集中式热回收空调机组在商务办公楼中的应用

曹菲菲 张东元 徐晓玲 李 强 顾 翔

1. 上海建浩工程顾问有限公司 上海 200030；2. 上海纳铁福传动系统有限公司 上海 201315

1 工程概述

凌空SOHO商务办公区每台机组新风量在22 000～41 300 m3/h之间，采用集中排风系统。夏天与冬天的室外通风温度的设计参数分别为34.2 ℃和4.2 ℃，新风与排风之间温差大于8 K，根据《公共建筑节能设计标准》GB 50189—2005，故采取热回收空调机组。

《空气-空气能量回收装置》GB/T 21087—2007中指出，能量回收通风装置是以能量回收总体为核心，通过通风换气实现排风能量回收功能的设备组合。显热交换装置和全热交换装置是新风和排风之间同时产生显热和潜热交换的装置。能量回收功能的装置习惯称为能量回收机组或热回收机组，将排风中的冷（热）量传给送风的能量转移设备。综合考虑经济因素和现场施工实际情况，凌空SOHO办公楼采用转轮式热回收空调系统，其热回收效率高达70%[1,2]。

2 转轮式热回收机组的组成和原理

2.1 转轮式热回收机组的组成

转轮式热回收机组由新风送风机、排风机、热回收转轮、冷暖盘管、水力动态平衡及水量调节一体阀、汽化喷雾、新风及排风风阀、新风初效过滤网及中效过滤网、静电除尘、排风过滤网等组成。

本工程新风过滤采用三级过滤：初效过滤、中效过滤、静电除尘。初效过滤采用板式过滤，初阻力≤80 Pa，终阻力≤100 Pa，5.0 μm过滤效率20%≤E≤80%；中效过滤采用袋式过滤，初阻力≤80 Pa，终阻力≤100 Pa，1.0 μm过滤效率20%≤E≤70%。静电除尘采用Honeywell空气净化消毒装置，静电除尘采用正电晕，高压直流电场使得空气中的气体分子电离成大量电子和正离子，正离子进入电晕外区和尘粒相撞，使尘粒带上正电荷，并快速汇集到带负电荷的集中板上，电子集尘器运用电流型PWM高频变换技术，能吸附小于0.3 μm的灰尘和病菌。在8 200 V高压作用下可以瞬间击穿细菌的细胞壁，从而杀灭细菌。电子集尘器释放适当臭氧，能杀灭空气中的细菌，释放离子氧，能杀菌、净化空气。

静电除尘设备除尘率97%、杀菌率99%、除烟率95%。静电除尘设备静压损失25 Pa，在额定风量下，净化模块截面风速1.36～2.11 m/s。

2.2 转轮

2.2.1 转轮机构

转轮是热回收空调机组的核心部件（图1），转轮以特殊复合纤维或铝合金箔为载体，覆以蓄热吸湿材料。铝合金箔具有良好的导热性，铝箔表面通过特殊工艺均匀镀上1层低微孔尺寸的分子筛干燥剂，即沸石分子筛（直径0.4 nm），它仅允许直径0.3 nm的水分子通过，其他污染物留在排风中。

铝合金箔加工成波纹状和平板状形状，然后按1层平板状1层波纹状相间卷绕成1个圆柱形的蓄热芯体，在层与层之间形成许多蜂窝状的通道，即空气流道。转轮端面平整度在1 mm以内。

2.2.2 内置净化装置

内置净化装置具有空气流隔离功能，将新风与排风气流隔离，防止新风和排风交叉污染，防止细菌、灰尘、污染物从排风侧携带进新风侧，限制交叉污染的排风浓度在0.04%范围内。

图1 转轮及转轮内部结构示意

2.2.3 清洁扇

转轮设置可调式内置清洁扇清洗部件，免清洁。

2.2.4 转轮转动

转轮由马达通过皮带轮控制其转动，一般以20 r/min的速度缓慢旋转。在1.5 m/s的风速转动时，热回收效率≥75%。

2.3 转轮式热回收空调工作原理

转轮作为蓄热载体，新风通过显热型转轮的一个半圆，排风同时逆向通过转轮的另一个半圆（图2）。冬季室外的环境是低温低湿，室内是高温热风。排风时，将蓄热载体加热，当转轮转到新风侧时，芯体将热量释放给新风，新风温度升高；同时，高温中的水分被芯体分子筛吸附，当转轮转到新风侧时，水分向低温的新风扩散，吸附水分的新风随之被送到室内，从而回收了潜热[3-5]。

图2 转轮工作示意

夏季室外的环境是高温高湿，而室内是低温低湿，在排风的热回收过程中，排风侧转轮的蓄热载体被排风冷却，当转轮转到新风侧时，对新风进行降温，从而回收了显热；在新风侧，高湿的热风中的水分被分子筛吸附，当转轮转到排风侧时，水分随排风扩散，一起排至室外。

综上所述，新风和排风利用转轮式热回收机组进行能量交换，从而达到节能的目的。在夏天热回收机组可以将新风预冷及除湿，在冬天可以将新风进行预热及加湿，其转换效率达到75%以上，从而降低系统新风负荷（图3）。

图3 转轮式热回收空调工作原理示意

3 集中式热回收空调系统

3.1 热回收空调系统布局

凌空SOHO内1#～4#楼办公区域共采用24台集中式热回收空调机组，热回收空调机组安装在顶层，每台机组由水平风管至风井段（1 000 mm×1 000 mm）、垂直风管段（1 200 mm×1 000 mm），经过定风量阀（CAV），将新风送至2～10F的办公区域，办公室的回风通过每层安装于走道的回风阀（MEV）、安装于回风支管段的280 ℃电动手动防火阀（MEEH）及垂直回风管段（1 250 mm×800 mm）、水平回风管段（1 000 mm×1 000 mm）将回风送至热回收空调机组的排风口。定风量阀（800 mm×200 mm或630 mm×200 mm）由箱体、阀片、气囊和带弹簧片的凸轮结构组成，保证设定风量在4%的误差范围内。

3.2 排风兼排烟

由于办公室面积绝大部分超过100 m2，按照消防关于防排烟的规范要求，自然排烟要求排烟窗面积应大于建筑面积的2%，而本工程办公室内自然排烟的排烟窗面积没有满足规范要求，因此，办公室内设置机械排烟系统。为了利用风井有限空间，垂直回风管段与垂直排烟风管合用一个垂直风管（1 250 mm×800 mm），平时，垂直风管作回风管用，发生火灾时，垂直风管作排烟管用。两者之间的切换由消防自动报警系统实现。

3.3 集中式热回收空调系统的优缺点

1）节能：集中式转轮式热回收空调系统将排风中的冷（热）量传递给新风，热回收效率达70%，降低了能耗。

2）占地面积小：相对于分布式空调系统，集中式热回收空调系统机房占地面积小。凌空SOHO办公区采用的24台热回收空调机组放置在10 m层（设备层），如采用分布式空调系统大约需要36台空调机组（每台新风量12 000～15 000 m3/h）。

3）故障影响范围大：集中式空调系统中任一台空调机组发生故障，便会影响2～10F的办公区域。

4 热回收空调系统控制

热回收空调机组由热交换转轮、盘管、送风机、排风机、双次汽化加湿器、新风阀、排风阀、初效空气过滤器、中效空气过滤器及静电除尘器等组成。

建筑设备自动化系统（BAS）对转轮、送风机、排风机、加湿器、静电除尘器设置数字量控制点；对新风风量、送风温湿度、回风温湿度设置模拟量监控点；对初效空气过滤器、中效空气过滤器、送风机和排风机设置压差监控点（图4）。

图4 热回收空调BAS监控原理示意

1）新风阀和排风阀均通过风门驱动器与送风机、排风机连锁。

2）温湿度调节：夏天，由冷冻机提供的盘管的进、出水温分别是6 ℃、12 ℃。冬天，由锅炉提供的盘管的进、出水温分别是60 ℃、45 ℃。根据新风的给定温湿度以及新风送风管道上实际温湿度自动比例调节（以模拟量0～10 V）安装在盘管回水管上的电动调节阀开度，以及开/闭双次汽化加湿器使得新风的温湿度达到给定值。

3）转轮监控：在夏季和冬季，转轮以20 r/min的速度旋转，利用排出的空气与进入的空气进行显热和潜热的交换，从而回收能量。BAS对转轮启停控制，接受状态信号的反馈，接受故障报警信号。在过渡季节，转轮一般不工作，除非室外与室内的焓值相差过大。新风阀与排风阀分别与送风机、排风机连锁工作。

4）静电除尘：BAS对静电除尘启停控制，接受状态信号的反馈，接受故障报警信号。

5）压差监视：BAS对过滤器、排风机、送风机均设置压差监控。

6）空调水动态平衡：本工程在空调机组回水管段安装一体阀，既可以根据模拟输入量进行电动阀的开度调节，也可以作为动态水力平衡阀。当压差变化时，KV值动态调节（压差ΔP↑→KV↓，压差ΔP↓→KV↑）。

5 热回收空调系统质量控制

5.1 机房设计

机房深化设计不仅要考虑到大尺寸空调机组设备安装到位，还要考虑进风管、送风管、回风管、排风管等大尺寸风管安装，以及后期机房内吸音棉、隔音板安装的施工空间和配电箱、设备维护的空间。

5.2 机组就位和设备安装要求

若是机组无法整体一次性就位，那么热回收空调机组拆卸后的组装应严格按照生产厂家的顺序和要求：各功能段之间连接应严密平整，机组和风管之间的连接应准确无误。一体阀（动态平衡阀+电动调节阀）应安装在水平管段，且需满足前10D、后5D（D是管道公称直径）的要求。机组下部冷凝水排放管的水封高度应符合设计要求，盘管翅片和转轮铝箔不应有凹口（设备就位过程中应密切关注转轮铝箔，不使其受损）。风管与空调水管均应采取保温措施，保温层热阻应不小于0.8 m2·K/W。

5.3 风管漏风量检测

本工程中每台集中式热回收机组的垂直新风管段约有40 m，水平新风管段约为10 m，回风垂直管段约有40 m、回风水平管段约为20 m。由于管道较长，风管接口的连接应严密牢固。风管安装完成后应进行漏风量检测，矩形中压系统的漏风量：Qm≤0.035 2P0.65m3/（h·m2），式中P为风管系统工作压力。本工程热回收机组全压1 344～1 402 Pa，一般工作在500 Pa≤P≤1 500 Pa中压范围内。

5.4 调试准备

1）清扫机房，防止杂物和灰尘吸入风机和风管中。

2）清扫机组内部，盘管翅片凹坑、转轮铝箔凹口处应用专用梳梳理。

3）检查机组新风阀、排风阀驱动器安装是否正确，检查新风阀、排风阀驱动器与送风机、排风机连锁线路是否正确，风阀动作是否灵活。

4）检查转轮转动方向是否与机壳上箭头标志方向一致，如不一致，应调整三相交流电源相序。

5）启动送风机和排风机，判断风机运转过程中是否有异响，若有，应清除风管内部异物。

6）将支管定风量阀、办公室新风阀及走道回风阀开启，启动送风机和排风机，持续一定的时间，清除送、排风支管内的垃圾。

7）对盘管供、回水管道进行清洗，一体阀手动全开。

5.5 风机风量测试

风机风量测试时，选定气流相对稳定段，选在产生局部阻力之后4～5倍风管直径（或风管大边尺寸）和产生局部阻力之前1.5～2倍风管直径（或风管大边尺寸）的直管段上（图5）。

应将待测定风管截面分成若干格（每方格0.05 m2），用数字风速仪测定每个方格的风速，求出平均风速，再计算出总风量∶

式中：F——测定处风管截面积，m2；

K——修正系数（依据风口不同格栅或网格而定，K=0.7～1.0）；

P——平均风速，m/s，一般每个风口测定4～5点。

送风机、排风机测出的风量误差应小于设计风量±10%。

图5 风速测定位置示意

5.6 空气过滤器和静电除尘安装及PM2.5测试

在机组内外清洗和管道清洗的基础上，安装初效过滤器、中效过滤器、静电除尘器，静电除尘器的安装应符合设备技术要求，其金属外壳接地必须良好。开启新风阀和送风机，用数字风速仪测试静电除尘出口风速，办公室新风风速，用PM2.5测试仪测试新风PM2.5值。

本工程业主要求PM2.5值的净化效率高达85%。例如，2014年11月20日室外平均PM2.5值为23，打开1#～4#楼所有空调机组，测得4栋楼室内平均PM2.5值分别为2、4、4、3，空气处理效率平均值达到86%，满足设计要求。

5.7 DDC单点监控和单点测试调试

对送风机、排风机、转轮、静电除尘、汽化喷雾启停控制，观察送风机、排风机、转轮、静电除尘、汽化喷雾运行情况，静电除尘工作情况；对盘管水阀模拟量进行调节，观看执行器工作情况。单点监测的温度、湿度应与其他温湿度表测试相吻合。

5.8 热回收空调机组调试

5.8.1 调试准备

1）冷冻机组提供6 ℃/12 ℃供回水或锅炉提供60 ℃/45 ℃供回水。

2）楼层定风量阀按设计风量设定，送风阀全开。

3）配电箱设定在自动状态。

4）笔记本电脑或编程器与热回收空调机组DDC相连。

5.8.2 现场调试

1）启动送风机、排风机连锁打开新风阀、排风阀，打开静电除尘；启动DDC，转轮转动，调节回水电动阀、汽化喷雾。

2）设定送风温、湿度和回风温、湿度，如双环调节，内环送风为反馈值，外环回风温度为反馈值。

3）设定温、湿度后，实际回风和送风温、湿度经过一定时间稳定在设定值附近。如果跟踪速度太慢，应适当提高PI的比例值；如果上下周期波动，偏差超过范围，则降低或取消微分作用，直至系统消除振荡。

4）空调机停止运转时，新风阀、排风阀、调节水阀、加湿器、送排风机、转轮均自动停止工作。

5）远程监控：热回收空调机组DDC通过C-Bus总线通过交换机连接至BAS服务器，通过BAS工作站远程监控热回收空调机组。

5.9 测试

记录热回收空调机组送回风的温、湿度、新风风量、稳定时间；记录办公室内新风风口的风量和温、湿度及PM2.5值；记录过滤器、送排风机的压差数据。机组送回风温度与湿度误差达到设计要求[6-8]。

为了提高热回收空调系统热回收效率，必须加强对机房的深化设计、机组安装、大尺寸风管安装、一体阀的安装、漏风量测试、风量测试、系统调试和测试等环节的质量控制。为了热回收空调系统运行达到设计要求，承包商必须编写调试大纲，先进行单体调试，后机组综合调试、远程控制，调试合格后试运行，最终方可进行系统验收。

6 结语

凌空SOHO为积极响应国家对节能、减排的号召，均选用高效率的冷热源机组、风机及水泵，降低空调通风系统和水系统的阻力，使得空调系统风机的耗功率和冷热水系统的能效比符合《公共建筑节能设计标准》。不仅如此，本工程在商务办公区利用热回收空调机组对新风进行预热（或预冷）处理，降低新风负荷，并且利用空调机组内的三级过滤有效降低室内的PM2.5含量，达到了节能与健康舒适的双重标准。