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独立新风系统运行的经济性分析
作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:    更新时间:2009-1-9

摘要: 本文介绍了独立新风系统的组成及特点、分析了全年运行工况;与VAV系统相比较,对其进行了初投资和运行费两方面的分析。结论指出,应用独立新风系统不仅可以克服传统空调系统形式的缺点,而且具有较好的经济性。

关键词: 独立新风系统 变风量系统

1 引言

独立新风系统(Dedicated Outdoor Air System,DOAS)的概念早在80年代就已在美国出现[1]。在ASHRAE Standard 62-1989颁布之后,由于需要增加一套独立的新风处理机组,DOAS系统并没有被完全接受。但是,在更为严格的ASHRAE Standard 62-1999通过之后,如何保证足够的新风量成为人们关注的焦点。室内空气品质内涵也更丰富,除新风量要求外,室内空气的安全性也提到了前所未有的高度。传统空调系统在消除和防止生物性或化学性污染方面没有专门的考虑,容易产生一些相关的问题,如:全空气系统的回风回用容易引发交叉污染,风机盘管系统的凝水盘存在滋生细菌的可能。另外,美国前些年结核病发病率的升高以及2001年9·11之后人们对生化恐怖袭击的恐惧,使人们对室内空气品质更加关注。尤其是全球性SARS疫情的爆发,引起人们对已有空调系统的疑虑。在此背景下,DOAS系统受到人们极大的关注。

2 DOAS系统

DOAS系统一般包括预热盘管、全热交换器、深度冷却盘管和显热交换器等设备,如图1所示[1]。最初提出DOAS是为了解决冷却吊顶系统表面结露的问题。通过深度冷却后的新风含湿量降低许多,送入室内后承担全部湿负荷和部分冷负荷。由于深度冷却盘管所要求的机器露点比较低,DOAS系统也常与冰蓄冷系统结合使用。另外,由于送风温度比较低,DOAS系统也兼有低温送风的优点。

在图1中,预热盘管(主要用于冬季)将状态1的室外新风加热,防止全热交换器处出现结霜现象。全热交换器在工程中也有使用板式换热或热管换热的情况,只是后两者不如前者控制灵活,调节范围大。当状态1和状态6的空气流量相同时,全热交换器的效率为85%。当室外新风的露点温度高于设计送风露点温度时,新风在深度冷却盘管处冷却到所要求的露点温度,同时新风的湿度降低;当室外新风的露点温度低于设计送风露点温度,这一功能段就不再对新风进行去湿。显热交换器起到再热的作用。如果房间热负荷特别大,允许冷风直接吹入,则显热交换器停止转动。但多数情况下都需要有再热装置,此时显热交换器转动。状态5到状态6为排风。状态5的室内排风与状态3的室外新风在显热交换器中进行热交换,全热交换器处依靠排风对新风进行冷却去湿(夏季)或加热(冬季),以达到热回收的目的。


图1 DOAS系统图

3 送风系统形式

DOAS系统可以与常规空调系统结合使用,主要有两种结合形式:直接送风形式和间接送风形式。

3.1 直接送风形式

如图2所示,DOAS系统直接向空调房间送风,室内潜热负荷由新风负担,显热负荷主要由房间空调设备负担[2]。室内局部空调末端在干工况下工作,有效减少了细菌滋生的机会;而且免除了冷凝水管路,从而简化了空调系统。图中的房间局部空调末端可以是水源热泵、冷却吊顶或风机盘管等。该系统形式的优点是能够保证房间的新风量要求,易于系统的风量平衡;其缺点是新风与回风可能混合不好,室内温度的均匀性可能欠佳[2]


图2 直接送风       图3 间接送风

3.2 间接送风形式

如图3所示,DOAS系统的送风首先进入局部空调末端,与回风混合后再送入房间[2]。这种系统形式的优点是:末端设备容量较小,可以节省吊顶空间;新风与回风充分混合,房间的温度均匀性较好。其缺点是:新风系统与空调末端相互串联,只要房间需要通风,空调末端就得运行。

上述两种系统形式都将回风限定在各自房间内部,从而降低了各房间交叉污染的可能性,而且室内局部空调末端在干工况下工作,避免了细菌滋生。因此,DOAS系统也成为SARS之后人们较多关注的空调方式[3]

4 运行工况分析

图4 工况分区        图5 工况分析

图4为DOAS系统的全年运行工况在焓-湿图上的分区图。图4、5中各数字所代表的状态说明如下:

1——室外新风状态点;

1’——新风预热后的状态点;

2——新风离开全热交换器所处的状态点;

3——送风状态机器露点;

4——送风参数点;

5——室内空气状态点;

6——室内空气等湿降温后的状态点。

图4中由3、4、5、6这四个点将焓-湿图分成了A、B、C、D四个区域。新风状态1可能位于A、B、C、D四个区域的任何位置。

当状态1位于A、B(由状态3的露点温度与状态6的焓这两条直线交叉得到)区域时,室外新风需要冷却去湿。在显热交换器处经过再热后,达到状态4,送入房间。当状态1处于C、D(由状态3的露点温度和状态4、5的连线交叉得到)区域时,应该对新风加湿。

如果状态1处于区域A中,为了回收排风状态6的冷量,全热交换器全速运转,将新风从状态1冷却去湿到状态2。在冷却盘管处,状态2的空气被处理到状态3。再经过显热交换器到状态4,送入房间。

如果状态1处于区域B中,全热交换器关闭,状态1、2重合。冷却盘管将新风处理到状态3,经过显热交换器至状态4再送入房间。

如果状态1处于区域C中,可以调节全热交换器,将状态1的新风处理到状态2,状态2位于状态3、4的连线上。再经冷却盘管将新风冷却到状态4送入房间,此时显热交换器关闭。区域C不需要末端再热或冷却,状态5、6重合。

如果状态1位于区域D中,新风需要预热到位于状态4、5连线上的状态1’。然后在全热交换器处加热、加湿,达到状态4,送入房间。

上述四种运行工况汇总结果见表1。

表1 DOAS系统的运行工况

区域

全热交换器

冷却盘管

显热交换器

A

按最高效率运行(转速最大)

维持在7℃左右

维持在13℃左右

B

关闭

维持在7℃左右

维持在13℃左右

C

按需要的露点温度调节

维持在13℃左右

关闭

D

按需要的露点温度调节

关闭

维持在13℃左右

5 运行经济性分析

本节引用文献[4]中的工程实例,对DOAS系统和VAV系统进行技术经济比较。

此工程为宾夕法尼亚州立大学的演播室,面积为297.3m2,吊顶高4.3m,照明安装在2.7m高度,设计容纳人数为40。DOAS系统为定风量、变温度运行,并联安装两台17.5kW的制冷机,DOAS冷却盘管和冷却吊顶各一套冷水管路,0.61m×3.96m的冷却吊顶单元三个一排,共八排。当室内冷负荷不大时只运行DOAS系统;当DOAS系统不能满足空调要求时开启冷却吊顶。如果采用VAV系统时,选用一台49kW的制冷机。DOAS系统与VAV系统均在上午8点开启,晚上7点停机。

5.1 冷却盘管负荷

VAV系统的冷负荷和新风负荷都是由空气处理机组中的冷却盘管负担;而DOAS系统的全热交换器负担新风的全部湿负荷和部分冷负荷,大部分新风冷负荷由空调机组冷却盘管承担,冷却吊顶负责显热负荷。相对于VAV系统DOAS系统节省了全热交换器处的负荷。经统计,VAV系统为39MWh/年;DOAS系统为36MWh/年,见图6。DOAS系统制冷机负荷减少了7.6%。

5.2 制冷机能耗

DOAS系统的制冷机能耗降低。VAV系统为10.6MWh/年;DOAS系统为7.9MWh/年,见图7。如前面给出的制冷机功率,因为能量回收,DOAS系统的制冷机能耗减少了近29%,年制冷机能耗约降低25﹪。


图6 冷却盘管负荷    图7 制冷机能耗

5.3 水泵能耗

由于采用冷却吊顶,DOAS系统的水泵能耗要比VAV系统的多一些。VAV系统为0.38MWh/年;DOAS系统为0.75MWh/年,增加0.37MWh/年,见图8,但增加的这一部分能耗可以由其它设备节省的能耗抵消。

5.4 风机能耗

本工程中新风量为566 L/s,人均14.2L/s,较标准新风量9.4L/s略高。VAV系统的设计风量为1520 L/s。VAV系统风机能耗为7.97MWh/年,比DOAS系统能耗2.33MWh/年要大,见图9,可知采用DOAS系统耗电量每年可节省71%左右。


图8 水泵能耗   图9 风机能耗

5.5 总能耗分析

以上分析了各设备的能耗,下面从整体运行能耗方面对两种系统进行分析对比。将上述三种能耗相加,得出总能耗,如图10。DOAS系统的总能耗为10.98 MWh/年,VAV系统的为18.92 MWh/年。DOAS系统相对节省运行能耗7.94 MWh/年,节能40%。


图10 总能耗分析

6 初投资对比分析

在初投资方面,DOAS系统与VAV系统相比较,也具有很大的竞争优势。本节引用文献[5]的工程实例对两种系统进行初投资比较。建筑物是位于费城(Philadelphia)的六层砖结构的办公楼,建筑面积17298m2,比较结果见表2。

表2 DOAS系统与VAV系统初投资比较(按美元折合人民币)

项目

单价

VAV系统

DOAS/CCRP系统

节省费用

(万元)

制冷机

2350. 7 元/kW

1789 kW

1076 kW

167.6

冷冻水泵

3310.8 元/L/s

53.5 L/s

46.4 L/s

2.4

风管

91.1 元/m2 DOAS

356 元/m2 VAV

17300 m2

17300 m2

458.2

空气处理机组

35.2 L/s VAV

70.4 L/s DOAS

73720 L/s

16048 L/s(新风)

11800 L/s,

100%新风

253.3

建筑层高降低带来的收益

3112.2 元/m2

400 m2

124.5

辐射板

1158. 8 元/m2

7365 m2

-852.4

净余利

153.5

表2中“建筑层高降低带来的收益”一项是由于DOAS系统需要的新风量较VAV系统少,总风量相应变少,造成风道尺寸减小,从而使得建筑层高降低,带来经济收益。

从表2可知,DOAS系统的初投资小于VAV系统的初投资。而且,DOAS系统被美国能源部2001年4月份出版的商业建筑能耗手册列为美国当今和未来,在经济上最有优势的15项暖通空调节能技术之一[7]

7 结论

DOAS系统用低温新风负担室内全部新风负荷、潜热负荷及部分显热负荷,既解决了新风问题,又解决了空调凝水污染问题;DOAS系统可以有效防止建筑内的交叉污染,而且技术经济各方面都是可行的。

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