摘 要

作为室内空气优良品质保证之一的空调新风系统所占建筑能耗比例巨大。使用合理的技术手段平衡室内环境健康和建筑节能十分重要。武汉市是典型的夏热冬冷地区，它位于长江中下游，夏季潮湿炎热，冬季干燥寒冷，空调建筑需求量较大。新风热回收系统通过热交换器从排风中回收热量或者冷量来对新风进行预热或者预冷，以此来减少新风处理过程中的能量使用，同时还提高了能量的利用率，体现了可持续的发展观念。

本文借助计算机辅助计算软件EnergyPlus对夏热冬冷地区空调住宅建筑进行数值模拟，对不同工作条件下的情况进行了比较，所得结果对于夏热冬冷地区的新风热回收技术的推广具有重要的指导意义。论文主要讨论了静止板翅式新风热回收系统在夏热冬冷地区的节能效果的数值模拟。

研究结果表明：新风热回收系统在夏热冬冷地区节能效果潜力巨大。全年节能14.4%，冬夏两季节能逐月不低于10%，不过过渡季节效果不明显。建筑的单位面积新风量越大，室内外焓差越大，节能效果越明显。

本文的特色：以静止板翅式新风热回收系统为主要研究对象，借助EnergyPlus平台，在全国典型热工分区的气象参数下，通过比较全年逐月单位面积空调系统耗电量来分析热回收系统的节能效果，推动新风热回收系统的适用性深入人心。

关键词：新风热回收；数值模拟；仿真

Abstract

As one of the guarantees of healthy indoor air quality, air conditioning outdoor air system accounts for a large proportion of building energy consumption, which is very important to balance indoor environmental health and building energy conservation with reasonable technical means.Wuhan is a typical hot summer and cold winter area. It is located in the middle and lower reaches of the Yangtze River. It is humid and hot in summer, dry and cold in winter. There is a large demand for air-conditioning buildings. Outdoor air energy recovery system preheat or pre-cool outdoor air through heat exchanger to recover heat or cold energy from exhaust air, so as to reduce energy used in the process of outdoor air treatment, and improve energy utilization rate, reflecting the concept of sustainable development.

In this paper, the numerical simulation of air-conditioned residential buildings in hot summer and cold winter areas is carried out with the help of computer-aided calculation software EnergyPlus. The results are compared under different working conditions. The results obtained have important guiding significance for the populari-zation of fresh air heat recovery technology in the hot summer and cold winter areas. The paper mainly workout the numerical simulation of energy-saving effect of static plate-fin outdoor air energy recovery system in the hot summer and cold winter areas.

The results show that outdoor air energy recovery system has great potential for energy saving in hot summer and cold winter areas. Energy saving rate is 14.4% in the whole year, and which can be no less than 10% monthly in winter and summer, but the effect of transitional season is not obvious. The more outdoor air volume per unit area, the greater the enthalpy difference between indoor and outdoor, the more obvious the energy saving effect.

Characteristics of this paper: With the static plate-fin fresh air heat recovery system as the main research object, and with the help of EnergyPlus platform, with the meteorological parameters of typical thermal zones in the country, the energy-saving effect of the energy recovery system is analyzed by being compared with the annual monthly unit area air conditioning system power consumption, so as to promote the applicability of the fresh air energy recovery system.

Key Words：Outdoor air energy recovery；numerical simulation；simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 研究内容 2

1.3 论文结构 2

第2章 文献综述 3

2.1 新风热回收系统的发展 3

2.2 国内外相关研究 4

第3章 新风热回收系统 5

3.1 新风热回收系统分类 5

3.2 两种常用新风热回收系统基本原理 5

3.2.1 板翅式全热交换装置 5

3.2.2 转轮式全热交换装置 6

3.3 新风热回收系统评价标准 6

3.3.1 换热效率 6

第4章 新风热回收系统的数值模拟 8

4.1 研究对象 8

4.2 建立模型 9

4.3 模拟结果分析 10

4.3.1 冬季空调能耗模拟结果 10

4.3.2 夏季空调能耗模拟结果 11

4.3.3 全年空调能耗模拟结果 12

第5章 结论与分析 13

5.1 主要结论 13

5.2 不足与展望 13

第1章 绪论

1.1 研究背景

虽然全球人口数量增长速度伴随经济增速小幅下降而有所放缓，但是由于人口基数较大和世界范围经济社会发展不平衡，《世界能源展望2016》报告从能源消耗趋势等方面详细分析了2050年全球能源的开发使用情况，并且提出2010-2020年的年均增速依旧有0.8%左右，这意味着到2030全球人口总数将会达到82-92亿。对比埃克森美孚公司的《2050年能源发展展望》与国网能源研究院的《2016年全球能源分析和展望》，未来全球能量消耗总量将持续增长，但增速放缓，化石能源占比依然巨大；工业、交通和居民及其他部门是耗能主体^[1]。大量化能源的持续消耗引发的环境问题让可持续发展的观念和新式的节能技术越来越被人所认同。我国正处于工业化中期，资源环境约束日益趋紧，合理选择碳排放路径，实现节能减排目标将对我国经济转型和可持续发展产生重要影响^[2]。巴黎世界气候大会上通过了历史上首个关于气候变化的全球性协定。中国作为负责任的大国，与会提出了降低碳排放和提高非化石能源使用占比的承诺，减排之路任重而道远。

建筑相关能耗占比全球总能耗已经接近40%，其中近50%被空调通风系统消耗。我国空调能耗大约占全国能耗30%左右，其中暖通空调所占比例近40%-60%^[3]。建设部关于建筑节能的“九五”计划提出推动采暖能耗要节能50%。因此，暖通空调相关行业必须要因地制宜地发展节能措施推动技术进步，满足发展要求。

夏热冬冷地区主要位于中国长江中下游，夏季炎热潮湿、冬季寒冷，建筑对与空调需求较大。但是由于室内空调系统较为封闭，相较于自然通风会产生和集聚更多的污染物，对室内空气品质有较大的影响，严重情况会导致“空调病”的发生。除了间歇性自然通风的方法外，空调建筑室内引入新风也是常用的解决途径之一。但新风同时带来的热负荷会占用4%-12%的建筑总能，冬季负荷较大的情况下可能达到18%。夏热冬冷地区面积巨大，城市人口发展较为密集，空调建筑的能耗对城市电网负荷较大，新风系统在带来更好的舒适性的同时也增大了建筑能耗总量。运用新的节能技术来平衡室内空气品质和建筑能耗之间的关系已经成为一个重要的问题。设置热回收系统，使室外新风与室内排风进行热交换，对新风进行预冷或者预热来减少新风的热负荷或者冷负荷，是一种可行有效的技术手段。

新风热回收系统是通过排风与新风之间的热质交换来回收排风中的热量或者冷量，对室外新风焓值进行增加或者减小来减少新风处理过程中的能量消耗，达到提高能量利用率，实现建筑节能的目的系统。

1986年制定实施的《民用建筑节能设计标准》是我国第一部建筑节能相关的规范，提出了从空调建筑排风中回收能量再利用效果明显，还规定了建筑物内设集中排风系统且符合下列条件之一时，宜设置排风热回收装置，且额定热回收效率不低于60%：①送风量大于或等于3000m³/h的直流式空气调节系统，且新风与排风之间温度差大于或等于8℃；②设计新风量大于或等于4000m3/h的空气调节系统，且新风与排风之间温度差大于或等于8℃；③设有独立新风或者排风的系统^[4]。

《采暖通风与空气调节设计规范》^[5]建议应当在条件允许的情况下使用排风热回收系统。《民用建筑热工设计规范》^[6]规定建筑面积超过300m²的建筑应当匹配相适应的且回收效率0.4-0.5的排风热回收系统。国家标准《GB/T21087-2007空气-空气能量回收装置》对各类换热器和热回收装置进行分类和定义，并对相关性能参数和检测方法进行规定。

其他国家对于新风热回收系统也有很大兴趣，形成了完整科研生产体系。许多新建项目应用新风热回收系统现象广泛，市面相关产品种类众多。美国能源部把新风热回收系统列为一个非常有发展潜力的绿色建筑技术 ，并把相关产品在全美范围进行推广^[7]。政府不仅对这种新技术大力推广，还制定一系列相关规范标准对一些重要技术参数，测试方法和步骤，实验条件和测试环境，数学模型及相关计算方法等^[8]。

欧美国家新风热回收系统发展较早，技术较为成熟。较为常见的转轮式新风热回收系统的核心装置——转轮的第一代产品，由金属网丝卷曲做成的“网转轮”，其吸湿性能比较差。直到80年代美国一家公司开发出第四代分子筛转轮替代了第三代硅胶转轮成为主流^[9]，转轮技术开始百花齐放，新型专利层出不穷，比如高分子膜转轮和树脂聚合物转轮。

现阶段我国新风热回收系统推广力度较小。除了相关产品体系不完善外，系统组件较多，保养问题也是制约相关行业发展的原因之一。国内主要以经济性工业用大功率转轮新风热回收器为主要发展产品，换热率也不太高，本土民用产品无论是从技术方面还是价格方面都有较长的路要走。

1.2 国内外相关研究

1.2.1 国内相关研究

钱以明、董启平讨论了全热换热器的工作原理，推导了换热效率的理论公式，优化了结构模型，用实验验证了数学模型^[10]，提出平衡焓的概念，并对转轮式全热换热器全年经济性提出新的分析方法和控制方案^[11]。

腊栋等人通过建立数学模型，对比几种使用不同复合材料作为吸湿蓄热材料的转轮式全热换热器在不同结构参数和环境参数下热回收效率的变化^[12]。

陈灿等人划分不同工作期间，对不同热工区域参数城市（重庆、南京和武汉）的新风能耗特性和处理运行模式进行了讨论和优化^[13]。

孙静对上海地区某使用排风热回收技术办公楼空调系统为实例，计算全年节能效果和投资静态回收年限，得出空气湿度较大的上海地区全热回收系统节能潜力巨大^[14]。

王波等人通过数值模拟的方法，使用建筑能耗分析软件EnergyPlus，建立建筑模型，定量计算了上海地区的全年空调节能效果。

刘仙萍横向比较了夏热冬暖地区和夏热冬冷地区，全年新风负荷和负荷组成，提出经济性分析的新风焓差时数计算法。通过几种不同的热回收装置的模拟数据对其优缺点和节能效果进行了比较^[15]。

徐胡清以夏热冬冷地区城市合肥和上海的气象数据和能耗模拟软件DeST对目标建筑的逐时负荷和焓差构成进行分析，提出了换热器选型的方法，做出了建筑的节能型分析和经济投资分析^[16]。

王维蔚和王辉涛等人提出混风热回收系统和新回风热回收系统两种改进的空调热回收系统，结合昆明地区气象特点，与一次回风空调系统进行节能效果对比分析^[17]。

刘思梦等人以夏热冬冷地区城市厦门某建筑为目标，进行了负荷和换热效率的动态分析和节能效果分析，提出了某些情况下新风热回收系统并不能够节能^[18]。

陈思远对华东某办公综合建筑基于EnergyPlus模拟计算平台进行了数值模拟实验，做出了节能效果分析，讨论了不同热工区域节能效果差异性的研究^[19]。

1.2.2 国外相关研究

Simonson和Besant等人研究了转轮式全热换热器的数学模型，分析了传热传质原理，提出了一种换热效率的计算方法，从实验数据出发对转轮全热换热器的结构设计提出指导建议^[20]，对转速等控制条件的影响做出系统性分析^[21]。而且改进了转轮能效的基本原理^[22]，通过实验进行了验证，为转轮传热传质模型的改进提供了理论依据^[23]。

Zhang、Lu等人建立了一个转轮的二维传热传质模型，分析了不同厚度对热湿传递过程的影响和不同种类干燥剂对吸附过程中的扩散特性，并对其他一些结构参数变化对转轮的影响^[24]。

C.E.L. Nobrega等人简化了转轮全热换热器的数学模型，改进了传热传质过程计算方法，在不同工作环境下与显热换热器的工作性能和特点进行比较^[25]。

N an和Y Kim等人基于流体计算软件CFD对板翅式热回收装置在不同气流组织下的换热差异性和其他换热相关参数比较^[26]。

Y Dong等人对某多层建筑提出了三种低能耗新风通风方案的适用性差异，通过空气流量等细节项目参数的比较得出一个较合理的混合通风热回收方案，并简化数学模型和计算方式，做出了经济节能分析^[27]。

1.3 研究内容

1.新风热回收系统的分类和工作原理，并对不同系统的特点，性能，经济性等发面进行比较，最后选取板翅式式新风热回收系统作为重点模拟讨论对象。

2.对夏热冬冷地区进行新风热回收系统节能效果模拟实验。通过EnergyPlus平台对新风热回收系统在夏热冬冷地区的热回收情况进行数值化对比分析。

3.讨论新风热回收系统在其他典型热工区域的能量回收效果，研究系统在更加广阔的范围的适用性，为其在全国范围的应用和推广提供参考。

1.4 研究意义

新风热回收系统的实际应用性较高，对于建筑节能和经济发展意义重大。不仅能够改善室内空气品质，还可以降低空气处理能耗以提高能量的利用率，实现空调系统“健康”和“节能”的平衡。这种绿色新技术在国际范围的建筑节能领域有着重大意义：

①如今人们对室内空气品质的要求越来越高，新风系统可以有效抑制室内的PM2.5、PM10、二氧化碳、氮氧化合物、有机挥发剂等污染物。从而缓解室外雾霾对室内生活的影响，同时还可以解决目前城市里越来越严重的“空调综合征”。

②作为一种绿色建筑节能技术，新风热回收系统可以有效大幅减小新风热负荷，同时初投资成本在所有建筑节能措施里较低，使用寿命和维护成本也不高，经济效益非常好，其次，建筑用的换热装置占用空间一般不大，功率较小，噪音几乎没有，生活舒适度也不低。

1.5 论文结构

本文大致分为五个部分：

第一章是绪论。介绍了现在和未来严峻的能源形势和开发和推广可持续理念新技术的重要性和必要性。围绕着新风热回收系统对建筑节能的重要意义和他的节能效果的角度，对其在夏热冬冷地区的推广和应用做出初步分析。以新风热回收系统的发展历程、基础理论、大致分类、应用变化为组织脉络，重点讨论了新风热回收系统的工作特点和理论进步。最后介绍了本文的大致框架结构和行文顺序。