动物房洁净室排风能量回收方案技术经济性比较

0 引言

   能源已成为制约经济发展的重要因素,节约能源亦已成为全社会的共识。随着经济的发展,科技的进步,净化空调的发展一发而不可收,与普通空调房间相比,洁净室单位面积的能耗要大得多。据有关部门统计,洁净室的各类负荷中,最主要的有新风负荷、风机温升负荷和工艺设备负荷三项,其中新风负荷最大,占总负荷的20%～70%[1],耗能非常可观。

    实验动物房洁净室除了需控制粉尘浓度外还要控制病菌个数,故不能采用带回风的空调系统,而只能采用直流式空调系统(洁净走廊可采用一次回风);为保证需要的洁净度,所需新风量远大于处理室内负荷所需的风量。新风量越大,处理新风需要的能量越多,同时也导致排风量增大,排风带走的热量增加。因此如何回收排风中的能量,对降低实验动物房洁净空调系统的能耗具有重要意义。

    本文针对实验动物房洁净室空调系统阐述了三种排风能量回收方案,并结合工程实例对各方案的经济性进行了分析。

1 排风能量回收方案

1.1 利用显热换热器回收能量

    动物房洁净空调系统排风一般都污染严重,排风与新风不能直接接触,故不能采用全热交换器。

    因此板式换热器、泵循环盘管换热器和热管换热器等显热换热器成为首选[2]。利用板式和泵循环盘管换热器回收排风能量通常有两种方式:直接气气式(如图1所示)和间接式(中间介质气环路方式,如图2所示);利用热管换热器回收排风能量时,热管可布置在任何位置。

1.2 利用空气源热泵回收排风能量

    利用空气源热泵回收排风能量,不仅可以减少新风处理能量,还可以改善热泵室外机的工作环境,从而提高热泵的制冷、制热效率。如图3所示,热泵室外机布置在专设的小室中,小室一般建在屋顶,小室面积视室外机设计风量和机型而定,小室外部可设保温层。通常空调系统排风由排风机组压入室内,系统排风入口上部设置一通风口,当系统排风量小于室外机所需风量时,它便成为室外空气的入口;当系统排风量大于室外机所需风量时,它则成为多余风量的出口。顶部风口为室外机排风口,风口上部还可设置一风帽,为减小风帽造成的风阻,风帽离小室顶部的距离应大于2m,这样既可以防止雨水直接洒在室外机组上,延长机组的使用寿命,又可以减少结霜的可能。

2 排风能量回收方案经济性分析

2.1 南华大学实验动物房洁净室简介

    南华大学实验动物房设计为SPF级乱流洁净室。正压梯度20Pa;空调设计计算参数见表1;设计送风量为10800m3/h,排风量为9200m3/h,新风量为9600m3/h;选用两台分体式空气源热泵处理新风,额定制冷量49kW/台、制热量53kW/台,机组全天运行。

2.2 负荷计算

    为计算全年所消耗的冷热量和全年所能回收的能量,需要全面了解该地区的年气象情况。表2给出了1951—1980年衡阳地区室外干湿球温度的频率分布,表中数据具有很好的代表性[3]。

    全年能耗用负荷频率表法计算,计算公式如下[4]:

    夏季,室内设计温度tn=25℃,室外空气平均比定压热容cp取1.005kJ/(kg・℃

),则根据式(1)和上述衡阳年平均气象情况可得夏季处理1kg空气所需新风显冷量为qx=10271.1kJ/(kg・a)。冬季,室内设计温度为20℃,同理可得冬季处理1kg室外空气所需室外新风加热(显热)量为qd=35850.36kJ/(kg・a)。系统处理新风量为9600m3/h,则全年所需显热量Qd=9600m3/h×1.2kg/m3×(35850.36kJ/(kg・a)+10271.1kJ/(kg・a))=5.31×108kJ/a。

2.3 能量回收方案

    根据该工程空调系统新风处理耗能量大,排风能量浪费的特点,提出了如下三种排风能量回收方案。

2.3.1 板式换热器方案该方案能避免新风与排风交叉污染,回收原理如图1所示。由于系统排风量及机房空余面积较大,设计选用BR16M免粘胶垫型气气板式换热器,主要技术参数见表3。

    由于换热器工作环境不稳定,且新风和排风温度相差不大,故按表3中的最大参数进行设计以保证在任何情况下都能达到很好的回收效果。板式换热器满负荷运行下效率η取0.6。

2.3.2 热管换热器方案

    热管能够冬夏两用,选用吸液芯式热管换热器水平布置,热管一头设在排风管内,另一头设在送风管内,如图4所示。

    由于系统新、排风量及机房空余面积较大,选用ZJAA型热管换热器,管材为铝,工质为氨,工作温度-60～70℃,长度3m,直径40mm。经计算得新风管中风速为2.73m/s,排风管中风速为2172m/s。为确保能量回收的效率,选用10排热管,热管换热器的换热效率为0.65。

2.3.3 空气源热泵方案

    如图3所示,夏季排风直接引入屋顶小室。排风平均温度为26℃,排风量为9200m3/h;室外机在设计工况下,即室外干球温度36℃时所需风量14400m3/h。根据表2衡阳地区气象资料,大于36℃的时间为50h左右,在此条件下热泵将无

法在额定工况下运行。若将排风引入室外机与室外空气混合,则由于两者的密度相差不大,可近似取气体的体积流量代替质量流量,从而得到混合后的温度:

    随着室外气温的降低,小室内的温度将不断接近26℃,冷凝器的冷凝温度大大降低,从而提高了机组的COP值,降低了机组的能耗。同理可得冬季室外气温最低时,混合后的空气温度:

    从上面的计算可知,即使在环境温度最恶劣的情况下,小室内的混合温度也大于等于6℃,大于等于有学者提出的最佳经济平衡点温度(长沙为6℃)[5],从而可以省去电锅炉加热器,减少初投资,减少能耗;并彻底排除结霜可能性,大大提高蒸发器的蒸发温度,提高机组的工作效率即COP值,进一步降低机组的耗能,延长机组的使用寿命。

2.4 三种方案的经济性分析和比较比较结果见表4。

    由于板式换热器和热管换热器方案均增加了风机能耗,而空气源热泵方案则无须另加动力设备,故空气源热泵方案节省运行费用最多,计算运行费时电价按0.55元/(kWh)计算。初投资包括主要设备和为克服能量回收设备引起的风管压降

所增加的风机的投资,以及设备的安装费等。对于空气源热泵方案,其初投资主要为建造小室的投资,因而其初投资相对最低。

3 结论

3.1 排风能量回收方案较多,本文介绍的三种方案用于直流式洁净室空调系统的排风能量回收,均有良好的节能效果。三种方案的全年回收能量基本相当,热管换热器回收量最大,但其初投资也最大,回收期较长。空气源热泵方案虽然全年回收量相对最少,但由于其初投资很小,又无额外增加风机耗能,投资回收期仅需3个月,因而笔者认为此种方案为本工程(原本采用空气源热泵方案)的最佳排风能量回收方案。

3.2 本文的分析结果并不一定适合其他空调系统。各种空调系统的排风方式不同,排风量也不同,因此在设计时应该根据空调系统用途、排风方式、排风量的多少以及各地的气候状况,对各种方案的可行性和经济性进行比较,并优选最佳方案在工程中应用。