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低温送风独立新风系统(CDOAS)的能耗分析——全新风CDOAS

[ 字号：大中小 ] [ 关闭 ] 2009-3-9 16:37:56 来自网络作者：admin 浏览次数：次发表评论

美国的炭疽病毒事件、全球SARS疫情和禽流感疫情的不断出现使空调系统的安全性变得突出重要，独立新风系统（dedicated outdoor air system，以下简称DOAS）开始重新受到国际暖通空调界的重视，低温送风独立新风系统（cold air distribution dedicated outdoor air system，以下简称CDOAS）被美国能源部认为是最具节能潜力的技术之一^[1]。

CDOAS是传统空调技术的全新组合，其突出的特点是：空调系统无回风、低温送风、送排风采用间接热回收装置^[2] 、室内末端装置无凝结水产生。根据新风负担室内负荷的不同，CDOAS可分为全新风CDOAS（新风负担全部室内负荷）、新风-水CDOAS和新风-冷剂CDOAS（新风负担全部室内潜热负荷，甚至更多的显热负荷，室内末端设备负担剩余负荷）。全新风CDOAS与常温全空气系统相比具有：空气品质好（无回风污染）、安全、风道断面尺寸小、节约建筑空间、空调房间无凝水等优点。但就目前来讲全新风CDOAS在我国尚未广泛推广应用，仍然是一项有待深入研究和探讨的新技术，有很多课题尚需解决，分析全新风CDOAS的能量消耗状况对工程设计人员的实际应用具有重要的借鉴意义。

2 全新风CDOAS的主要组成

全新风CDOAS主要由低温冷源（提供不高于4℃的冷冻水）、新风机组（送风温度不高于7℃）、风道、诱导风口、空调房间和新、排风热回收装置等组成（见图1）。

3 全新风CDOAS与常温全空气系统的能耗分析比较

对于制冷系统的能耗比较，常用的指标有当量热力系数^[5]和一次能源利用率等，这些指标的共同含义是单位一次燃料所制取的冷量（或热量），但这些指标并不能全面反映空调系统末端的能耗状况，因为即便是某种制冷方式当量热力系数较高，即单位一次燃料所制取的冷量较大，但究竟这些冷量用于负担多少空调房间冷负荷，并没有体现出来，需要引入一个指标用于比较整个建筑空调制冷系统能耗的高低。笔者将这一指标定义为冷耗率（Cooling Load and Primary Energy Consumption Ratio, 以下简称CECR），即：空调房间单位冷负荷所消耗的一次能源。当空调制冷系统确定后，空调房间冷负荷即为定值，在满足工艺及舒适要求的条件下，整个系统的冷耗率越低，越有利于节能。

本文从整个建筑空调制冷系统的总能耗角度出发，通过对全新风CDOAS和常温全空气系统（供给7℃的冷冻水）的冷耗率进行比较，分析全新风 CDOAS的节能优势。为便于比较，各系统均采用相同的室内冷负荷Q_L，直接采用露点送风，不考虑风机温升和再热。

3.1 全空气系统的空气处理流程：

对于全空气系统，常见的有：混合式系统和全新风系统，而全新风系统又分为常温全新风系统和低温全新风系统（CDOAS）。

全空气系统夏季空气处理流程的i-d图示见图2，空气处理过程为：

其中：N为空调房间室内状态点，W为夏季空调室外状态点，C为室外新风和室内排风进行全热回收后的状态点，L为机器露点，ε为空调房间的热湿比。

对于C点：当空调系统为混合式系统时，C点为夏季室外新风和部分室内排风进行直接混合、全热回收后的状态点，能量的回收为新、排风直接混合，全热回收效率η的大小取决于系统的混合新风比m，满足公式：η=1-m，新风比m越小（但m≮10%），η越高；而当空调系统为全新风系统时，C点为夏季室外新风和室内排风进行间接全热回收后的状态点，全热回收效率为η，η与热回收装置的结构、换热材质和对流换热强度等因素有关。

对于L点：当空调系统采用常温送风时，L点的温度一般在10.5～17℃之间（冷冻水供水温度为7℃）；而当空调系统采用低温送风时，L点的温度一般在5～7℃（冷冻水供水温度低于4℃）。

3.2 全新风CDOAS与常温全空气系统的能耗分析比较：

3.2.1 全空气系统的主要耗能设备及其能耗计算的一般数学模型：

（1）空调房间的冷负荷为： kW

空调房间的送风量为：㎏/s

（2）风机的送风量为：㎏/s

风机的耗功率为： kW （3-1）

（3）制冷机的制冷量为： kW

制冷机的耗功率为： kW （3-2）

C点的焓值为： kJ/kg （3-3）

（4）冷冻水泵的流量为：㎏/s

冷冻水泵的耗功率为： kW （3-4）

（5）制冷机的冷凝热为： kW

冷却水泵的流量为：㎏/s

冷却水泵的耗功率为： kW （3-5）

（6）全空气系统的冷耗率为：，其中： kW

整个系统的总耗功率为： kW

则有整个系统的CECR为：（3-6）

将式（3-1）、（3-2）、（3-3）、（3-4）、（3-5）代入（3-6）得：

（3-7）

其中：Q_L为空调房间的冷负荷，kW；G为空调房间的送风量（G’为风机风量），㎏/s；P为风机的全压，kPa；H₁、H₂分别为冷冻水泵和冷却水泵的扬程，kPa ；E为整个空调制冷系统所消耗的一次能源，kW； i_C、i_L、i_N分别为C、L、N点的焓值，kJ/kg；cop为制冷机的性能系数；ρ₁为空气的密度，kg/m³；ρ₂为水的密度，kg/m³；η为送、排风的全热回收效率；η₁为风机的全压效率；η₂为冷冻水泵的全压效率；η₃为冷却水泵的全压效率；η_d为电网的供电效率；c为水的质量比热，kJ/kg·℃；Δt₁ 和Δt₂分别为冷冻水和冷却水系统的供回水温差。以上计算均忽略管网的冷量损失。

3.2.2 结合实例对全新风CDOAS与常温全空气系统进行能耗分析：

表1： N和W点的参数值
状态点	温度 (℃)	相对湿度(%)	湿球温度(℃)	焓 (kJ/kg)	含湿量 (g/kg干)
N点	25	50	17.8	50.3	9.8
W点	35	60	28	89.7	21.3

当空调对象确定后，空调系统的Q_L、室内状态点N和夏季空调室外状态点W的各参数值即为已知值。

【例1】：取P=1.4kPa，H₁=240 kPa，H₂=320 kPa，η₁=90%，η₂=90%，

η₃=90%，η_d=34%，Δt₁ =5℃，Δt₂=5℃，ρ₁=1.2 kg/m³，ρ₂=1000 kg/m³，c=4.19 kJ/kg·℃, N和W点的参数值见表1。

将上述各数值代入式（3-7）得：（3-8）

通常制冷机的COP随其蒸发温度的降低而降低，当冷却水进口温度为32℃时，螺杆式制冷机的COP随蒸发温度变化趋势见图3^[6]。由于蒸发器和表冷器等设备为间接换热，制冷剂、冷冻水和送风露点之间有温差存在，现取送风露点温度与制冷机蒸发温度的差值为8℃。对于露点温度t_L<10.5℃（制冷机蒸发温度低于2.5℃）的系统，制冷机COP按图3取值；对于t_L≥10.5℃（制冷机蒸发温度为2.5℃）的常温送风空调系统，取制冷机COP=4.48；各露点温度t_L（Φ=95%）和与之相对应的焓值见表2。那么给定一个蒸发温度t₀，就对应一个COP，同时也对应一个t_L（即i_L），η分别取50%、60%、70%和80%，根据式（3-8）全空气系统的CECR随送风露点温度t_L变化的曲线见图4。

表2：送风露点温度（Φ=95%）和与之相对应的焓值

t_L（℃）	0	1	2	3	4	5	6	7	8
i_L（kJ/kg）	9.0	10.5	12.5	14.0	16.0	18.0	20.0	22.0	24.0
t_L（℃）	9	10	11	12	13	14	15	16	17
i_L（kJ/kg）	26.0	28.0	30.5	33.0	35.0	38.0	40.5	43.5	46.0

分析：

（1）对于全空气系统：全热回收效率为η的全新风系统和新风比满足m=1-η的混合式系统的冷耗率CECR随露点温度t_L变化的曲线重合，即在Q_L和t_L相同时，它们的CECR相同，一次能源消耗相同。

（2）对于全空气系统：在全热回收效率η一定时，当t_L>7℃时，系统的冷耗率CECR随其机器露点温度t_L的降低而减小，系统能耗逐渐减小；当t_L<5℃时，系统的CECR随其机器露点温度t_L的降低而出现增大的趋势，系统能耗开始增大；当t_L=5～7℃，系统的CECR处于最小值区间。说明：全空气系统采用低温送风（t_L=5～7℃）比采用常温送风（t_L≥10.5℃）或更低的露点温度送风（t_L<5℃）都节能。

（3）对于全新风CDOAS：全热回收效率为η的全新风CDOAS采用5～7℃的露点温度送风比新风比m=1-η的混合式系统和全热回收效率为η的全新风系统采用常温送风节能，能耗节约的多少取决于两个参比的露点温度。比如：在【例1】的室内和室外状态点下，对于全新风CDOAS和常温全空气系统，当η=70%（或m=30%）时，用t_L=6℃时的CECR与t_L=11℃时的CECR相比，全新风CDOAS可节4.5%的能耗，而与t_L=15℃时的CECR相比则可节约的35.2%的能耗；采用其它露点温度比较，节约能耗的幅度甚至会更高。

（4）对于全新风CDOAS：在相同的t_L下，所采用热回收装置的全热回收效率η越高，系统的CECR越小，越节能。比如：在【例1】的室内和室外状态点下，当t_L=6℃时，η为80%和η为50%时的冷耗率相比可节约能耗21.5%。

（5）对于全新风CDOAS：任意两工况的冷耗率相比，其能耗的高低主要与其采用制冷机的COP、送风的露点温度t_L和热回收装置的全热回收效率η等因素有关。