乙二醇热回收装置在实验动物设施运行中的节能效果

闫 辰 尚晓松 孙 波 刘 欣 李学勇

(1.中国医学科学院药物研究所，北京 100050)(2.中国电子工程设计院有限公司,北京 100142)

实验动物设施是人工环境设施，需要人为控制设施内空气的温度、湿度、压力、洁净度、换气次数等参数，使其符合相应的国家规范和标准要求。这些空气参数主要靠设施配套的通风空调系统来控制，而通风空调系统则是实验动物设施的主要能耗设备[1]。由于实验动物设施的排风中蕴含着大量的热能，在室内外温差较大的季节，将排风中所蕴含的热能回收并传递给新风，不仅能使高温季节的新风温度有所降低而减少制冷所需要的能耗，也能使低温季节的新风温度有所升高而减少加热所需要的能耗，也还能在严寒季节对新风进行预热而预防空调热交换盘管冻裂。因此，在实验动物设施的通风空调系统中安装热回收装置，是一项非常重要的节能和安全措施。

为了详细观测乙二醇热回收装置的实际使用性能，作者在本单位的实验动物设施中安装并使用了一套该装置。本文收集了该装置2019年全年连续运行的数据，以分析研究该装置的实际节能效果。

1 材料和方法

1.1 乙二醇热回收装置的组成

中国医学科学院药物研究所实验动物中心现有的屏障环境动物实验设施为一个总建筑面积1 130 m2的三层建筑，于2018年进行了净化装修改造并于当年末投入连续运行。该设施的通风空调系统由新风机组、空调机组、排风机组、乙二醇热回收装置等组成，见图1。

图1 通风空调系统组合形式示意图Fig.1 Combination form of ventilation and air conditioning system

其中的乙二醇热回收装置由排风机组内的热交换盘管、新风机组内的热交换盘管、乙二醇管路及循环泵等部分组成。为保障乙二醇盘管的热交换性能并避免因乙二醇盘管的增设而增加通风空调系统的风侧阻力，本设施设计时相应扩大了乙二醇热交换盘管所在风管的截面面积，故而乙二醇盘管的增设所增加的风阻可忽略不计。该装置运行时，通过乙二醇循环泵的运转，将排风中的热能回收并传递给新风，于低温季节提升新风的温度而减少空调机组的加热量，于高温季节降低新风的温度而减少空调机组的制冷量，从而实现节能运行，降低运行成本。

1.2 原始数据的采集处理

利用该设施配备的自控软件，对该设施的新风温度、新风相对湿度、热交换后的空气温度、热交换后的空气相对湿度等原始数据进行采集，频度为1次/h、全年采集8 760次数据记录和储存工作。由于1年完整的原始数据量过于庞大，且相近日期的室外温度近似，出于便于展示结果的角度考虑，本文仅从每月的上、中、下旬各抽取3个时间点的数据，对2019年全年12个月共计108个时间点的原始数据进行统计分析。

1.3 热交换数据的计算分析

根据空调常识，空气的热能应以焓来体现。通过湿空气焓湿图计算器，计算出新风焓值H1(kJ/kg)和热交换后空气的焓值H2(kJ/kg)。

根据热量回收计算公式Q=ρLΔH[2]，计算出每个时间点的热量回收值。其中Q为某个时间点的热量回收值(kJ/h)；ρ为标准大气压下空气的密度(1.295 kg/m3)；L为新风机组的实际风量(15 974 m3/h)；ΔH为热交换前后空气的焓差(H2-H1)。

根据公式P=αβQ，计算出每个时间点的热量回收值所对应的电量消耗值。其中P为电量消耗值(kW·h)；α系数指低温季节对应的电加热负荷(根据电工常数，电加热器的产热量与耗电功率之比取值0.98)和高温季节对应的制冷负荷(根据电工常数及本设施制冷系统的配置，本设施的制冷量与耗电功率之比取值2.9)；β为换算系数【1 kJ=1/3 600 (kW·h)】；Q为某个时间点的热量回收值(kJ/h)。

2 结果

2.1 热交换数据的统计结果

对全年12个月共计108个时间点的数据信息统计结果见表1，图2。

表1 热回收装置性能统计表Table 1 Statistical table of heat recovery unit performance

续表

续表

图2 热回收装置的性能曲线图Fig.2 Performance curve of the heat recovery unit

由表1和图2可见，乙二醇热回收装置的确能够实现节能。其节能效果与室内外温差呈正相关，温差越大，节能效果越明显；温差越小，节能效果越不明显。汇总2019年全年节能数据的统计结果显示，在保持室内温度全年稳定于(24.0±2.0)℃的状态下，当室外气温日均低于17.30 ℃(即每年的4月中旬之前和10月中旬之后)或高于26.15 ℃(即每年的6月下旬至9月中旬)时，乙二醇热回收装置节省的能耗高于其自身的能耗，具有实际运行意义；而当室外温度日均在17.30 ℃至26.15 ℃(即每年的4月中旬至6月下旬、9月中旬至10月中旬)之间时，乙二醇热回收装置节省的能耗低于其自身的能耗，失去实际运行意义，应当停止循环泵的运行。

2.2 热交换性能的分析结果

对2019年全年节能数据进行全面计算和分析后，得出的结果如下：

当处于制热季节时，该套乙二醇热回收装置累计可节省电量75 017.56 (kW·h)，在扣除热回收装置运行时7.5 kW循环泵所消耗的32 850.00 (kW·h)电能后，得出乙二醇热回收装置所节省的用电量合计为42 167.56(kW·h)。按照北京市现行的用电价格标准均值1.22元/(kW·h)计算，共计节省5.14万元运行成本。

当处于制冷季节时，该套乙二醇热回收装置累计可节省电量68 050.00(kW·h)，在扣除热回收装置运行时7.5 kW循环泵所消耗的32 850.00(kW·h)电能后，得出乙二醇热回收装置所节省的用电量合计为51 490.00(kW·h)。按照北京市现行的用电价格标准均值1.22元/(kW·h)计算，共计节省4.29万元运行成本。

综上数据，2019年全年共计节约运行成本9.43万元。

3 讨论

按照工作原理的不同，空气热回收装置大体可分为转轮式热回收、溶液吸收式热回收、板式热回收和乙二醇热回收几大类[3]。

转轮式热回收装置是通过新风与排风交替逆向流过转轮而将排风中的热能传递给新风。该装置可同时回收排风中的显热和潜热，因而对排风的全热回收效率高达60%～85%[3]；但该装置结构复杂，体积较大，造价较高，需要消耗动力，且在新风、排风之间存在10%～30%的交叉污染等缺陷[4]。

溶液吸收式热回收装置是通过一定的溶液(如氯化钙、溴化锂等)直接接触排风并吸收其中的热能，通过循环管路的转运，再直接接触新风并将热能传递给新风。该装置可同时回收排风中的显热和潜热，因而对排风的全热回收效率可达到30%～40%；但体积较大，造价较高，需要消耗动力，在送风、排风之间存在一定的交叉污染[3]。此外，实验动物设施排气中往往含有氨气，而络合物氨合氯化钙也具有膨胀、结块等缺点[5]。

板式热回收装置系是通过新风与排风交替逆向流过换热隔板，靠排风与新风的温差而将排风中的热能传递给新风。该装置结构简单，造价较低，不需要消耗动力，对排风的显热回收效率能达到67%[6]；但该装置体积较大，密封不严时能导致少量新风、排风的交叉污染，严寒季节排风微孔内的冷凝水易于结冰而污染微孔、加大风阻，室外空气质量较差时排风微孔易于堵塞而加大风阻。

乙二醇热回收装置系通过管道及循环泵的运行，使乙二醇在新风和排风之间循环运行，从而将排风中的热能传递给新风。该装置结构复杂，需要消耗动力，对排风的显热回收效率虽只有30%～40%[3]，但能通过乙二醇管路的灵活布置而降低新风、排风管路排布时对空间条件的要求，更能将新风、排风管路完全隔离而有效避免新风、排风的交叉污染。

综上所述，尽管转轮式热回收装置和溶液吸收式热回收装置的热回收效率都很高，但由于存在新风、排风之间的交叉污染，其在实验动物设施中的应用受到很大的限制；板式热回收装置的热回收效率虽也较高，但交换芯内微孔状的送风管和排风管本身就导致了风阻的增大，室外空气质量较差时和严寒季节微孔内的结冰都能够再次加大排风的风阻，现有制作工艺也很难杜绝新风、排风之间的交叉污染，其在实验动物设施中的应用也受到了一定的限制。相反，乙二醇热回收装置的热回收效率虽然较低，但新风、排风管路可根据实际需要灵活排布而降低对空间条件的要求，更能杜绝新风、排风的交叉污染，有效实现了节能减排，也完全满足实验动物设施的使用要求，应当在实验动物设施建设中得到推广应用。

本设施装配的乙二醇热回收装置初投资为19.38万元。按照每年节约9.43万元的费用计算，2.1年即可收回投资成本。与文献[7]报道的临沂某医疗病房楼乙二醇热回收装置“3～5年即可收回系统的初投资”相比，此装置的初投资收回时间更短。