閆 辰 尚曉松 孫 波 劉 欣 李學(xué)勇

(1.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所，北京 100050)(2.中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100142)

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施是人工環(huán)境設(shè)施，需要人為控制設(shè)施內(nèi)空氣的溫度、濕度、壓力、潔凈度、換氣次數(shù)等參數(shù)，使其符合相應(yīng)的國(guó)家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求。這些空氣參數(shù)主要靠設(shè)施配套的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)來控制，而通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)則是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施的主要能耗設(shè)備[1]。由于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施的排風(fēng)中蘊(yùn)含著大量的熱能，在室內(nèi)外溫差較大的季節(jié)，將排風(fēng)中所蘊(yùn)含的熱能回收并傳遞給新風(fēng)，不僅能使高溫季節(jié)的新風(fēng)溫度有所降低而減少制冷所需要的能耗，也能使低溫季節(jié)的新風(fēng)溫度有所升高而減少加熱所需要的能耗，也還能在嚴(yán)寒季節(jié)對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱而預(yù)防空調(diào)熱交換盤管凍裂。因此，在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中安裝熱回收裝置，是一項(xiàng)非常重要的節(jié)能和安全措施。

為了詳細(xì)觀測(cè)乙二醇熱回收裝置的實(shí)際使用性能，作者在本單位的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施中安裝并使用了一套該裝置。本文收集了該裝置2019年全年連續(xù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，以分析研究該裝置的實(shí)際節(jié)能效果。

1 材料和方法

1.1 乙二醇熱回收裝置的組成

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心現(xiàn)有的屏障環(huán)境動(dòng)物實(shí)驗(yàn)設(shè)施為一個(gè)總建筑面積1 130 m2的三層建筑，于2018年進(jìn)行了凈化裝修改造并于當(dāng)年末投入連續(xù)運(yùn)行。該設(shè)施的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組、排風(fēng)機(jī)組、乙二醇熱回收裝置等組成，見圖1。

圖1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)組合形式示意圖Fig.1 Combination form of ventilation and air conditioning system

其中的乙二醇熱回收裝置由排風(fēng)機(jī)組內(nèi)的熱交換盤管、新風(fēng)機(jī)組內(nèi)的熱交換盤管、乙二醇管路及循環(huán)泵等部分組成。為保障乙二醇盤管的熱交換性能并避免因乙二醇盤管的增設(shè)而增加通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)側(cè)阻力，本設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)相應(yīng)擴(kuò)大了乙二醇熱交換盤管所在風(fēng)管的截面面積，故而乙二醇盤管的增設(shè)所增加的風(fēng)阻可忽略不計(jì)。該裝置運(yùn)行時(shí)，通過乙二醇循環(huán)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，將排風(fēng)中的熱能回收并傳遞給新風(fēng)，于低溫季節(jié)提升新風(fēng)的溫度而減少空調(diào)機(jī)組的加熱量，于高溫季節(jié)降低新風(fēng)的溫度而減少空調(diào)機(jī)組的制冷量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，降低運(yùn)行成本。

1.2 原始數(shù)據(jù)的采集處理

利用該設(shè)施配備的自控軟件，對(duì)該設(shè)施的新風(fēng)溫度、新風(fēng)相對(duì)濕度、熱交換后的空氣溫度、熱交換后的空氣相對(duì)濕度等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，頻度為1次/h、全年采集8 760次數(shù)據(jù)記錄和儲(chǔ)存工作。由于1年完整的原始數(shù)據(jù)量過于龐大，且相近日期的室外溫度近似，出于便于展示結(jié)果的角度考慮，本文僅從每月的上、中、下旬各抽取3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)2019年全年12個(gè)月共計(jì)108個(gè)時(shí)間點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 熱交換數(shù)據(jù)的計(jì)算分析

根據(jù)空調(diào)常識(shí)，空氣的熱能應(yīng)以焓來體現(xiàn)。通過濕空氣焓濕圖計(jì)算器，計(jì)算出新風(fēng)焓值H1(kJ/kg)和熱交換后空氣的焓值H2(kJ/kg)。

根據(jù)熱量回收計(jì)算公式Q=ρLΔH[2]，計(jì)算出每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的熱量回收值。其中Q為某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的熱量回收值(kJ/h)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣的密度(1.295 kg/m3)；L為新風(fēng)機(jī)組的實(shí)際風(fēng)量(15 974 m3/h)；ΔH為熱交換前后空氣的焓差(H2-H1)。

根據(jù)公式P=αβQ，計(jì)算出每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的熱量回收值所對(duì)應(yīng)的電量消耗值。其中P為電量消耗值(kW·h)；α系數(shù)指低溫季節(jié)對(duì)應(yīng)的電加熱負(fù)荷(根據(jù)電工常數(shù)，電加熱器的產(chǎn)熱量與耗電功率之比取值0.98)和高溫季節(jié)對(duì)應(yīng)的制冷負(fù)荷(根據(jù)電工常數(shù)及本設(shè)施制冷系統(tǒng)的配置，本設(shè)施的制冷量與耗電功率之比取值2.9)；β為換算系數(shù)【1 kJ=1/3 600 (kW·h)】；Q為某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的熱量回收值(kJ/h)。

2 結(jié)果

2.1 熱交換數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)全年12個(gè)月共計(jì)108個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，圖2。

表1 熱回收裝置性能統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of heat recovery unit performance

續(xù)表

續(xù)表

圖2 熱回收裝置的性能曲線圖Fig.2 Performance curve of the heat recovery unit

由表1和圖2可見，乙二醇熱回收裝置的確能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能。其節(jié)能效果與室內(nèi)外溫差呈正相關(guān)，溫差越大，節(jié)能效果越明顯；溫差越小，節(jié)能效果越不明顯。匯總2019年全年節(jié)能數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在保持室內(nèi)溫度全年穩(wěn)定于(24.0±2.0)℃的狀態(tài)下，當(dāng)室外氣溫日均低于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)時(shí)，乙二醇熱回收裝置節(jié)省的能耗高于其自身的能耗，具有實(shí)際運(yùn)行意義；而當(dāng)室外溫度日均在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)之間時(shí)，乙二醇熱回收裝置節(jié)省的能耗低于其自身的能耗，失去實(shí)際運(yùn)行意義，應(yīng)當(dāng)停止循環(huán)泵的運(yùn)行。

2.2 熱交換性能的分析結(jié)果

對(duì)2019年全年節(jié)能數(shù)據(jù)進(jìn)行全面計(jì)算和分析后，得出的結(jié)果如下：

當(dāng)處于制熱季節(jié)時(shí)，該套乙二醇熱回收裝置累計(jì)可節(jié)省電量75 017.56 (kW·h)，在扣除熱回收裝置運(yùn)行時(shí)7.5 kW循環(huán)泵所消耗的32 850.00 (kW·h)電能后，得出乙二醇熱回收裝置所節(jié)省的用電量合計(jì)為42 167.56(kW·h)。按照北京市現(xiàn)行的用電價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)均值1.22元/(kW·h)計(jì)算，共計(jì)節(jié)省5.14萬(wàn)元運(yùn)行成本。

當(dāng)處于制冷季節(jié)時(shí)，該套乙二醇熱回收裝置累計(jì)可節(jié)省電量68 050.00(kW·h)，在扣除熱回收裝置運(yùn)行時(shí)7.5 kW循環(huán)泵所消耗的32 850.00(kW·h)電能后，得出乙二醇熱回收裝置所節(jié)省的用電量合計(jì)為51 490.00(kW·h)。按照北京市現(xiàn)行的用電價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)均值1.22元/(kW·h)計(jì)算，共計(jì)節(jié)省4.29萬(wàn)元運(yùn)行成本。

綜上數(shù)據(jù)，2019年全年共計(jì)節(jié)約運(yùn)行成本9.43萬(wàn)元。

3 討論

按照工作原理的不同，空氣熱回收裝置大體可分為轉(zhuǎn)輪式熱回收、溶液吸收式熱回收、板式熱回收和乙二醇熱回收幾大類[3]。

轉(zhuǎn)輪式熱回收裝置是通過新風(fēng)與排風(fēng)交替逆向流過轉(zhuǎn)輪而將排風(fēng)中的熱能傳遞給新風(fēng)。該裝置可同時(shí)回收排風(fēng)中的顯熱和潛熱，因而對(duì)排風(fēng)的全熱回收效率高達(dá)60%～85%[3]；但該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，造價(jià)較高，需要消耗動(dòng)力，且在新風(fēng)、排風(fēng)之間存在10%～30%的交叉污染等缺陷[4]。

溶液吸收式熱回收裝置是通過一定的溶液(如氯化鈣、溴化鋰等)直接接觸排風(fēng)并吸收其中的熱能，通過循環(huán)管路的轉(zhuǎn)運(yùn)，再直接接觸新風(fēng)并將熱能傳遞給新風(fēng)。該裝置可同時(shí)回收排風(fēng)中的顯熱和潛熱，因而對(duì)排風(fēng)的全熱回收效率可達(dá)到30%～40%；但體積較大，造價(jià)較高，需要消耗動(dòng)力，在送風(fēng)、排風(fēng)之間存在一定的交叉污染[3]。此外，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施排氣中往往含有氨氣，而絡(luò)合物氨合氯化鈣也具有膨脹、結(jié)塊等缺點(diǎn)[5]。

板式熱回收裝置系是通過新風(fēng)與排風(fēng)交替逆向流過換熱隔板，靠排風(fēng)與新風(fēng)的溫差而將排風(fēng)中的熱能傳遞給新風(fēng)。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，不需要消耗動(dòng)力，對(duì)排風(fēng)的顯熱回收效率能達(dá)到67%[6]；但該裝置體積較大，密封不嚴(yán)時(shí)能導(dǎo)致少量新風(fēng)、排風(fēng)的交叉污染，嚴(yán)寒季節(jié)排風(fēng)微孔內(nèi)的冷凝水易于結(jié)冰而污染微孔、加大風(fēng)阻，室外空氣質(zhì)量較差時(shí)排風(fēng)微孔易于堵塞而加大風(fēng)阻。

乙二醇熱回收裝置系通過管道及循環(huán)泵的運(yùn)行，使乙二醇在新風(fēng)和排風(fēng)之間循環(huán)運(yùn)行，從而將排風(fēng)中的熱能傳遞給新風(fēng)。該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要消耗動(dòng)力，對(duì)排風(fēng)的顯熱回收效率雖只有30%～40%[3]，但能通過乙二醇管路的靈活布置而降低新風(fēng)、排風(fēng)管路排布時(shí)對(duì)空間條件的要求，更能將新風(fēng)、排風(fēng)管路完全隔離而有效避免新風(fēng)、排風(fēng)的交叉污染。

綜上所述，盡管轉(zhuǎn)輪式熱回收裝置和溶液吸收式熱回收裝置的熱回收效率都很高，但由于存在新風(fēng)、排風(fēng)之間的交叉污染，其在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施中的應(yīng)用受到很大的限制；板式熱回收裝置的熱回收效率雖也較高，但交換芯內(nèi)微孔狀的送風(fēng)管和排風(fēng)管本身就導(dǎo)致了風(fēng)阻的增大，室外空氣質(zhì)量較差時(shí)和嚴(yán)寒季節(jié)微孔內(nèi)的結(jié)冰都能夠再次加大排風(fēng)的風(fēng)阻，現(xiàn)有制作工藝也很難杜絕新風(fēng)、排風(fēng)之間的交叉污染，其在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施中的應(yīng)用也受到了一定的限制。相反，乙二醇熱回收裝置的熱回收效率雖然較低，但新風(fēng)、排風(fēng)管路可根據(jù)實(shí)際需要靈活排布而降低對(duì)空間條件的要求，更能杜絕新風(fēng)、排風(fēng)的交叉污染，有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，也完全滿足實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施的使用要求，應(yīng)當(dāng)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施建設(shè)中得到推廣應(yīng)用。

本設(shè)施裝配的乙二醇熱回收裝置初投資為19.38萬(wàn)元。按照每年節(jié)約9.43萬(wàn)元的費(fèi)用計(jì)算，2.1年即可收回投資成本。與文獻(xiàn)[7]報(bào)道的臨沂某醫(yī)療病房樓乙二醇熱回收裝置“3～5年即可收回系統(tǒng)的初投資”相比，此裝置的初投資收回時(shí)間更短。