送风温湿度达到了要求值，不需要再进行辅助加热。另外，该系统可以根据空调用户对温湿度参数的不同需求，进行专门的设计，并且可以对原有的空调系统进行节能改造。

空调箱机组中，一级表冷器（预冷）、二级表冷器（冷却除湿）、三级表冷器（再热）平行排列，它们之间必定有辐射换热。如果二级表冷器和三级表冷器安装距离过近，在风压的作用下，部分冷凝水会随气流飘落到再热盘管上，吸收热量，从而影响再热量。因此，在实际工程中还要考虑表冷器间距对换热量的影响。具体影响程度的大小，还需要经过进一步的实验研究。

参考文献

[1]王子介.低温热水辐射供暖与辐射供冷[M].北京:机械工业出版社,2004

[2][日]铃木谦一郎,大失信男.除湿设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1983

[3]赵荣义,范存养,薛殿华,等.空气调节(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2009

The Fe a s ibility Study on Ene rgy Sa ving Tra ns form a tion Me thod of a n Offic e Building Air-c onditione r Box

ZHAO Fu-qiang1,YUE Song2,QI Ying1,ZHANG Yun-ting1
1 Department of Thermal Engineering,Shandong Jianzhu University
2 Jinan Heating Designing&Studying Institute

Taking the energy-saving reconstruction of the air conditioner box in a five-storey office building in Jinan as an example,the essay focuses on introducing the method of self-reheating and its application in the energy-saving reconstruct of air conditioner box.In addition,by comparison of the results of theoretical calculation and system simulation results,we can find out the energy saving effect of this system and its feasibility in engineering application. Finally,the essay illustrates the problems which may occur in the practical engineering,and puts forward some referential suggestions.

air conditioner box,energy-saving reconstruction,self-reheating;heat recovery,feasibility

1003-0344（2014）06-093-4

2013-9-2

赵富强（1987～），男，硕士研究生；山东省济南市临港开发区凤鸣路山东建筑大学热能工程学院科技楼308室（250101）；

E-mail:zfq2011_xs@163.com使用。因此，白天不能利用压缩机的排热。自己再热式也能进行热回收，但加热量亦受到限制。锅炉热源方式的加热容量很大，再热量不会受到限制，而且调节加热量简单，使用的地方最多，但该办公楼冬季不使用锅炉供暖，这种方式也不可行。电加热设备最简单，但运行费用最高，要受电网制约。结合办公楼的实际情况，综合考虑各种热回收方式的优缺点，采用自己再热式热回收方式，并利用电加热辅助加热。空调箱机组的工作流程图如图1。