广东工业大学学报  2017, Vol. 34Issue (6): 93-96.  DOI: 10.12052/gdutxb.160160.
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引用本文 

周庆申, 刘丽孺, 王璋元, 王晓霞. 设置排风热回收的风冷冷水机组集中空调系统的能流分析[J]. 广东工业大学学报, 2017, 34(6): 93-96. DOI: 10.12052/gdutxb.160160.
Zhou Qing-shen, Liu Li-ru, Wang Zhang-yuan, Wang Xiao-xia. Energy Flow Analysis for Central Air Conditioning System with Air-cooled Water Chillers Setting Exhaust Air Heat Recovery Device[J]. JOURNAL OF GUANGDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2017, 34(6): 93-96. DOI: 10.12052/gdutxb.160160.

基金项目:

广东省自然科学基金资助项目(2016A030313711)

作者简介:

周庆申(1991–)，男，硕士研究生，主要研究方向为中央空调系统运行基准能耗. E-mail：1099407482@qq.com。

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收稿日期：2016-12-07
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
设置排风热回收的风冷冷水机组集中空调系统的能流分析
周庆申, 刘丽孺, 王璋元, 王晓霞     
广东工业大学　土木与交通工程学院，广东　广州  510006
收稿日期：2016-12-07
基金项目：广东省自然科学基金资助项目(2016A030313711)
作者简介：周庆申(1991–)，男，硕士研究生，主要研究方向为中央空调系统运行基准能耗. E-mail：1099407482@qq.com。
摘要: 为了从整体的角度系统分析中央空调系统设置排风热回收对系统总能耗的影响, 选取以风冷冷水机组为冷源的中央空调系统为研究对象, 在保证空调区域热舒适性及室内空气品质满足要求的前提条件下, 通过该系统从空调房间提取热量到最终排放到环境中4个连续环路的能流情况, 建立了空调系统不设置和设置排风显热、全热回收装置的能流系统分析模型. 并以广州某商业服务中心中央空调系统为例, 分别绘制了上述3种空调系统夏季设计工况下的能流图, 直观地表现了3种空调系统能流、能耗之间的差异, 为空调系统的优选及所选系统的节能降耗提供有用的信息.
关键词: 热回收    中央空调    风冷冷水机组    数学模型    能流    
Energy Flow Analysis for Central Air Conditioning System with Air-cooled Water Chillers Setting Exhaust Air Heat Recovery Device
Zhou Qing-shen, Liu Li-ru, Wang Zhang-yuan, Wang Xiao-xia     
School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China
Abstract: In order to systematically analyze the effect of setting exhaust heat recovery device on the overall energy consumption of the central air conditioning system, the central air conditioning system with air-cooled chiller as cold source is selected as study object. On the condition of meeting the requirement of the thermal comfort and indoor air quality, the energy flow mathematical models for this central air conditioning system with and without setting device of exhaust heat recovery are established through analyzing the energy flows of the four consecutive loops which extract energy from the conditioned spaces and reject it to the environment. Based on the HVAC design parameters of a commercial building in Guangzhou, the energy flow diagrams of this air conditioning system with and without exhaust heat recovery are drawn respectively, which can visualize the main differences of energy flow and energy consumption between different systems and provide useful messages for selection and energy saving potential of the system.
Key words: heat recovery    central air conditioning system    air-cooled chiller    mathematical models    energy flow    

随着人们对室内空气品质要求的提高，建筑新风量日益增加，空调夏季新风负荷约占到空调总负荷的30%~50%[1]. 新风节能已成为空调系统节能的重点领域，文献[2-3]中就强调设有集中排风的空调系统宜设置热回收装置，回收排风带走的冷量（热量），降低空调能耗.

目前往往视热回收装置新排风的换热量为节能量，这明显忽略了排风热回收装置对空调系统整体能耗的影响. 很多研究者[4-10]已经意识到：中央空调系统能耗不仅包括单个设备的能耗，其节能量也并非某一环节的节能量. 应从整体角度出发，系统分析热回收装置对空调系统的影响. 本文以风冷冷水机组为冷源的中央空调系统为研究对象，对其是否设置排风热回收装置的能流及能耗进行对比分析，以明确热回收装置对整个空调系统能耗的影响.

1 能流分析模型的建立 1.1 风冷冷水机组中央空调系统的能流链图

以风冷冷水机组中央空调系统为研究对象，空调系统从空调区域取热到通过冷凝器风机将热量排放到室外大气的过程中，各环路的能流情况如图1[11]所示.

图 1 以风冷冷水机组为冷源的中央空调系统能流链图 Figure 1 Energy flow chain chart for central air conditioning system with air-cooled chiller

从图1中可以看出，该空调系统包含了室内空气环路、冷冻水环路、制冷剂环路和室外排热环路4个连续的子环路，每个环路都有耗能设备和换热设备. 冷却盘管、蒸发器和冷凝器3组换热设备为联接各环路能流的桥梁，使各环路的能流紧密联系在一起.

若该空调系统设置了新风–排风热回收，热回收量为QRH（为示区别，用虚线箭头表示）. QRH通常也是人们认为热回收装置的节能量[12]，但从图1的整个能流链图可以看出，该值可直接影响后面各换热设备所承担的负荷，并进一步影响各环路设备的能耗及系统的总能耗.

1.2 能流系统分析数学模型的建立

本文在保证空调区域热舒适性及室内空气品质满足要求的前提条件下，以换热设备为节点，按照能流链图从左至右的方向对风冷冷水机组中央空调系统的能流进行分析.

末端冷却盘管联接室内空气环路和冷冻水环路，它既要负担室内空气环路中的负荷，又将负荷传递给冷冻水环路. 末端冷却盘管提供的冷量，既要消除室内的冷负荷和满足新风负荷，还要承担输送设备（风机）的机械能所转变的热量及冷风输送过程由于风管绝热不严密导致的管道传热冷损失. 若空调系统设置热回收装置后，其回收的冷量可抵消一部分盘管负荷. 末端冷却盘管的能量平衡方程为

${Q_{{\rm{PG}}}} = Q + {Q_{{\rm{XF}}}} - \left( {{Q_{{\rm{RH}}}}} \right) + {C_{{\rm{SF}}}} + {L_{{\rm{SF}}}}.$ (1)

其中，QPG、Q、QXF和QRH分别为末端冷却盘管的冷负荷、空调室内冷负荷、新风负荷和热回收的冷量，kW；CSF为末端风机功耗，kW；LSF为风管传热冷损失，kW. 其中，风机功耗可直接测量得出，其他负荷量计算式分别为

$\begin{array}{l}Q = {m_{{\rm{SF}}}}\left( {{h_{{\rm{HF}}}} - {h_{{\rm{SF}}}}} \right);\\[6pt]{Q_{{\rm{XF}}}} = {m_{{\rm{XF}}}}\left( {{h_{{\rm{XF}}}} - {h_{{\rm{HF}}}}} \right);\\[6pt]{L_{{\rm{SF}}}} = c{m_{{\rm{SF}}}}\Delta {t_{{\rm{SF}}}}.\end{array}$ (2)

其中，mSF，mXF为送风量和新风量，kg/s；hHF，hSF，hXF分别为回风、送风和新风的焓值，kJ/kg；c为空气比热容，kJ/(kg·℃)；ΔtSF为风管温升值，℃.

其中，当空调系统不设置热回收时，QRH为零. 当设置热回收时，根据热回收方式不同，可分为显热回收和全热回收[13-14]，对应的QRH分别为显热、全热回收冷量QXR和QQR，其计算式分别为

${Q_{{\rm{XR}}}} = {\eta _{{\rm{XR}}}}c{m_{{\rm{XF}}}}\Delta {t_{\rm{w}}},$ (3)
$\quad\quad\quad{Q_{{\rm{QR}}}} = {\eta _{{\rm{QR}}}}{m_{{\rm{XF}}}}\left( {{h_{{\rm{XF}}}} - {h_{{\rm{HF}}}}} \right).$ (4)

其中，QXR为显热回收冷量，kW；ηXR为显热回收效率，%；Δtw为室内外温差，℃；QQR为全热回收冷量，kW；ηQR为全热回收效率，%.

由式(1)~(4)可以看出，在其他条件不变的情况下，空调系统增设热回收装置时，一定程度上减少了末端冷却盘管负担的冷量.

蒸发器联接冷冻水环路和制冷剂环路，它既要负担冷冻水环路中的负荷，又将负荷传递给制冷剂环路. 以蒸发器为研究节点，蒸发器承担的负荷为:提供室内空气环路所需冷量（即末端冷却盘管冷负荷）；消除冷冻水泵工作时机械能转变为热能所需冷量；冷冻水管绝热不严密导致的管道传热冷损失. 蒸发器的能量平衡方程为

${Q_{{\rm{ZF}}}} = {Q_{{\rm{PG}}}} + {C_{{\rm{LD}}}} + {L_{{\rm{LD}}}}.$ (5)

其中，QZF、CLD和LLD分别为蒸发器冷负荷、冷冻水泵功耗和冷冻水管传热冷损失，kW. 冷冻水泵功耗可直接测量得出，冷冻水管传热冷损失可通过流量和温差间接计算出来，计算公式为 ${L_{{\rm{LD}}}} = C{M_{{\rm{LD}}}}\Delta {t_{{\rm{LD}}}}$ . 式中，C为水的比热容，kJ/(kg·℃)；MLD为冷冻水流量，kg/s；ΔtLD为冷冻水管道温升，℃.

冷凝器联接制冷剂环路和室外排热路，它既要负担制冷剂环路中的负荷，又将负荷传递给室外排热环路. 冷凝器能量平衡方程为

${Q_{{\rm{LN}}}} = {Q_{{\rm{ZF}}}} + {C_{{\rm{YS}}}}.$ (6)

其中，QLN为冷凝器的热负荷，kW；CYS为压缩机的功耗，kW.

对室外排热环路，冷凝器风机最终向室外排放的总热量为

$L = {Q_{{\rm{LN}}}} + {C_{{\rm{LN}}}}.$ (7)

其中，L为冷凝器风机向室外排放的总热量，kW；CLN为冷凝器风机的功耗，kW.

联合式(1)~(7)可以看出，在其他条件不变的情况下，若空调系统增设热回收装置，可直接减少末端冷却盘管负担的冷量，降低蒸发器、冷凝器的负荷量及排放到大气当中的热量，并进一步影响各环路的能耗及系统的总能耗.

2 能流图对比分析实例 2.1 工程概况及设计参数

结合具体的工程实例，应用上述的能流分析数学模型，对比分析以风冷冷水机组为冷源的中央空调系统是否设置排风热回收对系统能流、能耗的影响. 该工程位于广州市，为一栋提供餐饮服务的小型商业服务中心，主要功能房间为小餐厅；夏季空调室内外设计参数为26 ℃/60%和34.2 ℃/68%；空调室内冷负荷为1 108 kW，新风冷负荷为439 kW；空调设计供回水温度为7/12 ℃. 主要设备设计参数如表1所示.

表 1 风冷冷水机组中央空调系统主要设备及设计参数 Table 1 The main equipment and design parameters for central air conditioning system with air-cooled chiller
2.2 能流图的建立与对比分析

根据以上3种空调系统的设计参数，在不考虑管道传热冷损失，且空调室内冷负荷、新风负荷均相等的条件下，结合式(1)~(7)，分别计算空调系统是否增设热回收装置各个环路的能流量，并以消除空调区域1 kW冷负荷为基准进行折算，分别绘制设计工况下的能流图，如图2~4所示.

图 2 风冷冷水机组中央空调系统不设置热回收夏季工况能流图 Figure 2 Energy flow diagram for air conditioning system with air-cooled chiller without setting device of exhaust heat recovery in summer
图 3 风冷冷水机组中央空调系统设置显热回收夏季工况能流图 Figure 3 Energy flow diagram for air conditioning system with air-cooled chiller setting device of sensible heat recovery in summer
图 4 风冷冷水机组中央空调系统设置全热回收夏季工况能流图 Figure 4 Energy flow diagram for air conditioning system with air-cooled chiller setting device of total heat recovery in summer

从图2可以看出，空调系统新风负荷能流量为0.396，约占空调室内冷负荷的40%，新风负荷较大. 对比3个图可以看出，为了消除空调室内1 kW余热量，整个空调系统最终需要向环境排放的热量分别为1.898 kW、1.797 kW和1.577 kW，可见设置热回收，可有效减少中央空调对城市热岛效应的贡献.

由图3和图4可以看出，显热、全热回收的能流量为0.079 kW和0.238 kW，约占空调室内冷负荷的8%和24%. 为了消除空调室内1 kW余热量，整个空调系统没有设置热回收时的总耗能量为0.502 kW、设置显热回收时的总耗能量为0.48 kW、设置全热回收时的总耗能量为0.419 kW，空调系统设置显热、全热回收总节能量分别为0.022 kW和0.083 kW，约节能4.4%和16.5%，设置全热回收的节能效果较为明显.

2.3 空调系统比选

根据上述对比分析结果，提出3种空调系统对比选择的关键点如下：

(1) 在热回收效率不变的条件下，新风负荷大小决定了空调系统能流的减少量. 虽然显热回收效率高于全热回收，但显热实际回收冷量远小于全热回收，不能从热回收效率判断热回收效果.

(2) 为了消除空调室内1 kW余热量，显热和全热回收装置回收冷量分别为0.079 kW和0.238 kW，其对应空调系统节能量分别为0.022 kW和0.083 kW. 节能量并不等于热回收冷量，不能通过热回收冷量来判断空调系统的节能量大小.

(3) 热回收装置增加了通风管道的阻力，导致末端设备的能耗(CSF)增加[13]. 在热回收量较小的情况下，可能出现空调能耗不减反增的情况. 必须对比空调系统总能耗，作出节能性分析.

3 结论

能流图的对比分析法可直观地表现中央空调系统各环路能流、能耗之间的差异，从整体的角度，为不同空调系统的对比选择及节能分析提供有用的信息. 从案例中可得出，风冷冷水机组中央空调系统是否设置排风热回收，其空调系统能流、能耗均有较大变化，不能笼统地定义空调系统热回收量为节能量，而且设置显热与全热回收空调系统的节能效果差异明显，设置全热回收节能效果较优.

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