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吕锡民:建筑节能供气系统概述

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【大纪元2020年01月07日讯】人们大约有90%的时间待在室内空间。建筑通风和新鲜空气供应可以改善室内空气品质,另外SBS和SARS的潜在爆发已成人们关注焦点。根据统计数据,人们吸入新鲜空气约有400ppm二氧化碳浓度,而呼出废气则具有40,000ppm二氧化碳浓度,这显示CO2是室内空间最首要减少的污染物之一。为了保持室内良好空气品质,许多国家制定完备的HVAC设计规范,其中包含建筑物内最小新鲜空气含量。

用空气处理机组是冷却或加热新鲜空气最常见的方法。但是,室外新鲜空气与室内空气之间通常存在很大焓差,导致提供新鲜空气的系统消耗大量能源。为了实现零能耗绿建筑(ZEB)目标,被动式废热回收设备、主动式废热回收系统及地-空气热交换器已被开发。

减少建筑物能源消耗并建造一个舒适环境是目前建筑与能源界的一项共识。建筑物耗能占全球能源消耗40%及全球碳排放30%以上。随着生活水平提升以及人们对舒适度需求不断增长,我们评估建筑物的能源消耗将持续增加。如果建筑界没有提高能源效率,那么到2050年,能源消耗可能会增加50%。

透过各种节能措施,ZEB能够提升能源效率,从而降低能源需求,例如使用再生能源来满足能源需求,可以实现不消耗常规能源的理想。许多节能措施已用于ZEB,包括:(1)被动式建筑节能技术,如被动式太阳能采暖、自然通风和相变储能;(2)高效率HVAC设备和系统。透过系统提高能源效率或回收建筑物废热,这些技术可以大幅减少建筑物的能源消耗。

在中国,设计规范要求建筑物提供每人20-30m3/h的新鲜空气,美国ASHRAE则建议新鲜空气需求量为每人15-20cfm,而二氧化碳浓度应小于1,000ppm。由于新鲜空气与室内空气之间的焓差很大,因此需要消耗大量能量来换取所需新鲜空气。

ASHRAE规范62.1-2010计算100m2人员密度下由于空气交换而产生的额外热负荷,并将其与没有空气交换的情况进行比较。结果显示,如果新鲜空气设计符合标准,则空调能耗将显着增加(平均34%)。因此,采用节能技术减少新鲜空气供应所需能耗对ZEB具有重要意义。

热管(HP)作为一种有效传热技术,基于相变过程和蒸汽扩散,可将大量热量长距离传输。热管主要由三个部件组成:蒸发器部分、冷凝器部分和绝热部分。当热管开始工作时,热源将管底部的液体先行蒸发,生成蒸气藉由流体和蒸气之间的密度差,到达热管较冷的冷凝器部分。壁温差导致蒸气凝结并释放潜热,冷凝液返回蒸发器液池,在该处进行下一个循环动作的开始,持续进行有效热传递。

热管热回收系统具有诸多优点,例如没有活动部件,不需要外部电源,并且非常可靠。此外,热管传热系统没有交叉污染,热回收系统适用于建筑物中的所有温度应用范围。热管热交换器的效率取决于四个主要因素:(1)热管蒸发器部分的入口温度;(2)蒸发段和冷凝段的空气流速;(3)管子排列方式,如交错或直列管子排及管径等;及,(4)热管工作流体。

旋转轮式热交换器由于其高的热效率和低的压损失而在近年来受到许多关注。当旋转轮系统开始工作时,冷流经过传热介质从热流吸收热量。系统作为热量存储资源首先存储来自热流的热量,直到其又将该热量传给冷流为止。旋转轮式热交换器主要包括:旋转多孔轮、密封件、壳体、动力机构。旋转的多孔轮由马达驱动,让热流和冷流连续流动通过。旋转轮通常以3 rpm至15 rpm的相对低速运行。旋转轮式热交换器在建筑通风系统中进行热回收的效率可高达80%。

地-空气热交换器(EAHE)系统由埋在地下的一系列管道组成,用于在管道中的供应空气与周围土壤之间的热交换,由于其节能潜力巨大,它们在零能耗建筑中具有广阔的应用前景。在夏天,室外的新鲜热空气由风扇抽入地下管道。新鲜空气通过管道冷却之后,接着吹入房间。在冬天,室外新鲜空气温度低于土壤温度,因此室外新鲜空气被土壤加热。

热电(TE)能量回收系统可以直接由太阳光电系统供电,并且可以通过调节热电模组的工作电压来主动控制温度和湿度。热电通风机的成本主要包括热电模组、风扇、框架结构和热交换器的成本。热电模组约占总成本的35%。

经由工作电流的优化可以改善散热条件并选择高性能的热电冷却模组,同时进一步提高通风机性能。此外,换气机的性能与热电材料的品质因数ZT密切相关。目前,热电模组的ZT约在0.6到0.7之间,最新材料在300K时的ZT高达2.4,而当TE材料的ZT = 2时,TE冷却器的性能可以达到压缩冷却器的性能。

建筑物中的新鲜空气供应可以改善室内空气品质。但是,随着经济的发展,世界上许多地方都遭受严重空气污染,特别是颗粒物PM2.5。例如,2013年1月北京的室外PM2.5浓度增加到500-800μg/m3,大大超过中国环境品质标准75μg/m3的24小时平均水平。

为确保高的空气品质,使用仅提供新鲜空气的通风系统无法改善室内空气品质。新鲜空气系统需要空气过滤器以清洁室外新鲜空气供应。但是,过滤器会增加空气阻力,从而导致更多的能耗。与新鲜空气供应系统集成的不同类型空气过滤器需要研究。

住宅建筑的空气品质对人们的健康非常重要,因为人们将大部分时间都花在室内。一般而言,分离式空调机在许多住宅建筑中用于空间制冷和供暖,但是由于这些建筑没有新鲜空气供应系统,因此人们经常打开窗户以满足新鲜空气供应的需求,从而导致空调能耗增加。但是,由于城市污染日益严重,许多家庭不想打开门窗。另外,出于节能和隔音的考虑,现代建筑中通常采用气密式门窗。因此,住宅的新鲜空气交换率非常低,开发适合住宅的新鲜空气供应系统是一个亟待解决的问题。由于住宅房间受到地板高度影响,加上难以安装传统新鲜空气系统,因此开发一种智慧型新鲜空气供应系统,并与建筑围护结构结合,以为住宅提供新鲜空气特别具有重要意义。

热回收技术广泛用于建筑物的新鲜空气供应系统。但是,开发高效率,低成本的设备以从废气中回收能量的道路仍然漫长。这些途径包括开发新的技术,藉由更好的能量回收系统和工艺技术,来提高热回收系统的效率。例如,使用高性能的热电材料可以改善热回收系统的性能。由于其简单的系统和紧凑的结构,被动式能量回收系统(尤其是平板式热交换器和热管式热交换器)可以轻松地与建筑围护结构和窗户结合使用,从而减少了对建筑空间的占用。

太阳能是一种免费且取之不尽的资源。使用太阳能来冷却或加热建筑物可以减少传统的化石能源消耗,并具有很好的应用前景。例如,太阳光电热(PVT)系统可以透过水或空气流冷却PV面板,同时为家用热水供应或空间供暖,提供热量来提高热电效率,从而在适合太阳能应用中的有限表面上,最大程度地收集能量。因此,将PVT系统与被动式新鲜空气系统或主动式废热回收系统结合使用可以实现超高的能量交换效率。

在所有节能技术中,被动式热回收系统具有高能源效率,尺寸紧凑和成本低的优点。被动式热回收系统仅需要风扇或泵,这样它们就可以通过回收废热来处理新鲜空气,从而获得更高的能源效率。无源能量回收系统的能量和经济性能取决于其效率、成本、维护以及气候和室内设计参数。然而,被动式能量回收系统不能主动控制新鲜空气的温度和湿度,也不能为新鲜空气的处理提供足够的冷却负荷。

主动式能量回收系统可以回收废气的潜热,并主动控制新鲜空气的温度和湿度。热泵中的空气对空气能量回收系统可以处理大量新鲜空气,适用于大型商业建筑和其他需要大量新鲜空气的场合,但是它的能量回收系统比较复杂。热电能量回收系统具有可靠性高,重量轻,没有工作流体或运动部件的优点,该系统可以由太阳光电系统直接供电,并可经由热电模组工作电压的调节,来主动控制温度和湿度。

地-空气热交换器(EAHE)是一种新型的无源技术,具有结构简单,维护少,使用空气作为工作流体,能耗低的优点。但是,EAHE系统也有一些缺点,例如安装成本高,管道中的冷凝水以及需要通过小型潜水泵泵出冷凝水。由于EAHE系统的制冷剂是空气,因此新鲜空气中微生物的生长会导致空气品质下降。

上述能量交换技术的开发和应用可以提高建筑物的能量效率,并为实现零能耗建筑物的目标提供杰出手段。但是,在新鲜空气供应过程中仍有许多问题需要研究和解决。例如,在室外环境污染情况下,有必要开发新型通风设备和能够过滤室外PM2.5的先进供气系统。此外,住宅建筑中的新鲜空气系统也是亟待解决的问题。基本上,开发效率更高,成本更低,且更紧凑的智慧型新鲜空气供应系统,对于建筑节能和碳排放具有重要意义。

责任编辑:朱颖

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2020-01-07 7:10 AM
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