新型混風(fēng)熱泵熱回收新風(fēng)機性能分析

盧玥明，常萌萌，孫釗，邵亮亮，張春路

（同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院制冷與低溫工程研究所，上海 201804）

0 引言

隨著人民生活水平日漸提高，對空氣品質(zhì)的要求也越來越高，因此現(xiàn)代許多建筑開始引入新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，來改進(jìn)室內(nèi)空氣品質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計，新風(fēng)負(fù)荷已經(jīng)占空調(diào)總負(fù)荷的30%以上，供暖季節(jié)更是高達(dá)60%，其中新風(fēng)濕負(fù)荷占建筑總濕負(fù)荷的68%[1-3]。直接蒸發(fā)制冷或熱泵制熱系統(tǒng)運行時，排風(fēng)不經(jīng)過任何處理便直接排到了室外，浪費了大量的冷熱量。將建筑排出的冷（熱）量轉(zhuǎn)移到需要冷（熱）量的地方，可以減少能源的浪費[4-7]。如果能充分利用排風(fēng)中的冷（熱）量來處理新風(fēng)，將會有效降低處理新風(fēng)的能耗[8-10]。所以《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）[11]提出應(yīng)該在空調(diào)系統(tǒng)中采用排風(fēng)熱回收技術(shù)。

排風(fēng)熱回收技術(shù)常用的裝置主要有平板式、熱管式、板翅式、溶液吸收式、液體循環(huán)式、轉(zhuǎn)輪式等形式[6,12-13]。其中平板式、熱管式、液體循環(huán)式只能回收顯熱部分。在全熱回收裝置中，轉(zhuǎn)輪式換熱器可以適應(yīng)不同的室外氣溫，但是存在空氣的交叉污染。板翅式換熱器與板式顯熱換熱器相似，都是通過水蒸汽的分壓力差進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)交換，熱回收效率會低于轉(zhuǎn)輪式熱交換器[14]。

熱泵式排風(fēng)全熱回收是一種新型的有源熱回收技術(shù)，它使用有限的電能，通過制冷劑熱泵循環(huán)來回收排風(fēng)的冷量和熱量。熱泵換熱器初投資略高，但能回收大量能量，熱效率高且無需擔(dān)心交叉污染，尤其是在冬季低溫工況下，性能優(yōu)勢更為突出。李景麗等[15]介紹了冷凝排風(fēng)熱回收技術(shù)的系統(tǒng)原理、系統(tǒng)的控制方法和系統(tǒng)的運行注意事項，指出排風(fēng)熱回收機組具有良好的發(fā)展前景。VINCENZO 等[16]發(fā)現(xiàn)熱泵式排風(fēng)熱回收新風(fēng)機組承擔(dān)了較大比例的空調(diào)負(fù)荷，且平均季節(jié)能效系數(shù)高，經(jīng)濟性好。

但熱泵式排風(fēng)熱回收新風(fēng)機組也存在著一些缺陷。夏季，冷凝散熱量全部由室內(nèi)排風(fēng)承擔(dān)，由于室內(nèi)需要保持正壓，排風(fēng)風(fēng)量會小于送風(fēng)風(fēng)量，造成排風(fēng)風(fēng)量偏小。排風(fēng)風(fēng)量偏小會導(dǎo)致該機組的冷凝溫度較高，送風(fēng)溫度偏高，效率較低。魏季寧等[17]通過在排風(fēng)道與新風(fēng)道之間增加可調(diào)節(jié)風(fēng)量的旁通風(fēng)道，來解決夏季冷凝溫度過高導(dǎo)致熱泵性能降低的問題。曹祥等[18]發(fā)現(xiàn)引入室外新風(fēng)增大冷凝風(fēng)量，可提高機組夏季能效。然而這些研究都是直接將新風(fēng)與室內(nèi)排風(fēng)混合后通過冷凝器，雖然通過增大風(fēng)量的方式降低了冷凝溫度，但是這無疑浪費了回風(fēng)所攜帶的高品質(zhì)冷量。

本文提出了一種混風(fēng)冷凝加回風(fēng)過冷的新系統(tǒng)。在不改變排風(fēng)盤管內(nèi)容積的前提下，將過冷部分獨立出來，使得室內(nèi)較低溫度的回風(fēng)先經(jīng)過過冷盤管，充分利用其冷量后，再與新風(fēng)混合經(jīng)過排風(fēng)盤管。仿真分析表明，新系統(tǒng)解決了冷凝溫度過高的問題，提高了系統(tǒng)的性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP），同時回風(fēng)過冷使得過冷度更大，單位制冷量提高，能夠有效降低送風(fēng)溫度，達(dá)到等焓送風(fēng)甚至等含濕量送風(fēng)，可完全消除新風(fēng)熱濕負(fù)荷。

1 機組原理

1.1 普通熱泵熱回收機組

普通熱泵熱回收新風(fēng)機的工作原理如圖1所示。制冷工況下，送風(fēng)盤管作為蒸發(fā)器，吸收新風(fēng)中的熱量，將低溫空氣送入室內(nèi)，而排風(fēng)盤管作為冷凝器，回收室內(nèi)回風(fēng)的冷量。制熱工況下，送風(fēng)盤管作為冷凝器，加熱低溫新風(fēng)，將高溫空氣送入室內(nèi)，而排風(fēng)盤管作為蒸發(fā)器，回收室內(nèi)回風(fēng)的熱量和濕量。

圖1 普通熱泵熱回收機組原理示意圖

1.2 基于混風(fēng)冷凝的熱泵熱回收機組

基于混風(fēng)冷凝的熱泵熱回收新風(fēng)機的工作原理如圖2所示。制冷工況下，送風(fēng)側(cè)，送風(fēng)盤管作為蒸發(fā)器，吸收新風(fēng)中的熱量，將低溫空氣送入室內(nèi)。排風(fēng)側(cè)，新風(fēng)風(fēng)道開啟，吸入的新風(fēng)和室內(nèi)回風(fēng)混合后，共同經(jīng)過作為冷凝器的排風(fēng)盤管，帶走冷凝熱。制熱工況下新風(fēng)通道關(guān)閉，工作原理與普通熱泵熱回收機組相同。

圖2 基于混風(fēng)冷凝的熱泵熱回收機組原理示意圖

1.3 基于混風(fēng)冷凝加回風(fēng)過冷的熱泵熱回收機組

基于混風(fēng)冷凝加回風(fēng)過冷的熱泵熱回收新風(fēng)機的工作原理如圖3所示。制冷工況下風(fēng)口開啟，送風(fēng)側(cè)，吸入的新風(fēng)一部分通過作為蒸發(fā)器的送風(fēng)盤管降溫除濕送入室內(nèi)，另一部新風(fēng)從風(fēng)口進(jìn)入排風(fēng)通道。排風(fēng)側(cè)，室內(nèi)回風(fēng)先經(jīng)過過冷盤管，然后與從風(fēng)口進(jìn)入的新風(fēng)混合，共同經(jīng)過作為冷凝器的排風(fēng)盤管，帶走冷凝熱。制熱工況下風(fēng)口關(guān)閉，工作原理與普通熱泵熱回收機組相同。

圖3 基于混風(fēng)冷凝加回風(fēng)過冷的機組原理示意圖

2 機組性能仿真分析

2.1 仿真模型

根據(jù)運行原理示意圖，在制冷空調(diào)系統(tǒng)通用仿真平臺GREATLAB 中建立基于混風(fēng)冷凝加回風(fēng)過冷的熱泵式排風(fēng)熱回收新風(fēng)機組模型[19-20]。機組送風(fēng)風(fēng)量200 m3/h，送排風(fēng)盤管采用翅片管換熱器，節(jié)流元件為電子膨脹閥，制冷工質(zhì)R410A。仿真使用的結(jié)構(gòu)參數(shù)和數(shù)學(xué)模型如表1所示。

表1 仿真模型信息

2.2 結(jié)果分析

本文在標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下（室外35 ℃/28 ℃，室內(nèi)27 ℃/19 ℃）比較了3 種不同熱泵熱回收新風(fēng)機組的性能，結(jié)果如表2所示。表中Ⅰ型指普通熱泵熱回收新風(fēng)機組，Ⅱ型指基于混風(fēng)冷凝的熱泵熱回收新風(fēng)機，Ⅲ型為基于混風(fēng)冷凝加回風(fēng)過冷的熱泵熱回收新風(fēng)機組。表2所示分6 種情況：第1～3 種是在相同的送風(fēng)溫度下、3 種新風(fēng)機組的性能對比，第4～5 種是在等焓送風(fēng)的情況下、兩種新風(fēng)機組的性能對比，第6 種是在達(dá)到等含濕量送風(fēng)時、基于混風(fēng)冷凝加回風(fēng)過冷的熱泵熱回收新風(fēng)機組的具體性能。在冬季，因為風(fēng)口均關(guān)閉，所以3種熱泵熱回收新風(fēng)機性能相同，表3給出了其在2 種制熱工況下機組的性能數(shù)據(jù)。

從表2可以看出，在相同的送風(fēng)溫度下，普通熱泵熱回收機組的COP只有2.69，帶混風(fēng)冷凝的熱泵熱回收機組COP有3.45。這是因為加入新風(fēng)后，冷凝風(fēng)量增大，所以冷凝溫度降低，能效提高。對比只混風(fēng)冷凝的機組，混風(fēng)冷凝加回風(fēng)過冷的機組COP為3.68，比只混風(fēng)冷凝的機組高6.7%，這是由于回風(fēng)過冷使得系統(tǒng)過冷度更大，單位制冷量提高，所以壓縮機轉(zhuǎn)速降低，功耗降低，COP升高。

同時可以看出，送風(fēng)溫度為22 ℃時，普通的熱泵熱回收機組冷凝溫度已經(jīng)接近60 ℃，難以通過壓縮機的升頻使得送風(fēng)溫度進(jìn)一步降低。采用混風(fēng)冷凝后，冷凝風(fēng)量增大，冷凝溫度降低，所以此機組可以通過壓縮機的升頻來降低送風(fēng)溫度，達(dá)到等焓送風(fēng)。但是送風(fēng)溫度若想要進(jìn)一步再降低、達(dá)到等含濕量送風(fēng)時，壓縮機已經(jīng)超過了允許的運行范圍。

然而對于混風(fēng)冷凝加回風(fēng)過冷的機組，不僅可以達(dá)到等焓送風(fēng)，而且由于系統(tǒng)單位制冷量的提高，使得壓縮機在不超過其允許的運行范圍內(nèi)達(dá)到等含濕量送風(fēng)，完全消除新風(fēng)熱濕負(fù)荷。

表2 制冷工況下3 種機組性能對比

從表3可以看出，制熱工況下機組的能效非常高，制熱性能強勁。制熱工況Ⅰ時，壓縮機以其下限頻率運行，送風(fēng)溫度仍有26.5 ℃，機組的COP為5.53。制熱工況Ⅱ時，在不給室內(nèi)增加額外熱負(fù)荷的情況下，即送風(fēng)溫度為20 ℃時，COP仍然高達(dá)5.25。此時，蒸發(fā)器表面溫度高于0 ℃，蒸發(fā)器可以保持不結(jié)霜狀態(tài)。這是因為，熱泵熱回收機組的蒸發(fā)器是從室內(nèi)高溫排風(fēng)中吸收熱量，故蒸發(fā)溫度遠(yuǎn)高于從室外空氣吸收熱量的普通空氣源熱泵，蒸發(fā)器不易結(jié)霜。但是在室外溫度進(jìn)一步降低時，就要通過壓縮機降頻或者其他手段來防止結(jié)霜。

表3 制熱工況下機組性能

3 結(jié)論

本文通過仿真分析，對3 種不同機組在標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下的性能進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

1）同一送風(fēng)溫度下，3 種機組相比，采用基于混風(fēng)冷凝加回風(fēng)過冷的熱泵熱回收新風(fēng)機組COP最高。

2）基于混風(fēng)冷凝加回風(fēng)過冷的熱泵熱回收新風(fēng)機組可以達(dá)到等焓送風(fēng)以及等含濕量送風(fēng)，完全消除新風(fēng)熱濕負(fù)荷。