DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.03.043

居住建筑夜间排风热回收运行性能

段飞¹，廖胜明^{1, 2}，曹小林^{1, 2}

 (1. 中南大学能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083;

2. 中南大学 流程工业节能湖南省重点实验室，湖南 长沙，410083)

摘要：基于睡眠热舒适和室外气象参数的排风热回收性能全面分析数学模型，提出排风热回收节能评价指标即节能潜力指数。应用该指标对我国不同热工分区下的3个典型城市居住建筑夜间排风热回收节能效果进行分析，并依据热回收效率和室内设计参数对排风热回收运行方案进行优化。研究结果表明：在制冷季，全热回收模式下夏热地区几乎全时段均可采用排风热回收；在寒冷地区和夏热冬冷地区全年更适合采用全热回收模式，而夏热冬暖地区制冷季采用全热回收模式、制热季采用显热回收模式更为有利；全热回收效率对夏热地区的制热季节能潜力指数的影响不大，而显热回收效率几乎对各典型城市制冷季节能潜力指数没有影响；在制冷季选择较高的温度和较大的相对湿度、制热季选择较低的温度和较小的相对湿度可有效减小空调运行能耗。

关键词：居住建筑；数学模型；排风热回收；节能潜力指数

中图分类号：TU83            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)03-1110-08

Performance of exhaust heat recovery in residential building at night

DUAN Fei¹, LIAO Shengming^{1, 2}, CAO Xiaolin^{1, 2}

(1. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Hunan Key Laboratory of Energy Conservation in Process Industry, Central South University,

Changsha 410083, China)

Abstract: Based on the thermal comfort of sleeping and outdoor meteorological parameters, a mathematical model about comprehensive analysis of exhaust heat recovery performance was established, and evaluation of exhaust heat recovery of energy-saving potential index was proposed. The performance of exhaust heat recovery energy-saving in three typical urban residential buildings of different thermal partitions was analyzed. Exhaust heat recovery running scheme was optimized on two main factors of heat recovery efficiency and indoor design parameters. The results show that the exhaust heat recovery can work in whole cooling season in hot summer regions in the condition of enthalpy recovery pattern. Cold regions, hot summer and cold winter regions are more suitable for enthalpy recovery pattern all-year round, but using enthalpy recovery pattern in cooling season and using sensible heat recovery pattern in heating season are more favorable in temperate regions. Enthalpy heat recovery efficiency doesn’t affect the energy saving potential index of hot summer regions a lot in heating season, and sensible heat recovery efficiency almost doesn’t affect it in cooling season of all typical urbans. Choosing relatively high temperature and greater relative humidity in cooling season, and choosing relatively low temperature and smaller relative humidity in heating season can effectively reduce air conditioning energy consumption.

Key words: residential building; mathematical model; exhaust heat recovery; energy-saving potential index

随着中国经济的快速发展和城镇化进程的不断加快，近30%的社会总能耗消耗于建筑^[1]。而占建筑总面积60%以上的居住建筑^[2]，由于其具有特殊的使用功能、运行时间、人流密度及建筑构造等，造成居住建筑的空调负荷较大。同时，由于建筑围护结构密闭性加强及对室内空气品质要求提高，引入新风所造成的附加空调能耗占空调总能耗的20%~30%，并且还将继续加大。为缓解引入新风对空气品质的改善与空调能耗增加的矛盾，应用排风热回收技术回收排风能量来预热或预冷新风，可有效减小新风能耗，目前已成为建筑节能的主要途径之一，并受到国内外学者的广泛关注^[3-9]。有学者基于不同的建筑类型对排风热回收的节能减排效益进行了研究^[3-4]，发现对不同的建筑类型排风热回收的节能效果均较明显，宾馆类建筑的节能效益比办公建筑和商场建筑的节能效益低；也有学者在不同地域基础上对排风热回收技术的应用进行了研究^[5-9]，得出全热回收模式适用于各种气候条件，而采用显热回收模式的适用性要取决于室外气候条件和新风量的结论。然而，目前的研究成果对居住建筑的关注不够，对夜间排风热回收的研究更少，而且对不同室外气象条件下使用排风热回收的节能效益缺乏统一的评价标准和认识。实际上，排风热回收技术的应用条件和所产生的节能效益在很大程度上依赖于建筑的使用时间和室外气象条件，而我国地域辽阔，各地区气候差异较大，不同地区排风热回收的节能效果存在差异。为此，本文作者建立基于睡眠热舒适和室外气象参数的排风热回收性能全面分析数学模型，并在此基础上提出排风热回收节能评价指标即节能潜力指数，采用该方法对基于不同热工分区的3个典型城市的居住建筑夜间排风热回收节能效果进行分析，并依据热回收效率和室内设计参数2个主要影响因素对典型城市夜间排风热回收的运行方案进行比较分析。

1  数学模型

1.1  室内热舒适环境参数控制模型

居住建筑夜间的使用功能是睡眠，PMV-PPD评 价指标是基于人体处于活动状态且穿着衣物这2个前提，这与睡眠状态下的人体状态和外部环境有很大差别，据此对睡眠热舒适进行评价并不合适。为了对睡眠热舒适进行合理评价，Lin等^[11-12]提出了PMV-PPD评价指标，通过理论推导和试验测试建立了睡眠热舒适评价指标Q：

              (1)

式中：R_t为床褥系统热阻，m²·℃/W，夏季工况取0.32 m²·℃/W，冬季工况取0.64 m²·℃/W^[13]；t_r为平均辐射温度，℃；t_a为周围空气温度，℃，基本等于t_r；h_r为人体表面辐射换热系数，W/(m²·℃)，取3.235 W/(m²·℃)^[13]；h_c为人体表面对流换热系数，W/(m²·℃)；p_a为水蒸气分压力，kPa。

室内参数变化对Q的影响如图1所示。从图1可以看出：在夏季工况下，当温度为24~25 ℃以及相对湿度为40%~80%时，以及在冬季工况下，当温度为13~15 ℃以及相对湿度为30%~70%时，Q均在区间[-0.5，0.5]内，满足睡眠热舒适条件^[10]。

图1  室内参数对热舒适评价指标Q的影响

Fig. 1  Effect of indoor parameters on Q

1.2  热回收能耗模型

1.2.1  热回收能量收益

根据排风热回收装置换热芯体的不同，可以将热回收模式分为全热回收模式和显热回收模式，根据其换热效率的计算方法和传热分析得到能量收益E₁计算模型：

     (2)

式中：m为季节模式变换参数，m=1表示制热季，m=2表示制冷季；ρ为空气密度，取1.2 kg/m³；G为新风量，m³/h；α为排风新风比，取0.9；ε_h为全热效率；ε_t为显热效率；h₁为室外新风焓，J/g；h₃为室内空气焓，J/g；t₁为室外新风温度，℃；t₃为室内空气温度，℃。

1.2.2  热回收能耗模型

热回收装置的动力部件为风机，运行时风机消耗功率W为^[14]

              (3)

式中：p为热回收装置全压，取0.4 kPa；η为包含风机、电动机及传动效率在内的总效率，取0.52^[14]。若空调也消耗同样的功率W，则可得空调的制冷量或制热量E₂为

               (4)

式中：为空调能效系数，夏季制冷取2.8，冬季制热取2.3^[15]。

2  热回收节能潜力指数

不难看出，只有当E₁＞E₂时，热回收才会有节能效果。根据式(2)~(4)即可得到适合采用排风热回收的判断依据。

全热回收模式：

        (5)

显热回收模式：

         (6)

为评价不同地域及不同建筑类型排风热回收的节能效果，提出节能潜力指数的概念。其定义如下：在室外气象参数满足排风热回收的使用条件下，在单位时间内排风热回收装置的能量收益与采用空调器消耗相同的功耗所产生的制冷量或制热量的差值(即排风热回收的相对可节能量)，再除以排风热回收装置实际的运行功耗的累计平均值。其物理意义在于评价排风热回收的节能潜力，同时也可作为室内设计参数的合理性判据。

                (7)

式中：i为排风热回收可用时间；n为排风热回收在某工况运行总时间，h；E_1i为i时刻排风热回收的能量收益，kW。

3  基于不同热工分区典型城市分析

3.1  计算条件与结果

取寒冷地区的北京、夏热冬冷地区的长沙及夏热冬暖地区的南宁作为典型城市进行分析。选取清华大学DeST-c气象数据库中各城市典型气象年逐时数据。根据文献[16]中的建筑节能季节划分标准对典型城市的制冷季和制热季进行时段划分。为满足睡眠热舒适，制冷季室内参数取温度为25 ℃，相对湿度为60%，焓为55.43 J/g；制热季室内参数取温度为15 ℃，相对湿度为40%，焓为25.77 J/g。居住建筑夜间运行时间为每天21:00—第2天07:00。采用膜式全热换热器，全热效率取75%，显热效率取70%。

根据式(5)和式(6)给出的判断依据，全热回收模式和显热回收模式下可采用排风热回收技术以达到节能效果的时间占运行总时间的比例，分别如图2和图3所示；根据式(7)可得典型城市不同运行工况下的节能潜力指数，如图4所示。

3.2  分析与讨论

3.2.1  不同地区对比

在全热回收模式下，夏热冬冷地区(长沙)和夏热冬暖地区(南宁)几乎在整个制冷季均可采用排风热回收，而寒冷地区(北京)也有近75%的时段可以采用，反映在节能潜力指数上(见图4)。夏热冬冷地区(长沙)和夏热冬暖地区(南宁)的节能潜力指数也大致相同，达到9左右，约为寒冷地区(北京)的1.70倍，可见夏热冬冷地区(长沙)和夏热冬暖地区(南宁)制冷季排风热回收节能效果与寒冷地区(北京)相比更明显；而在制热季，寒冷地区(北京)几乎在所有时段内均可使用排风热回收，可运行时间约是夏热冬冷地区(长沙)的2.00倍、夏热冬暖地区(南宁)的3.00倍；寒冷地区(北京)的节能潜力指数为10左右，约为夏热冬冷地区(长沙)的3.00倍、夏热冬暖地区(南宁)的7.00倍，节能效果更明显。造成这种差异的原因在于：全热回收模式下的热回收可运行时间和节能潜力指数主要由室内外焓差决定，在相同的室内焓下，夏热冬冷地区(长沙)和夏热冬暖地区(南宁)制冷季室内外焓差平均值相对较大，因而有较大的节能潜力指数；而寒冷地区(北京)制热季室内外焓差平均值较大，因而节能潜力指数也较大。

图2  全热回收模式所占时间比例

Fig. 2  Time percentage of enthalpy recovery patterns

图3  显热回收模式所占时间比例

Fig. 3  Time percentage of sensible heat recovery patterns

图4  排风热回收节能潜力指数

Fig. 4  Energy-saving potential index of exhaust heat recovery

在显热回收模式下，所有热工分区典型城市制冷季几乎均不可使用排风热回收，采用全热回收模式则更合理。对制热季进行分析可知：寒冷地区(北京)几乎在整个制热季均可采用排风热回收，运行时段约是夏热冬冷地区(长沙)的1.25倍、夏热冬暖地区(南宁)的1.45倍；寒冷地区(北京)的节能潜力指数约为6，是夏热冬冷地区(长沙)的近2.40倍、夏热冬暖地区(南宁)的近4.00倍，节能潜力更大。造成这种差异的原因在于：显热回收模式下的节能潜力指数主要由室内外温度差决定，在室内温度一定时，寒冷地区(北京)制热季室内外温度差平均值相对较大，因而节能潜力指数也较大。

3.2.2  不同模式对比

从制冷季运行性能看，显热回收模式下几乎没有排风热回收可利用的时段，而在全热回收模式下各典型城市至少有75%左右的时间可采用排风热回收。从图4也可以看出：寒冷地区(北京)全热回收模式下的节能潜力指数是显热回收模式的近6.00倍，而夏热冬冷地区(长沙)约为18.00倍，夏热冬暖(南宁)约为30.00倍。可见，在制冷季，所有典型城市采用全热回收模式更具节能优势。

从制热季运行性能看，在2种排风热回收模式下，寒冷地区(北京)几乎所有时段均可采用排风热回收，而夏热冬冷地区(长沙)显热回收模式下运行时段比全热回收模式下高25%左右，夏热冬暖地区(南宁)则高40%。根据节能效果分析(见图4)，寒冷地区(北京)全热回收模式下的节能潜力指数约为显热回收模式的2.00倍，夏热冬冷地区(长沙)约为显热回收模式的1.50倍，而夏热冬暖地区(南宁)约为显热回收模式的0.30倍。可见：在制热季，寒冷地区(北京)和夏热冬冷地区(长沙)更适合采用全热回收模式，而夏热冬暖地区(南宁)采用显热回收模式则更有利。

4  运行方案比较分析

4.1  热回收效率不同时的运行方案比较

在室内设计参数为焓55.43 J/g(制冷季25 ℃，相对湿度为60%)及25.77 J/g(制热季15 ℃，相对湿度为40%)的情况下，热回收效率的变化对节能潜力指数的影响分别如图5和图6所示。从图5和图6可见：在热回收效率的变化对节能潜力指数的影响方面，制热季比制冷季要大，表现得更敏感；随热回收效率的增大，节能潜力指数相应增大。其原因在于热回收效率的增大会延长各典型城市排风热回收的可使用时间，并在相同的室内外气象条件下增大排风热回收的能量收益，从而增大节能潜力指数。从图5可以看出：节能潜力指数基本上随全热回收效率呈线性变化，在制冷季情况下，全热回收效率每增大5%，寒冷地区(北京)的节能潜力指数增大0.50左右，夏热冬冷地区(长沙)和夏热冬暖(南宁)均增大约0.80；在制热季，全热回收系数每增大5%，寒冷地区(北京)的节能潜力指数增大0.80左右，夏热冬冷地区(长沙)增大约0.30，而夏热冬暖地区(南宁)增大低于0.15。可见制热季夏热冬地区(长沙)和夏热冬暖地区(南宁)的全热回收效率变化对节能潜力的影响并不大。从图6可以看出：节能潜力指数随显热回收效率基本上呈线性变化；在制热季情况下，显热回收效率每增大5%，寒冷地区(北京)的节能潜力指数增大0.60左右，夏热冬冷地区(长沙)和夏热冬暖地区(南宁)均增大近0.30；在制冷季情况下，显热回收系数每增大5%，各典型城市节能潜力指数增大均不到0.08，基本上可以认为显热回收效率的变化对制冷季各典型城市节能潜力指数没有影响。

图5  全热效率对节能潜力指数的影响

Fig. 5  Effect of enthalpy efficiency on energy-saving potential index

图6  显热效率对节能潜力指数的影响

Fig. 6  Effect of sensible heat efficiency on energy-saving potential index

4.2  室内空气参数不同时运行方案的比较

鉴于除夏热冬暖地区(南宁)制热季以外的另外2个典型城市的制冷季或制热季均更适合采用全热回收模式，而且夏热冬暖地区(南宁)制热季显热回收模式下的节能潜力指数也较小，本文仅对全热回收模式下不同室内空气参数对节能潜力指数的影响进行分析和探讨，以得到最优的室内空气参数组合。全热回收效率取75%。

4.2.1  制冷季室内空气参数

图7所示为制冷季室内空气参数变化对节能潜力指数的影响。从图7可以看出：随着温度升高或相对湿度增大，各典型城市节能潜力指数均减小，而且基本随相对湿度增大呈线性递减；当温度从24 ℃上升到25 ℃时，节能潜力指数几乎均减小1.0~1.5；当相对湿度从40%增大到80%时，寒冷地区(北京)的节能潜力指数减小5.4~6.3，夏热冬冷地区(长沙)和夏热冬暖地区(南宁)均减小10左右。其原因在于：制冷季室外焓大于室内焓，温度升高或相对湿度增大本质上减小了室内外空气焓差平均值，进而减小节能潜力指数。实际上，节能潜力指数也可作为室内设计参数的合理性判据，节能潜力指数越大，说明室内外焓差相对越大，节能潜力越大，反过来说明空调负荷相对越大，室内设计参数越不合理。据此，在制冷季，在保证室内热舒适的前提下选择较大的相对湿度和较高的温度作为设计参数可适当降低空调负荷，减小运行能耗。

4.2.2  制热季室内空气参数

图8所示为制热季室内空气参数变化对节能潜力指数的影响。从图8可以看出：随着温度升高或相对湿度增大，各典型城市节能潜力指数均增大，而且基本随相对湿度增大呈线性递增；当温度从13 ℃增大到15 ℃时，节能潜力指数基本增大0.5~2.0；当相对湿度从40%增大到80%时，寒冷地区(北京)的节能潜力指数增大4.1~5.5，夏热冬冷地区(长沙)增大2.3~3.1，夏热冬暖(南宁)增大1.6~3.8。其原因在于：制热季室外焓小于室内焓，相对湿度增大或温度升高本质上增大了室内外空气焓差平均值，进而节能潜力指数增大，同时也说明室内设计参数越不合理。因此，为减小制热季空调负荷和运行能耗，在保证室内热舒适的前提下需尽可能选择较小相对湿度和较低温度作为设计参数。

图7  制冷季室内参数对节能潜力指数的影响

Fig. 7  Effect of indoor parameters for cooling on energy-saving potential index

图8  制热季室内参数对节能潜力指数的影响

Fig. 8  Effect of indoor parameters for heating on energy-saving potential index

5  结论

1) 在全热模式下，夏热冬冷地区(长沙)和夏热冬暖地区(南宁)制冷季排风热回收效果比寒冷地区(北京)的排风热回收效果更优；而在制热季严寒地区(北京)排风热回收的节能效果最好，其次是夏热冬冷地区(长沙)，最差的是夏热冬暖地区(南宁)。在显热模式下，制热季寒冷地区(北京)的排风热回收节能效果最好，其次是夏热冬暖地区(南宁)，最差的是夏热冬冷地区(长沙)；而在制冷季，所有典型城市排风热回收的节能效益都很小。

2) 在制冷季，全热回收模式下夏热冬冷地区(长沙)和夏热冬暖地区(南宁)几乎全时段均可采用排风热回收，而在显热回收模式下，所有热工分区典型城市几乎均不可采用排风热回收；在制热季，寒冷地区(北京)几乎全时段可用排风热回收。寒冷地区(北京)和夏热冬冷地区(长沙)制冷季或制热季更适合采用全热回收模式，而夏热冬暖地区(南宁)制冷季采用全热回收模式、制热季采用显热回收模式更有利。

3) 全热或显热回收效率越大，节能潜力指数越大，排风热回收的节能效果越好。实际上，在制热季，全热回收效率对夏热冬冷地区(长沙)和夏热冬暖地区(南宁)的节能潜力指数的影响并不大；在制冷季，显热回收效率几乎对各热工分区典型城市的节能潜力指数没有影响。

4) 制冷季室内空气温度升高或相对湿度增大，节能潜力指数相应减小，而在制热季呈现出完全相反的变化趋势。节能潜力指数可作为室内设计参数的合理性判据，制冷季选择相对较高温度或较大相对湿度、制热季选择相对较低温度或较小相对湿度可适当降低空调负荷，减小运行能耗。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2014-03-19；修回日期：2014-05-13

基金项目(Foundation item)：广东省省部产学研结合引导项目(2011B090400338) (Project(2011B090400338) supported by Project on the Integration of Industry, Education and Research of Guangdong Province)

通信作者：廖胜明，博士，教授，博士生导师，从事工程热物理、暖通空调、建筑节能及新能源等领域研究；E-mail: smliao@csu.edu.cn