侯发林，谌晨辉，程清
(南京工业大学能源科学与工程学院，南京 211816)
随着人类社会的发展和资源环境的矛盾愈加严峻，低碳经济发展越来越重要。到2040年，全球一次能源消费将比2017年增长32%。工业和建筑消耗了世界上大部分的能源，尤其是建筑[1]。为应对全球气候变化问题，我国提出了碳达峰、碳中和的目标。作为一个能源消耗比较大的国家，我国的建筑能源消耗占社会生产和生活能源消耗量的50%左右，而空调的能耗在建筑能耗中占据很大一部分比例，因此减少空调能耗对于节约能源有着直接的作用[2]。
由于建筑消耗了全球约三分之一的能源，排放了四分之一的CO2，因此有一个巨大的、尚未开发的机会，通过提高建筑能源效率来创造和改造城市，使其成为更可持续的环境。更高效节能的建筑可以产生经济效益，减少环境影响，提高人们的生活质量[3]。
空调系统是建筑的主要能耗来源之一，空调房排放到外界的热量会造成能源的浪费。利用排风热回收技术可以对新风进行预处理，承担一部分新风负荷，对排风中的冷/热量进行回收，减少空调系统的负荷，提高能源的利用率[4-7]。国内外在建筑中使用排风热回收装置的应用已经十分广泛。我国为了实现建筑节能制定了很多规范和标准，指出在建筑中使用排风热回收装置具有很好的节能效益[8-9]。
农业部门是我国经济建设的基础性部门，推动农业的低碳发展，是农业可持续发展的迫切需求[10]。随着农业的发展对生产环境提出了更高的要求，为了保障生产的安全，防止疾病的传播，封闭式全新风养殖方式非常重要，而随着全球的能源发展和环境问题的突出，提高能源的利用率尤为重要。
对于培育用空调箱，种养殖密度大，运行时间长，通风率高，热回收潜力非常大。对培育用空调箱进行排风热回收不仅可以减少空调的运行费用，而且可以减少初始投资。我国不同地区气候差异较大，从建筑热工设计的角度，将我国建筑热工划分成五个地区[11]，不同的气候条件下，培育用空调系统的运行也不同。因此针对不同的气候分区，选取其中的典型城市，对培育用空调箱的排风热回收进行节能性分析，为不同气候区的培育用空调箱节能运行提供参考。
本研究以保育猪舍为对象进行能耗模拟，该保育猪舍为砖混结构，墙厚为120 mm砖墙，保育猪舍为东西走向，内部空间尺寸为16 m×6 m×3.5 m，南北两侧各开有三个窗，尺寸为2 m×2 m的，在东西两侧开有两扇门，位于东西两墙的正中间，尺寸为1.6 m×2.25 m，保育猪舍三维模型如图1所示。规模化的猪场要求保育猪舍每圈饲养仔猪15～20头，每头仔猪占圈舍面积0.5 m2。猪的密度取为1 100 kg/m3，比热取3 500 J/(kg·K)，每只猪所需新风量为250 m3/h，猪只散热为40 W/只。该保育猪舍共200头仔猪，新风量为50 000 m3/h，保育猪舍内温度设为20 ℃～25 ℃，相对湿度为50%，围护结构构造及其热工特性见表1。为了营造一个健康的生产环境，保育猪舍采用全新风的通风模式。于此同时，在进行排风热回收时，为了避免新风与排风之间交叉污染，采用板翅式显热热回收装置。
图1 保育猪舍三维模型
表1 围护结构构造及其热工特性
2.1 沈阳地区培育用空调箱全年能耗情况
图2为沈阳地区培育用空调箱全年能耗的情况，从图2中可以看出沈阳地区的空调系统能耗在一月份和七月份较高，这是因为在一月份沈阳地区温度达到最低，空调系统热负荷较大。沈阳地区夏季温度不高，但夏季风以来自海洋的潮湿东南风为主，这导致夏季空调系统的湿负荷较大。添加排风热回收装置后，可以看出沈阳地区培育用空调的全年负荷明显降低，具有非常明显的节能性。
图2 沈阳地区培育用空调箱全年能耗的情况
图3为沈阳地区使用排风热回收装置的节能率，从图3中可以看出，从一月到十二月之间，节能率出现两个峰值，同时在夏季节能率最低。这是因为沈阳地区冬季温度较低，排风热交换器在使用时，为避免温度过低产生结冻现象，在温度低于0 ℃时，要对新风进行预热处理，而此时排风热回收装置回收的能量不变，总的能耗增加，导致节能率降低。在夏季时，空调系统的负荷以湿负荷为主，而本系统为了避免排风与新风的交叉污染，采用的是显热板翅式换热器，只对显热进行回收，所以在夏季湿负荷较高的时候，其节能率较低。对全年的能耗与节能量进行分析，得到全年总的节能率为40.1%。
图3 沈阳地区使用排风热回收装置的节能率
2.2 北京地区培育用空调箱全年能耗情况
图4为北京地区培育用空调箱全年能耗情况，从图4中可以看出北京地区培育用空调箱空调系统能耗在七月份最高，这是因为在七月份北京地区温度较高而且湿度较大，这导致空调系统冷负荷和湿负荷较大。而北京的冬季相对于沈阳而言，温度较为温和，因此负荷较低。加装排风热回收装置后，其负荷有明显变化，具有非常可观的节能性。
图4 北京地区培育用空调箱全年能耗情况
图5为北京地区使用排风热回收装置的节能率，从图5中可以看出节能率在冬季较高，而在夏季较低，其最高点出现在二月份，最低点出现在七月份。这和沈阳地区的情况是类似的，因为本系统采用的是显热回收装置，所以在夏季的湿负荷占比较大的情况下，其总节能率就会下降，而在冬季空气湿度较低，所以其节能率相对较高。对全年的能耗与节能量进行分析，得到全年总的节能率为39.25%。
图5 北京地区使用排风热回收装置的节能率
2.3 上海地区培育用空调箱全年能耗情况
图6为上海地区培育用空调箱全年能耗情况，从图6中可以看出上海地区培育用空调箱空调系统能耗在七月中旬最高，这是因为在七月中旬上海地区温度较高而且湿度较大，导致空调系统冷负荷和湿负荷较大。而上海的冬季相对于北京而言，温度较为温和，所以其在冬季的负荷较低。加装排风热回收装置后，其负荷有明显变化，具有非常可观的节能效果。
图6 上海地区培育用空调箱全年能耗情况
图7为上海地区培育用空调箱使用排风热回收装置的节能率变化，从图7中可以看出节能率在冬季较高，而在夏季较低，其最高点出现在一月份，最低点出现在六月份。这和北京地区的情况是类似的，因为本系统采用的是显热回收装置，所以在夏季的湿负荷占比较大的情况下，其总节能率就会下降，而在冬季空气湿度较低，所以其节能率相对较高。对全年的能耗与节能量进行分析，得到全年总的节能率为32.01%。
图7 上海地区使用排风热回收装置的节能率
2.4 广州地区培育用空调箱全年能耗
图8为广州地区培育用空调箱全年能耗的情况，从图8中可以看出广州地区的空调系统能耗在七月份最高，这是因为在七月份广州地区温度较高，湿度较大，空调系统湿负荷和冷负荷较大。广州地区地处夏热冬暖地区，冬季温度较高，其在冬季时负荷较小。加排风热回收装置后，可以看出广州地区培育用空调的全年负荷明显降低，具有非常明显的节能效果。
图8 广州地区培育用空调箱全年能耗的情况
图9为广州地区使用排风热回收装置的节能率，从图9中可以看出在一月、二月和十二月，节能率最高，其他月份节能率较低。这是因为广州地区为沿海地区，且夏季潮湿、炎热且漫长。在湿度较大的地区使用显热换热器，因其湿负荷占比大，而显热回收量有限，导致其总节能率较低。对全年的能耗与节能量进行分析，得到全年总的节能率为22.91%。
图9 广州地区使用排风热回收装置的节能率
2.5 贵阳地区培育用空调箱全年能耗情况
图10为贵阳地区培育用空调箱全年能耗情况，可以看出贵阳地区培育用空调箱空调系统能耗在七月份最高，这是因为在七月份贵阳地区温度较高而且湿度较大，导致空调系统冷负荷和湿负荷较大。而贵阳地区全年气候较温和不管是冬季还是夏季其负荷相比其他几个地区都比较低，但是加排风回热器后，还是可以起到较好的节能效果。
图10 贵阳地区培育用空调箱全年能耗情况
图11为贵阳地区使用排风热回收装置的节能率，从图11中可以看出在一月、二月和十二月，节能率最高，其他月份节能率较低。这是因为贵阳四季如春，夏季凉爽舒适，其冷负荷非常小。虽然其总的负荷不高，但在夏季其湿负荷占比大，而显热回收量有限，就导致其总的节能率较低。所以在冬季节能率较高，而在其他月份节能率较低。对全年的能耗与节能量进行分析，加排风回热器后全年总的节能率为33%。
图11 贵阳地区使用排风热回收装置的节能率
本排风热回收系统采用板翅式显热热交换器，单位风量设备价格约为6元/(m3·h)，50 000 m3/h的新风量，总价格约为30万元。新风机功率取20 kW，由于增加回热器而增加的风机功耗为1.5 kW。
3.1 严寒地区工况分析(沈阳)
排风热回收装置初始投资增加：沈阳地区农业用电取0.7元/(kW·h)，空调系统COP取4。不加排风回热器的年运行费用为54.06万元；
加排风回热器后，年节省费用为23.14万元；
成本回收年限为1.29 a。
沈阳地区培育用空调箱全年新风负荷情况如图12所示。对于培育用空调箱的能耗情况进行分析知其新风负荷几乎占全部的负荷，所以对新风负荷进行分析。其中，全年新风热负荷占比为74.29%，全年新风显冷负荷占比为1.71%，全年新风湿负荷占比为24%。沈阳地处严寒地区，冬季供暖时间长，其热负荷占比较大，所以对于培育用空调箱在沈阳地区的运行要针对其热负荷做好节能的运行。
图12 沈阳地区培育用空调箱新风负荷情况
沈阳地区冬季温度较低，在进行排风热回收时要注意新风预热问题，防止管道和换热器出现结霜结冰的情况。而在温度较低的时候，空调系统的性能会降低，应结合当地供暖方式，对空调系统进行辅助供暖以确保农业生产活动的安全进行。
3.2 寒冷地区工况分析(北京)
排风热回收装置初始投资增加：北京地区农业用电取为0.61元/(kW·h)，空调系统COP取为4。不加排风回热器的年运行费用为53.28万元；
加排风回热器后，年节省费用为19.64万元；
成本回收年限为1.53 a。
北京地区培育用空调箱全年新风负荷情况如图13所示。对于培育用空调箱的能耗情况进行分析知其新风负荷几乎占全部的负荷，所以对新风负荷进行分析。其中，全年新风热负荷占比为61.4%，全年新风显冷负荷占比为3.66%，全年新风湿负荷占比为34.94%。北京地处寒冷地区，冬季供暖时间长，其热负荷全年占比较大，所以培育用空调箱在北京地区的运行与沈阳地区一样要针对其热负荷做好节能的运行。
图13 北京地区培育用空调箱新风负荷情况
地处寒冷地区的北京供暖时间较长，新风热交换器对新风起到了预热的作用，效果显著，但与沈阳相比，热回收量明显有所降低。北京处于寒冷地区，冬季新风热交换器运行也需要做防冻考虑，需要增加新风预热器。北京夏季凉爽，由于夏季北京地区风向主要为东南风，海风湿度较大且夏季降雨较多，室外空气湿度较大。九月中旬开始，北京步入秋季，温度的降低使得海陆风减少且降雨量也开始减小，湿度降低。当室内外温湿度相差不大时，不必开启新风热交换器，直接引入新风，便能达到舒适要求。
3.3 夏热冬冷地区工况分析(上海)
排风热回收装置初始投资增加：上海地区农业用电取为0.566元/(kW·h)，空调系统COP取为4。不加排风回热器的年运行费用为50.70万元；
加排风回热器后，年节省费用为15.25万元；
成本回收年限为1.96 a。
上海地区培育用空调箱全年新风负荷情况如图14所示，对于培育用空调箱的能耗情况进行分析知其新风负荷占比较大，所以对新风负荷进行分析。其中，全年新风热负荷占比为39.23%，全年新风显冷负荷占比3.9%，全年新风湿负荷占比为56.87%。上海地处夏热冬冷地区，其全年湿负荷占比超过50%，所以上海地区培育用空箱的负荷主要来自于新风湿负荷，可以针对其湿负荷的处理采取措施来提高节能率。
图14 上海地区培育用空调箱新风负荷情况
上海夏季炎热且漫长，夏季湿度较大。上海地处夏热冬冷地区，虽然冬季没有沈阳和北京冷，但在12月到2月运行新风热交换器还是能起到不错的热回收效果。从热回收的对比图中可以发现，夏季新风热交换器起到节能效果的天数很多。从六月中旬开始一直到九月下旬新风热交换器节能效果都十分显著。若以温度为控制新风热交换器启停，则建议上海夏季新风热交换的开启与空调制冷系统同步。
3.4 夏热冬暖地区工况分析(广州)
排风热回收装置初始投资增加：广州地区农业用电取为0.7元/(kW·h)，空调系统COP取为4。不加排风回热器的年运行费用为84.91万元；
加排风回热器后，年节省费用为17.55万元；
成本回收年限为1.71 a。
广州地区培育用空调箱全年新风负荷情况如图15所示。对于培育用空调箱的能耗情况进行分析知其新风负荷几乎占全部的负荷，所以对新风负荷进行分析。其中，全年新风热负荷占比为9.6%，全年新风显冷负荷占比为6.95%，全年新风湿负荷占比为83.45%。广州地处夏热冬暖地区，夏季时间漫长且潮湿，所以针对广州地区培育用空调箱的湿负荷进行专门的处理，可有望提高其节能率。
图15 广州地区培育用空调箱新风负荷情况
广州夏季漫长炎热，从七月初直到九月底，室外温度都在30 ℃上下波动。广州为沿海地区，夏季海陆风盛行，且夏季潮湿多雨，整个七月到九月，室外湿度较高，通过能量回收装置可起到很好的排风热回收。应在整个夏季运行排风热回收系统。冬季新风热交换器开启与空调供暖同时开启，广州冬季温暖潮湿，新风热交换器起到的节能效果较差，导致全年排风热回收量较少，在冬季室外温度与室内温度相差较小时，建议关闭排风热回收系统。
3.5 温和地区工况分析(贵阳)
排风热回收装置初始投资增加：贵阳地区农业用电取为0.7元/(kW·h)，空调系统COP取为4。不加排风回热器的年运行费用为35.41万元；
加排风回热器后，年节省费用为10.85万元；
成本回收年限为2.76 a。
贵阳地区培育用空调箱全年新风负荷情况如图16所示，可以看出贵阳地区全年新风热负荷占比为47%，全年新风显冷负荷占比为1.6%，全年新风湿负荷占比为51.4%。贵阳处于温和地区，其全年温度变化较平缓，总的负荷不大，但是其在新风负荷占比中发现湿负荷占比超过50%，所以其全年负荷有一半来自于湿负荷，对其湿负荷进行独立处理可以进一步降低能耗，提高节能率。贵阳地区气候温和，夏季空气凉爽舒适，使用排风热回收装置的节能率较低，建议可根据当天温度变化情况适时开关热回收系统。贵阳冬季温度相对较低，开启排风热回收系统有很好的节能效果，建议整个冬季排风热回收系统与供暖系统同时开启。
图16 贵阳地区培育用空调箱新风负荷情况
不同气候分区的典型城市气候特点各不相同，对于使用排风热回收的情况也不相同。针对不同城市的使用排风热回收的节能率、节省电费及成本回收年限等的情况进行对比分析，可以为每个城市的使用情况提供参考，不同城市使用排风热回收装置情况见表2。
表2 不同城市使用排风热回收装置情况
从表2可以看出不同城市的培育用空调箱情况各不相同，运行费用最高的为广州地区，最低的为贵阳地区。在使用排风热回收装置后，其运行费用都有很大程度的减少，沈阳地区培育用空调箱的节省费用最高，达到23.14万元/a；
贵阳的节省费用最少，为10.85万元/a。虽然不同城市的节省费用都不同，但是其回收年限都小于3 a，也就是说，对于排风热回收装置的使用都有可观的经济效益。排风热回收装置在几个不同的城市都有其使用的必要性。对于使用排风热回收装置的节能率而言，沈阳的节能率最高，广州的节能率最低，只有22.91%。原因是广州全年新风湿负荷占比较大，不同城市全年新风湿负荷占比如图17所示。针对湿负荷较大区域，对湿负荷进行独立处理，可显著降低全年运行费用。
图17 不同城市全年新风湿负荷占比
从表3可以看出排风热回收的节能率与新风湿负荷占比呈现负相关的关系，新风湿负荷占比越大其排风热回收节能率越低。针对湿负荷进行独立处理，可以看出在新风湿负荷占比较大的城市，其节省费用比较可观。而在新风湿负荷占比较小的城市，其回收年限较高，经济性较差。所以针对这种情况，虽然热湿独立处理可以进一步节省运行费用，但是在一些城市回收年限太高，其经济性较差，不推荐使用。而对于广州这种湿负荷占比达到80%的地区，进行热湿独立处理，其回收年限只有1.63 a，仍具有可观的经济效益，因此推荐进行热湿独立处理。
表3 不同城市进行湿负荷独立处理情况
本文对培育用空调箱在不同热工建筑气候分区的使用情况进行了研究，选取了各个热工建筑气候分区的典型城市，通过EnergypPlus能耗模拟软件，获取各个城市的气象参数。以新风量为50 000 m3/h保育猪舍为对象，对培育用空调的使用能耗以及使用排风热回收节能情况进行了分析，获得了不同城市培育用空调箱使用排风热回收的节能情况，并给出了培育用空调箱在不同城市排风热回收的运行策略，为培育用空调的运行提供参考依据，其具体的结论如下：
(1)培育用空调箱在不同的城市的运行能耗情况各不相同，在广州地区的能耗情况最大，在贵阳地区能耗最小。在加排风热回收装置后，其节能率最高的城市为沈阳，而广州的节能率最低。在排风热回收装置的成本回收年限中，沈阳地区的回收年限最小，仅为1.29 a，而在贵阳地区回收年限为2.76 a。在使用排风热回收装置后，其运行费用都有很大程度的减少，其中沈阳地区培育用空调箱的节省费用最高，达到23.14万元/a，贵阳的节省费用最少为10.85万元/a。虽然不同的城市的节省费用都不同，但是其回收年限都小于3 a，也就是说，对于排风热回收装置的使用都有可观的经济效益。
(2)根据不同热工建筑气候分区城市的各自气候特点，对其负荷占比最大的新风负荷进行了分析，发现对新风进行热湿独立处理，在一些城市可以进一步提高培育用空调箱的节能效果。排风热回收的节能率与新风湿负荷占比呈现负相关的关系，新风湿负荷占比越大其排风热回收节能率越低。针对湿负荷进行独立处理，得出在新风湿负荷占比较大的城市，其节省费用比较可观。但是在沈阳、北京和贵州其湿负荷独立处理设备回收年限太高，其经济性较差，不推荐使用。而在广州这种湿负荷占比达到80%的地区，进行热湿独立处理，其回收年限只有1.63 a，每年可节省30多万元，具有可观的经济效益。
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