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呂錫民:建築節能供氣系統概述

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【大紀元2020年01月07日訊】人們大約有90%的時間待在室內空間。建築通風和新鮮空氣供應可以改善室內空氣品質,另外SBS和SARS的潛在爆發已成人們關注焦點。根據統計數據,人們吸入新鮮空氣約有400ppm二氧化碳濃度,而呼出廢氣則具有40,000ppm二氧化碳濃度,這顯示CO2是室內空間最首要減少的污染物之一。為了保持室內良好空氣品質,許多國家制定完備的HVAC設計規範,其中包含建築物內最小新鮮空氣含量。

用空氣處理機組是冷卻或加熱新鮮空氣最常見的方法。但是,室外新鮮空氣與室內空氣之間通常存在很大焓差,導致提供新鮮空氣的系統消耗大量能源。為了實現零能耗綠建築(ZEB)目標,被動式廢熱回收設備、主動式廢熱回收系統及地-空氣熱交換器已被開發。

減少建築物能源消耗並建造一個舒適環境是目前建築與能源界的一項共識。建築物耗能占全球能源消耗40%及全球碳排放30%以上。隨著生活水平提升以及人們對舒適度需求不斷增長,我們評估建築物的能源消耗將持續增加。如果建築界沒有提高能源效率,那麼到2050年,能源消耗可能會增加50%。

透過各種節能措施,ZEB能夠提升能源效率,從而降低能源需求,例如使用再生能源來滿足能源需求,可以實現不消耗常規能源的理想。許多節能措施已用於ZEB,包括:(1)被動式建築節能技術,如被動式太陽能採暖、自然通風和相變儲能;(2)高效率HVAC設備和系統。透過系統提高能源效率或回收建築物廢熱,這些技術可以大幅減少建築物的能源消耗。

在中國,設計規範要求建築物提供每人20-30m3/h的新鮮空氣,美國ASHRAE則建議新鮮空氣需求量為每人15-20cfm,而二氧化碳濃度應小於1,000ppm。由於新鮮空氣與室內空氣之間的焓差很大,因此需要消耗大量能量來換取所需新鮮空氣。

ASHRAE規範62.1-2010計算100m2人員密度下由於空氣交換而產生的額外熱負荷,並將其與沒有空氣交換的情況進行比較。結果顯示,如果新鮮空氣設計符合標準,則空調能耗將顯著增加(平均34%)。因此,採用節能技術減少新鮮空氣供應所需能耗對ZEB具有重要意義。

熱管(HP)作為一種有效傳熱技術,基於相變過程和蒸汽擴散,可將大量熱量長距離傳輸。熱管主要由三個部件組成:蒸發器部分、冷凝器部分和絕熱部分。當熱管開始工作時,熱源將管底部的液體先行蒸發,生成蒸氣藉由流體和蒸氣之間的密度差,到達熱管較冷的冷凝器部分。壁溫差導致蒸氣凝結並釋放潛熱,冷凝液返回蒸發器液池,在該處進行下一個循環動作的開始,持續進行有效熱傳遞。

熱管熱回收系統具有諸多優點,例如沒有活動部件,不需要外部電源,並且非常可靠。此外,熱管傳熱系統沒有交叉污染,熱回收系統適用於建築物中的所有溫度應用範圍。熱管熱交換器的效率取決於四個主要因素:(1)熱管蒸發器部分的入口溫度;(2)蒸發段和冷凝段的空氣流速;(3)管子排列方式,如交錯或直列管子排及管徑等;及,(4)熱管工作流體。

旋轉輪式熱交換器由於其高的熱效率和低的壓損失而在近年來受到許多關注。當旋轉輪系統開始工作時,冷流經過傳熱介質從熱流吸收熱量。系統作為熱量存儲資源首先存儲來自熱流的熱量,直到其又將該熱量傳給冷流為止。旋轉輪式熱交換器主要包括:旋轉多孔輪、密封件、殼體、動力機構。旋轉的多孔輪由馬達驅動,讓熱流和冷流連續流動通過。旋轉輪通常以3 rpm至15 rpm的相對低速運行。旋轉輪式熱交換器在建築通風系統中進行熱回收的效率可高達80%。

地-空氣熱交換器(EAHE)系統由埋在地下的一系列管道組成,用於在管道中的供應空氣與周圍土壤之間的熱交換,由於其節能潛力巨大,它們在零能耗建築中具有廣闊的應用前景。在夏天,室外的新鮮熱空氣由風扇抽入地下管道。新鮮空氣通過管道冷卻之後,接著吹入房間。在冬天,室外新鮮空氣溫度低於土壤溫度,因此室外新鮮空氣被土壤加熱。

熱電(TE)能量回收系統可以直接由太陽光電系統供電,並且可以通過調節熱電模組的工作電壓來主動控制溫度和濕度。熱電通風機的成本主要包括熱電模組、風扇、框架結構和熱交換器的成本。熱電模組約占總成本的35%。

經由工作電流的優化可以改善散熱條件並選擇高性能的熱電冷卻模組,同時進一步提高通風機性能。此外,換氣機的性能與熱電材料的品質因數ZT密切相關。目前,熱電模組的ZT約在0.6到0.7之間,最新材料在300K時的ZT高達2.4,而當TE材料的ZT = 2時,TE冷卻器的性能可以達到壓縮冷卻器的性能。

建築物中的新鮮空氣供應可以改善室內空氣品質。但是,隨著經濟的發展,世界上許多地方都遭受嚴重空氣污染,特別是顆粒物PM2.5。例如,2013年1月北京的室外PM2.5濃度增加到500-800μg/m3,大大超過中國環境品質標準75μg/m3的24小時平均水平。

為確保高的空氣品質,使用僅提供新鮮空氣的通風系統無法改善室內空氣品質。新鮮空氣系統需要空氣過濾器以清潔室外新鮮空氣供應。但是,過濾器會增加空氣阻力,從而導致更多的能耗。與新鮮空氣供應系統集成的不同類型空氣過濾器需要研究。

住宅建築的空氣品質對人們的健康非常重要,因為人們將大部分時間都花在室內。一般而言,分離式空調機在許多住宅建築中用於空間製冷和供暖,但是由於這些建築沒有新鮮空氣供應系統,因此人們經常打開窗戶以滿足新鮮空氣供應的需求,從而導致空調能耗增加。但是,由於城市污染日益嚴重,許多家庭不想打開門窗。另外,出於節能和隔音的考慮,現代建築中通常採用氣密式門窗。因此,住宅的新鮮空氣交換率非常低,開發適合住宅的新鮮空氣供應系統是一個亟待解決的問題。由於住宅房間受到地板高度影響,加上難以安裝傳統新鮮空氣系統,因此開發一種智慧型新鮮空氣供應系統,並與建築圍護結構結合,以為住宅提供新鮮空氣特別具有重要意義。

熱回收技術廣泛用於建築物的新鮮空氣供應系統。但是,開發高效率,低成本的設備以從廢氣中回收能量的道路仍然漫長。這些途徑包括開發新的技術,藉由更好的能量回收系統和工藝技術,來提高熱回收系統的效率。例如,使用高性能的熱電材料可以改善熱回收系統的性能。由於其簡單的系統和緊湊的結構,被動式能量回收系統(尤其是平板式熱交換器和熱管式熱交換器)可以輕鬆地與建築圍護結構和窗戶結合使用,從而減少了對建築空間的佔用。

太陽能是一種免費且取之不盡的資源。使用太陽能來冷卻或加熱建築物可以減少傳統的化石能源消耗,並具有很好的應用前景。例如,太陽光電熱(PVT)系統可以透過水或空氣流冷卻PV面板,同時為家用熱水供應或空間供暖,提供熱量來提高熱電效率,從而在適合太陽能應用中的有限表面上,最大程度地收集能量。因此,將PVT系統與被動式新鮮空氣系統或主動式廢熱回收系統結合使用可以實現超高的能量交換效率。

在所有節能技術中,被動式熱回收系統具有高能源效率,尺寸緊湊和成本低的優點。被動式熱回收系統僅需要風扇或泵,這樣它們就可以通過回收廢熱來處理新鮮空氣,從而獲得更高的能源效率。無源能量回收系統的能量和經濟性能取決於其效率、成本、維護以及氣候和室內設計參數。然而,被動式能量回收系統不能主動控制新鮮空氣的溫度和濕度,也不能為新鮮空氣的處理提供足夠的冷卻負荷。

主動式能量回收系統可以回收廢氣的潛熱,並主動控制新鮮空氣的溫度和濕度。熱泵中的空氣對空氣能量回收系統可以處理大量新鮮空氣,適用於大型商業建築和其他需要大量新鮮空氣的場合,但是它的能量回收系統比較複雜。熱電能量回收系統具有可靠性高,重量輕,沒有工作流體或運動部件的優點,該系統可以由太陽光電系統直接供電,並可經由熱電模組工作電壓的調節,來主動控制溫度和濕度。

地-空氣熱交換器(EAHE)是一種新型的無源技術,具有結構簡單,維護少,使用空氣作為工作流體,能耗低的優點。但是,EAHE系統也有一些缺點,例如安裝成本高,管道中的冷凝水以及需要通過小型潛水泵泵出冷凝水。由於EAHE系統的製冷劑是空氣,因此新鮮空氣中微生物的生長會導致空氣品質下降。

上述能量交換技術的開發和應用可以提高建築物的能量效率,並為實現零能耗建築物的目標提供傑出手段。但是,在新鮮空氣供應過程中仍有許多問題需要研究和解決。例如,在室外環境污染情況下,有必要開發新型通風設備和能夠過濾室外PM2.5的先進供氣系統。此外,住宅建築中的新鮮空氣系統也是亟待解決的問題。基本上,開發效率更高,成本更低,且更緊湊的智慧型新鮮空氣供應系統,對於建築節能和碳排放具有重要意義。

責任編輯:朱穎

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2020-01-07 7:10 AM
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