独立新风系统节能运行的热力学分析

0 引言

独立新风系统(Dedicated Outdoor Air System，简称DOAS)是将新风独立处理到较低的温度，使新风承担室内全部潜热负荷和部分显热负荷，其余显热负荷由室内干工况设备来承担的空调系统。它将室内热湿负荷分开处理，可使处理室内显热冷负荷的冷水温度得到提高，从而获得一定的节能效果。并且采用该系统时，若室内温度和湿度明显低于室外，新风和排风之间可采用全热交换器，将进一步降低能耗。

1 独立新风系统的构成

典型的独立新风系统由全热回收转轮、表面式冷却器、显热回收转轮和预热装置构成，图1 表示了该系统各设备处理空气的过程。

图中状态点0 表示新风预热前，状态点1 表示新风预热后，状态点2 表示新风经全热回收转轮处理后，状态点3 表示新风经表冷器处理后，状态点4 表示新风经显热回收转轮处理后，状态点5 表示室内排风，状态点6 表示排风经显热回收转轮处理后。

1.1 全热回收转轮

由于空调房间内温、湿度与室外新风的差别较大，为减少冷却盘管所需冷量而达到节能目的，所以在新风和排风之间安装全热转轮，对排风进行全热回收，对新风进行预处理，效率为0~85%。全热回收转轮上布满蜂窝状的流道，空气流过这些流道时，与流道壁进行热湿交换，流道壁本身含有固体吸湿剂。在夏季，室外热湿的新风经过转轮后将热量和水分传给转轮，转轮旋转到室内排风时，再将其中吸附的水分和热量传递到室内排风中去，通过排风排到室外。在冬季，室外干冷的新风与室内温湿的排风逆向流过转轮，进行热湿交换后，新风变暖变湿后进入室内，从而回收了室内排风的显热和潜热。这种全热回收称为被动除湿，即气流中水分在水蒸气压力驱动下由高湿气流向低湿气流传递。

1.2 表冷器

在冷却器盘管中通入冷水或制冷剂，使空气流过盘管和肋片表面时得到冷却，并降温到露点温度后将其中的水分脱除。冷媒分别为冷水和制冷剂时，它可分为水冷式和直接蒸发式两种。水冷式表冷器与直接蒸发式表冷器相比较，冷水盘管除湿传热效果好，并能严格控制流量，因此能正确调节冷却盘管的出口状态，且冷水具有蓄热功能，适用于负荷变化剧烈的场合。但其装置较直接蒸发式复杂，设备初投资和运行费也较高，适合于负荷要求大的场合。

1.3 显热回收转轮

显热回收转轮的结构与全热回收转轮相似，它由铝片构成蜂窝状，室内排风由转轮室内侧吸入，并将所含的部分冷量传递给转轮；而新风从转轮室外侧吸入，转轮以一定速度旋转，将积蓄其上的冷量传递给新风，效率为0~70%。它不存在湿分的传递，所以只回收显热，不回收潜热。

1.4 预热装置

在冬季，若室外新风的干球温度低于0℃，进入全热回收转轮后会发生结霜的现象。为了避免这个问题的产生，应对新风进行预热。可采用热水通入盘管或电加热器来加以实现。

2 湿空气处理的热力学分析

为了更深入地掌握独立新风系统节能运行的特性，有必要对系统中湿空气的处理过程进行热力学分析。为便于分析，根据常规的空调工况，对图2 中独立新风系统处理过程中的各状态点进行设定：

(1)状态点3，干球温度为7℃且饱和；

(2)状态点4，干球温度为13℃，露点温度为7℃；

(3)状态点5，干球温度为26℃，露点温度为15℃；

(4)状态点6，干球温度为20℃，露点温度为15℃。

由以上设定状态点，可将图2 中的焓湿图分隔为4 个区域(A、B、C 和D)。

在图2 里，垂直线代表了7℃的等露点温度线。如果室外空气状态点位于该线的右边，则表示需要被冷却和除湿到状态点3，并使用显热转轮将其再热到状态点4。在独立新风系统中，新风送风量等于室内排风量。所以在显热转轮里，假定绝热的条件下，排风由状态点5 降温到状态点6 的放热量，应该等于送风由状态点3 再热到状态点4 的吸热量，并且温升和温降值相等。

经过状态点6 的等焓线将7℃等露点温度线右边的区域分隔为A 区和B 区。这两个区域的空气含湿量均大于7℃等露点温度线所对应的含湿量，所以都需要进行除湿处理。如果室外空气状态点位于A 区，其焓值大于状态点6 的焓值，需要使用全热转轮进行热回收预冷，以减少冷却盘管的负荷；而如果室外空气状态点位于B 区，其焓值小于状态点6 的焓值，若仍然使用全热转轮，只会使其焓值升高，增加冷却盘管的负荷，所以此时全热转轮必须被关闭。

将排风状态点5 与送风状态点4 相连接，并朝着含湿量为零的方向画延长线与之相交，这样就将7℃等露点温度线左边的区域分隔为C 区和D 区。这两个区域的空气含湿量均小于7℃等露点温度线所对应的含湿量，所以都需要进行加湿处理。室外空气如果位于C 区，需要使用冷却盘管进行显热冷却；而如果位于D区，则不需要进行显热冷却。

室外新风状态位于不同区域时，独立新风系统里各设备运行控制方式见表1。

因为A 区、B 区和C 区不需要预热，所以状态点0(预热盘管之前)和状态点1(预热盘管之后)在热力学上的含义是相同的。因此，在后面的讨论里，当室外空气状态位于这些区域时，状态点1 被视为其初始状态。

图3 表示当室外新风状态位于A 区时，独立新风系统里湿空气的处理过程。这时，全热转轮以最高效率全速运转，将室外新风由状态点1 冷却除湿到状态点2。状态点2 位于状态点1 和6 的连接线上，并且如果全热转轮的效率为85%，那么状态点2 应该落在靠近状态点6 的15%连线处。随后，冷却盘管将新风由状态点2 再次冷却除湿到状态点3。这里可以看出，如果没有全热转轮的预冷处理，直接用冷却盘管将室外新风由状态点1 冷却除湿到状态点3，将需要冷冻机组提供更多的冷量。最后，调节显热转轮的转速将新风由状态点3 加热到状态点4，这样就不需要花费额外的再热能量。

图4 表示当室外新风状态位于B 区时，独立新风系统里湿空气的处理过程。B 区的室外新风的焓值低于状态点6 的焓值，所以必须关闭全热转轮。这时，状态点1 和2相同，冷却盘管将新风直接由状态点1 冷却除湿到状态点3。然后，调节显热转轮的转速将新风由状态点3 加热到状态点4。

图5 表示当室外新风状态位于C 区时，独立新风系统里湿空气的处理过程。C 区的室外新风不需要使用预热来防止全热转轮结霜。如果将冷却盘管的处理点设定为13℃，就不需要使用显热转轮来再热。因为C 区的新风已经低于所需的露点温度，所以完全没有必要将其冷却到7℃进行除湿，而只需要通过调节全热转轮的转速将新风处理到7℃的露点温度。由此可得，状态点2 应该落在状态点1 与5 的连线(全热转轮处理线)和7℃等露点温度线的交点上。然后由冷却盘管将新风等湿冷却到状态点4 后送入房间，这里状态点3 和4 重合。

图6a)表示当室外新风状态位于D 区，且其干球温度高于0℃时，独立新风系统里湿空气的处理过程。由于室外新风的干球温度高于0℃，全热转轮不会发生结霜，所以不需要进行预热。通过调节全热转轮的转速，使其将室外新风的露点温度提升到7℃，即由状态点1 到达状态点2。但此时新风干球温度仍低于送风需要的13℃，所以调节显热转轮的速度，从排风中获取热能，使新风吸热温升到13℃的送风温度。由于送风量等于排风量，根据能量平衡，状态点5 和6 之间的温降值应该等于状态点2 和4 之间的温升值(一般小于6℃)。这里，状态点2 和3 重合。

图6b)表示当室外新风状态位于D 区，且其干球温度足够低时，独立新风系统里湿空气的处理过程。

由于室外新风的干球温度低于0℃，全热转轮可能发生结霜，所以需要进行预热处理。预热盘管将新风等湿加区和D 区分界线上的状态点1，然后全热转轮将其加热加湿到期望的送风状态点4。这时，显热转轮和冷却盘管都关闭，状态点2、3 和4 重合。

3 结语

独立新风系统的运行能耗高低，与其运行状态密切相关。若能根据室外气候状况和室内空气设计状态，合理地确定各环节设备的运行情况和空气处理状态，将会获得最大的节能效果。