一种基于太阳能与蒸发冷却的新型新风处理机组

姜 坪，林熙龙

(浙江理工大学 建筑环境与能源应用工程系，浙江 杭州 310018)

暖通空调能耗约占建筑能耗的60%，而新风负荷约占空调能耗的30%[1]。因此，有效降低新风处理机组的能耗具有重要意义。与传统的机械制冷方式相比，间接蒸发冷却因为其不需要人工冷源，结构简单，初投资与运行费用少，以水为工质，经济环保[2]受到了广泛关注。由于间接蒸发冷却可以实现空气的等湿降温，利用其对新风进行预冷，在夏季与过渡季节能够有良好的节能效果[3]。Peterson和Hunn建造了一个为空调系统提供混合空气预冷的蒸发冷却系统，发现这样的复合系统可以负担约12%的传统空调负荷[4]。黄翔等用蒸发冷却器与机械制冷系统相结合，在夏季预冷新风，当新风比为20%时，可减少系统10%运行负荷，降低高品位能源消耗[5]。太阳能作为一种分布广、储量丰富且清洁无污染的可再生能源，也得到越来越多的应用。太阳能的热利用一般有太阳能水集热器与太阳能空气集热器两种方式。太阳能水集热器是利用太阳能产生热水提供给用户，已获得较为广泛的应用。太阳能空气集热器则是利用太阳能直接加热空气，可以用于干燥、房间供热等[6-7]，与太阳能水集热器相比，太阳能空气集热器不需要水的二次换热，在需要加热空气的场合更具优势。张兵等通过热泵蒸发器前串联太阳能空气预热器的新型方式提高了热泵机组的COP[8]。姜坪等设计了一种高效率的新型太阳能空气集热器，该种太阳能空气集热器在风量为0.006 13 m3/s，太阳辐射强度611.484 W/m2的实验条件下，最高瞬时集热效率为71.73%[9]。

基于太阳能与蒸发冷却的新型新风处理机组是将太阳能空气集热器和间接蒸发冷却器相结合，夏季利用间接蒸发冷却器对空气进行预冷；冬季利用太阳能空气集热器对空气进行预热。其中，间接蒸发冷却器中的喷淋水采用循环水，并引入室内空调末端产生的冷凝水来降低喷淋水的水温。

1 新型新风处理机组构成及运行原理

新型新风处理机组由太阳能空气集热器、间接蒸发冷却器、水箱、表冷器、新风处理机组送风风机、过滤器以及水泵等组成，机组结构见图1。其中间接蒸发冷却器的二次空气使用的是室内排风。

夏季开启第二风阀6，关闭第一风阀4，间接蒸发冷却器喷淋泵10，新风由新风入口5进入入口段7，然后经过过滤器8进行过滤，再进入间接蒸发冷却器9，此时水箱11中的水由水泵10驱动，进入布水器14对间接蒸发冷却换热器13内二次空气流道进行喷淋，从室内排出的二次空气流过水膜时，水分蒸发。吸收换热面及相邻流道一次空气的热量后使一次空气降温，二次空气则在间接蒸发冷却排风风机21的驱动下通过排风管20排出室外。新风其余所需冷量由空调主机提供冷冻水的表冷器16承担。

图1 新型新风处理机组系统图 注：1-冬季新风入口；2-太阳能空气集热器；3-轴流风机；4-第一风阀；5-夏季新风入口；6-第二风阀；7-入口段；8-过滤器；9-间接蒸发冷却器；10-间接蒸发冷却器喷淋泵；11-水箱；12-间接蒸发冷却二次空气入口；13-间接蒸发冷却换热器；14-布水器；15-间接蒸发冷却器二次空气出口；16-表冷器；17-新风处理机组送风风机；18-冷(热)水进水管；19-冷(热)水出水管；20-间接蒸发冷却器二次空气排风管；21-间接蒸发冷却器排风风机

冬季开启第一风阀4，关闭第二风阀6，间接蒸发冷却器喷淋泵10和布水器14停止工作，一次空气从冬季新风入口1进入太阳能空气集热器2，空气被加热，在轴流风机3的驱动下空气进入入口段7，再经过过滤器8对空气进行过滤。若此时的空气温度高于排风温度则关闭间接蒸发冷却二次空气入口12，关闭表冷器16，新风处理机组送风风机17进入室内；若此时的空气温度低于室内排风温度则打开间接蒸发冷却二次空气入口12，使一次空气进入间接蒸发冷却换热器13与二次空气进行热交换，通过新风处理机组送风风机17送入室内，二次空气则在间接蒸发冷却排风风机21的驱动下通过排风管20排出室外。此时间接蒸发冷却换热器为新风热回收器。新风其余所需热量由空调主机提供热水的表冷器16承担。

过渡季节表冷器16停止工作，可以根据需求停止使用新风处理机组，也可以利用太阳能空气集热器2对室外新风进行加热或利用间接蒸发冷却器9对室外新风进行冷却。

2 新型新风处理机组设计计算

以杭州为例，杭州市室外空气参数[10]为：夏季空调室外计算干球温度t1=35.6 ℃，夏季空调室外计算湿球温度为29 ℃，夏季室外空气焓值h1=94.3 kJ/kg，含湿量d1=22.8 g/kg，相对湿度为61%，露点温度为27.0 ℃。冬季空调室外计算温度t4=-2.4 ℃，冬季空调室外相对湿度为82%，湿球温度tsnx=20.3 ℃，冬季室外空气焓值h4=3.5 kJ/kg。

夏季室内设计温度tnx=26 ℃，相对湿度为60%，湿球温度为20.3 ℃，露点温度为17.7 ℃，焓值hnx=58.4 kJ/kg；冬季室内设计温度tnd=18 ℃，相对湿度为55%，焓值hnd=36.3 kJ/kg。冬夏季空气密度ρ均取1.3 kg/m3。

使用该新型新风处理机组建筑的面积为250 m2，人员为50人，人均所需新风量为30 m3/h，总新风量即总一次空气量为1 500 m3/h。冬夏季一次空气风量L1与二次空气L2风量均相同。

2.1 间接蒸发冷却器

(1)夏季工况

一次空气为室外新风，二次空气使用室内排风。如采用循环水喷淋，则喷淋水温等于二次空气的湿球温度，但间接蒸发冷却器中的循环水以冷凝水作为补充，因此喷淋水温度会低于二次空气的湿球温度。循环水量与冷凝水量的比值决定了喷淋水的最终温度，在间接蒸发冷却器中，水气比以0.2～0.5为最佳，取水气比为0.2，因此循环水量为390 kg/h[11-13]。冷凝水量与循环水量的比例约为1∶15，由此可得喷淋水温为20 ℃。

普通间接蒸发冷却器运行时，一次空气是等湿降温的，但由于加入了冷凝水，喷淋水温降低，此时间接蒸发冷却器的壁面温度低于一次空气的露点温度，所以一次空气在通过间接蒸发冷却器时降温去湿。有实验研究证明，当二次空气采用室内排风，一次空气相对湿度为60%并被降温去湿时，间接蒸发冷却器冷却效率随一次空气干球温度的上升而下降。当一次空气干球温度由27 ℃上升至36 ℃时，间接蒸发冷却器的冷却效率从0.65降低至0.54左右[14]。因此取间接蒸发冷却器的冷却效率为54%。

间接蒸发冷却器的冷却效率η[5]如下

(1)

式中t2——夏季一次空气出风干球温度/℃；

tx——喷淋水温/℃。

可求得一次空气的出风干球温度为t2=27.2 ℃。此时一次空气的相对湿度为90%，h2=80.0 kJ/kg。因此间接蒸发冷却器承担的新风冷量为

(2)

图2显示了夏季工况下新型新风机组的空气处理过程。由于喷淋水温略低于二次空气进风的湿球温度，因此二次空气在间接蒸发冷却器中从Nx减焓加湿至L2，同时将冷量传递给一次空气而等湿升温，最终二次空气状态点由状态点Nx变化至Nx1。一次空气Wx通过间接蒸发冷却器降温去湿后到L点，进入表冷器被继续降温去湿至送风点O。

图2 夏季工况空气处理过程

(2)冬季工况

冬季时喷淋水系统停止工作，间接蒸发冷却器此时成为显热换热器，显热交换效率ε取55%[15]。此时二次空气温度tnd=18 ℃。

一次空气与二次空气的显热交换效率ε如下

(3)

式中t5——冬季一次空气的进风温度/℃;

t6——冬季一次空气的出风温度/℃。

冬季工况下新型新风机组的空气处理过程如下。一次空气在太阳能空气集热器中吸收热量等湿升温，再被间接蒸发冷却器等湿加热后进入表冷器继续加热到送风状态。二次空气通过间接蒸发冷却器将热量传递给一次空气后等湿降温。

2.2 太阳能空气集热器

太阳能空气集热器集热量计算公式[16]为

(4)

式中η——太阳能空气集热器效率/[%]；

QT——太阳能空气集热器集热量/kW；

I0——水平面的太阳辐射强度/W·m-2；

μ——倾角修正系数；

f—太阳能空气集热器的面积/m2。

一次空气入口温度t4=-2.4 ℃，冬季室内温度tnd=18 ℃。假设太阳能空气集热器承担全部新风负荷，则太阳能空气集热器所需集热量按下式计算

(5)

式中Cp——空气定压比热容/kJ·(kg·℃)-1，取1.0 kJ/(kg·℃)。

杭州冬季日均太阳辐射强度取I0=317 W/m2[17]，太阳能空气集热器倾斜安装在屋顶处，倾角修正系数μ取在垂直与水平之间，取0.8[19]。在强迫对流情况下太阳能空气集热器效率的平均值η=65%[18-22]。根据式(4)可求得太阳能空气集热器集热板的面积f=68 m2。考虑到实际工程中，太阳能空气集热器的允许安装面积有限，因此取22 m2作为太阳能空气集热器的安装面积。

2.3 表冷器

(1)夏季表冷器承担的冷量

经间接蒸发冷却器预冷后，夏季表冷器承担一次空气的冷量Q1为

(6)

(2)冬季表冷器承担的热量

杭州冬季总天数为90 d，取杭州冬季日均太阳辐射强度317 W/m2的75%、50%、25%的太阳辐射强度作为每个区段的分界点，杭州冬季日均太阳辐射强度的分布[17]见表1。

表1 杭州冬季日均太阳辐射强度分布

冬季间接蒸发冷却器停止喷淋，成为一次空气和二次空气的显热交换器。一次空气经过太阳能空气集热器和间接蒸发冷却器依次加热后，再经表冷器加热到所需空气状态点。当落在第一区段的日均太阳辐射强度为425.3 W/m2时，根据式(4)可求得太阳能空气集热器提供的热量为4.9 kW。冬季室外空气温度t4为-2.4 ℃，经过太阳能空气集热器加热后的一次空气温度t5为6.6 ℃。由于显热换热器的热交换效率为55%，根据式(3)可求得一次空气出风温度t6为12.9 ℃。

冬季表冷器承担一次空气加热量Q2为

(7)

同理，当区段日均太阳辐射强度为279.4 W/m2、195.9 W/m2、112.2 W/m2、0 W/m2时，表冷器承担的一次空气加热量分别为3.5 kW、4.0 kW、4.4 kW、5.0 kW。

3 新型新风处理机组经济效益分析

3.1 设备初投资

风量为1 500 m3/h传统新风处理机组价格约为3600元，新型新风处理机组在传统新风处理机组上增加了间接蒸发冷却段，排风风机，水泵和太阳能空气集热器等。太阳能空气集热器所需集热面积为22 m2，每M2造价按180元计，则总价为3 960元。间接蒸发冷却器材料面积大约为3 m2[14-15]，每m2造价按450元计，则总价为1 350元。排风风机选取T35-11-2.8轴流风机一台，风量为1 605 m3/h，转速为1 450 r/min，功率为0.031 kW，单价500元。当新风量为1 500 m3/h时，间接蒸发冷却器循环水量为390 kg/h，泵选取RGB-15-10水泵一台，水泵流量为0.6 m3/h，功率为0.1 kW，单价为200元。新型新风处理机组的增量投资为6 010元，总投资为9 610元。

3.2 运行费用

(1)传统新风处理机组

夏季时一次空气所需冷量Q3为

(8)

假设夏季冷水机组COP为3，每小时耗电量为6.5 kW·h。

冬季时一次空气所需加热量Q4为11.1 kW，假设冬季冷水机组COP为4，每小时耗电量为2.8 kW·h。

(2)新型新风处理机组

夏季间接蒸发冷却器承担的冷量为7.7 kW，每小时耗电量为0.2 kW·h。经间接蒸发冷却器预冷后，夏季表冷器承担的11.7 kW冷量折算成每小时耗电量为3.9 kW·h。因此新型新风机组夏季每小时总耗电量约为4.1 kW·h。

当冬季区段日均太阳辐射强度为425.3 W/m2时，表冷器承担的一次空气加热量为2.8 kW，折算成每小时耗电量为0.7 kW·h。同理可以得到，当区段日均太阳辐射强度为279.4 W/m2、195.9 W/m2、112.2 W/m2、0 W/m2时，每小时耗电量分别为0.9 kW·h、1.0 kW·h、1.1 kW·h、1.2 kW·h。当机组在夜晚工作时，每小时耗电量为1.2 kW·h。

以新风机组每天工作12 h(白天8 h，晚上4 h)计，冬夏季各工作90 d，电费价格0.56元/kW·h，传统新风处理机组与新型新风处理机组冬夏季的运行耗电量及电费见表2。

与传统新风处理机组相比，新型新风处理机组夏季节能2 592 kW·h，节能率36.9%，节约费用1 451.5元；冬季节能1 949.2 kW·h，节能率64.0%，节约费用1 091.5元。全年节约能耗4 541.2 kW·h，可节约运行费用2 543元。

利用净现值分析法对新型新风处理机组进行回收期分析，折现率取8%，该机组的累积净现值见表3。

表2 两种新风处理机组耗电量与电费对比

表3 新型新风处理机组累积净现值表

静态投资回收年限=累计净现值流量出现正值的年份-1+该年初尚未回收的投资/该年净现值流量=3.7年

因此动态投资回收年限=累计折现值出现正值的年份-1+上年累计折现值的绝对值/当年净现值流量的折现值=4.7年

依照上述计算方法，当新风处理机组的风量为4 500 m3/h时，新型新风处理机组夏季节约能耗为7 236 kW·h，节能率为34.5%；冬季节约能耗5 688 kW·h，节能率为63.4%，全年节约能耗12 924 kW·h。全年节约费用7 237.3元，静态投资回收期为3.0年，动态投资回收期为3.6年。

4 结论

(1)新型新风处理机组利用太阳能空气集热器和间接蒸发冷却器对新风进行预热或预冷，间接蒸发冷却器的喷淋水利用冷凝水降低了喷淋水温，并利用室内排风作为二次空气，提高了换热效率，降低了新风处理能耗。

(2)与传统新风处理机组相比，新型新风处理机组夏季节能率为36.9%，冬季节能率为64.0%。

(3)与传统新风处理机组相比，当新风处理机组的风量为1 500 m3/h时，新型新风机组静态投资回收期为3.7年，动态投资回收期为4.7年，当为风量较大机组时，静、动态投资回收期均有所减小。