新型轉(zhuǎn)輪全熱回收新風機組實驗研究與節(jié)能分析

嚴衛(wèi)東 童 矗 韓 旭 張雨瀟

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新型轉(zhuǎn)輪全熱回收新風機組實驗研究與節(jié)能分析

嚴衛(wèi)東1童 矗2韓 旭2張雨瀟2

（1.江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京 211100；2.解放軍理工大學(xué) 南京 210007）

提出一種新型轉(zhuǎn)輪全熱回收新風機組，利用恒溫恒濕小室，改變室內(nèi)排風參數(shù)，測試夏季工況下該機組的冷回收性能。實驗數(shù)據(jù)表明，室內(nèi)排風相對濕度對轉(zhuǎn)輪的溫度交換效率影響較?。辉谝欢ǚ秶鷥?nèi)提高室內(nèi)排風相對濕度，轉(zhuǎn)輪的焓交換效率有明顯的上升趨勢，但室內(nèi)排風相對濕度提高到60%時，轉(zhuǎn)輪的焓交換效率有急劇下降的趨勢，尤其在排風溫度較高的情況下更為明顯；提高室內(nèi)排風溫度，轉(zhuǎn)輪的溫度交換效率有所提高，增幅在2%-4%，轉(zhuǎn)輪的焓交換效率也有所提高，但增幅不大；聯(lián)合運行工況下，制冷系統(tǒng)冷凝溫度降低，輸入功率減小，能效比提高，蒸發(fā)負荷大大降低；隨室內(nèi)排風溫度的提高，轉(zhuǎn)輪回收能量與設(shè)備能耗之比逐漸降低，由室內(nèi)排風溫度為24℃時的3.5降為室內(nèi)排風溫度為30℃的1.6。

轉(zhuǎn)輪；熱泵；新風；全熱回收；焓交換效率；溫度交換效率

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟快速發(fā)展，人們生活水平日益提高，然而各種空氣質(zhì)量問題引發(fā)的疾?。ㄈ绮B(tài)建筑綜合癥、軍團菌、SARS）甚是嚴重，人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)要求不斷提高。為提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，空調(diào)系統(tǒng)需要從室外引入大量與室內(nèi)空氣狀態(tài)相差很大的新風，大大增加了新風處理能耗，新風處理能耗約占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的20%～30%[1]，新風負荷約占整個空調(diào)系統(tǒng)總負荷的30%～50%[2]。同時，空調(diào)系統(tǒng)需排出室內(nèi)部分污濁空氣，造成大量冷（熱）量的浪費，如何充分合理利用排風能量得到相關(guān)專業(yè)人士的關(guān)注。文獻[3]對空調(diào)系統(tǒng)的排風熱回收的可行性進行了分析，認為排風熱回收是一種有效的節(jié)能方式，有較大的推廣價值；文獻[4]分析了設(shè)置排風能量回收裝置的必要條件，指出新風量和送風量不能作為設(shè)置熱回收的必要條件。文獻[5]分析了空調(diào)系統(tǒng)漏風量對熱回收效率的影響因素，指出在評價能量回收指標中，應(yīng)考慮風機的能耗指標。文獻[6]分析了常用的轉(zhuǎn)輪全熱交換器、板翅式換熱器、熱管換熱器等熱回收設(shè)備的特點，重點介紹了熱質(zhì)循環(huán)能量回收方式，展望這一技術(shù)的發(fā)展。目前，小型新風處理方式一般采用的是板式顯熱交換器[7]，首先熱回收效率比較低，其次，在夏季工況下熱回收后的新風仍然比室內(nèi)的設(shè)計溫濕度要高，為實現(xiàn)既能節(jié)能又能改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的目的，本文提出了一種新型轉(zhuǎn)輪全熱回收新風機組。

1 機組結(jié)構(gòu)與熱工參數(shù)

1.1 機組內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

機組內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，機組外形尺寸為3500mm×1250mm×1440mm，機組額定風量為800m3/h。

1-排風機；2（8）-換熱器；3-全熱回收轉(zhuǎn)輪；4-四通閥；5-壓縮機；6-粗效過濾器；7-高效過濾器；9-加濕器；10-送風機

從新風側(cè)方向看，室外新風先經(jīng)過粗效過濾器進行過濾，然后經(jīng)過全熱回收轉(zhuǎn)輪進行全熱交換，再經(jīng)過換熱器（蒸發(fā)器）加熱（冷卻除濕），最后由送風機送入房間；從回風側(cè)方向看，室內(nèi)回風先經(jīng)過粗效過濾器進行過濾，然后經(jīng)過全熱回收轉(zhuǎn)輪進行熱（冷）濕回收，再經(jīng)過換熱器（冷凝器）對制冷系統(tǒng)進行冷卻，最后由排風機排出室外。

1.2 系統(tǒng)主要性能參數(shù)

系統(tǒng)主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要性能參數(shù)

2 樣機性能的實驗研究

2.1 測試的理論依據(jù)

根據(jù)文獻[8]《空氣-空氣能量回收裝置》（GB/T 21087-2007）規(guī)定，機組的性能測試名義工況如表2所示。室內(nèi)回風首先經(jīng)過熱回收轉(zhuǎn)輪3進行熱濕交換；熱濕交換后的回風與換熱器2的制冷劑進行熱交換；最后通過排風機1排至室外。

表2 空氣-空氣能量回收裝置測試名義工況

本實驗對實驗工況做了一定的調(diào)整，利用夏季高溫時段自然工況進行測試，室外溫度控制在35℃，相對濕度未做嚴格控制；室內(nèi)利用先進的恒溫恒濕實驗室，模擬12種不同的室內(nèi)排風工況測試機組的交換效率和新風送風溫度，如表3所示。

表3 實驗工況

該新風全熱回收機組采用熱泵和轉(zhuǎn)輪兩種熱回收形式，實驗通過改變不同室內(nèi)排風溫濕度參數(shù)，在三種不同運行模式下進行測試：（1）單獨運行制冷系統(tǒng)；（2）單獨運行轉(zhuǎn)輪；（3）轉(zhuǎn)輪、制冷系統(tǒng)聯(lián)合運行。本實驗主要以測試夏季該機組熱回收性能來研究其可行性和節(jié)能潛力。

2.2 測試方法

實驗通過恒溫恒濕機組來控制1個小室的溫濕度，模擬室內(nèi)排風參數(shù)，室內(nèi)排風溫度誤差 ±0.3℃，濕度誤差±2%；新風直接引入室外新風，新風參數(shù)與測試名義工況參數(shù)誤差控制在±3℃。機組放置在實驗室內(nèi)，新風側(cè)用風管從室外引進新風，排風側(cè)通過風管與模擬室內(nèi)溫濕度的小室相連，實驗臺如圖2所示。

圖2 實驗臺示意圖

測試不同室內(nèi)排風溫濕度參數(shù)、不同運行模式下該機組的熱回收效率。實驗采用的溫濕度傳感器溫度范圍0-50℃，精度±0.3℃；濕度范圍0-100%，精度±2%。本次測試的主要參數(shù)有機組的送風量G、排風量G，新風進口溫度1、相對濕度1，新風出口溫度2、相對濕度2，排風進口溫度3、相對濕度3。機組內(nèi)各溫濕度傳感器布置點如圖3所示。

圖3 機組內(nèi)傳感器布置圖

3 測試結(jié)果與分析

3.1 室內(nèi)溫濕度變化對新風送風溫度的影響

圖4表示不同運行工況下室內(nèi)溫濕度變化對新風送風溫度的影響。

圖4 室內(nèi)溫濕度變化對新風送風溫度的影響

實驗過程中，室外新風送風溫度變化不大，溫度維持在35±0.5℃，由圖4可知，保持室內(nèi)排風溫度不變，改變室內(nèi)排風相對濕度，在三種運行模式下，室內(nèi)排風溫度波動在±1℃，表明室內(nèi)排風相對濕度對新風送風溫度的影響不大。保持室內(nèi)排風相對濕度不變，改變室內(nèi)排風溫度，在三種運行模式下，新風送風溫度也相應(yīng)提高，表明新風送風溫度受室內(nèi)排風溫度的影響較大。

由圖4（a）可知，轉(zhuǎn)輪單獨運行工況下，新風送風溫度高于室內(nèi)溫度，隨著室內(nèi)排風溫度的提高，送風溫差由2℃減小到0.5℃左右。由圖4（b）可知，在單獨制冷運行工況下，新風送風溫度都低于房間溫度，隨著室內(nèi)排風溫度的提高，送風溫差由3.5℃增加到6.5℃左右；只有在室內(nèi)排風溫度為30℃時，新風送風溫度高于文獻[9]《直接蒸發(fā)式全新風空氣處理機組》（GBT 25128-2010）規(guī)定的23℃，其他工況下，其新風送風溫度均低于23℃。由圖4（c）可知，在聯(lián)合運行工況下，新風送風溫度低于房間溫度，隨著室內(nèi)排風溫度的提高，聯(lián)合工況下送風溫差由6.5℃增加到8℃左右；新風送風溫度均低于23℃。

3.2 轉(zhuǎn)輪對熱泵系統(tǒng)能效的影響分析

夏季聯(lián)合運行工況下，熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度對應(yīng)為排風側(cè)轉(zhuǎn)輪后的排風溫度（即傳感器2所讀數(shù)據(jù)），蒸發(fā)溫度對應(yīng)為新風側(cè)轉(zhuǎn)輪后的新風溫度（即傳感器5所讀數(shù)據(jù)），如圖5所示。

圖5 熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器、冷凝器進口側(cè)空氣溫度變化

《單元式空氣調(diào)節(jié)機》（GBT17758-2010）規(guī)定，對機組的名義制冷量的測試，要求室外側(cè)冷空氣進風溫度為35℃。由圖6（a）可知熱泵進口側(cè)溫度為29～32℃，低于35℃，即冷凝溫度降低，輸入功率減小，能效比提高[10]；同時由圖6（b），對蒸發(fā)器而言，進風溫度由35℃降低至24～30℃，蒸發(fā)負荷大大降低。

3.3 室內(nèi)溫濕度變化對轉(zhuǎn)輪熱回收效率影響分析

圖6表示轉(zhuǎn)輪運行工況下不同室內(nèi)排風溫度下改變室內(nèi)排風相對濕度時轉(zhuǎn)輪熱交換效率的變化。

圖6 轉(zhuǎn)輪運行工況下轉(zhuǎn)輪熱交換效率的變化

由圖6（a）可知，隨著室內(nèi)排風溫度從24℃升高到30℃，轉(zhuǎn)輪的溫度交換效率有所提高；排風溫度從24℃升高到27℃，轉(zhuǎn)輪的溫度交換效率增加1%-3%，排風溫度從27℃升高到30℃，轉(zhuǎn)輪的溫度交換效率增加4%左右，增幅有所增大。在保持室內(nèi)排風溫度恒定的條件下，改變室內(nèi)排風相對濕度從45%提高到60%，轉(zhuǎn)輪的溫度交換效率沒有明顯的變化；排風溫度恒定為24℃時，轉(zhuǎn)輪溫度交換效率在78%左右波動，排風溫度為27℃時，轉(zhuǎn)輪溫度交換效率在80%左右波動，排風溫度恒定為30℃時，轉(zhuǎn)輪溫度交換效率在84%左右波動。

由圖6（b）可知，在室內(nèi)排風相對濕度恒定的條件下，隨著室內(nèi)排風溫度從24℃升高到30℃，轉(zhuǎn)輪的焓交換效率有所提高，但增幅不大。在保持室內(nèi)排風溫度恒定的條件下，改變室內(nèi)排風相對濕度從45%提高到55%，轉(zhuǎn)輪的焓交換效率有明顯的上升趨勢；但室內(nèi)排風相對濕度提高到60%時，轉(zhuǎn)輪的焓交換效率有急劇下降的趨勢，尤其在排風溫度較高的情況下更為明顯。這說明在一定范圍內(nèi)提高室內(nèi)排風相對濕度可以適當提高轉(zhuǎn)輪焓交換效率。

3.4 節(jié)能分析

轉(zhuǎn)輪運行工況下，計算熱回收主要考慮：排風回收能量、轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)能耗（包括轉(zhuǎn)輪和風機能耗），將排風熱回收的能量折合成制冷用電量。

排風回收能量E計算公式如下：

圖7為轉(zhuǎn)輪運行工況下排風回收能量與設(shè)備能耗的對比柱狀圖。隨室內(nèi)排風溫度的提高，轉(zhuǎn)輪回收能量與設(shè)備能耗之比逐漸降低，由室內(nèi)排風溫度為24℃時的3.5降為室內(nèi)排風溫度為30℃的1.6。

4 結(jié)論

（1）保持室內(nèi)排風溫度恒定的條件下，改變室內(nèi)排風相對濕度從45%提高到60%，轉(zhuǎn)輪的溫度交換效率沒有明顯的變化；隨著室內(nèi)排風溫度從24℃升高到30℃，轉(zhuǎn)輪的溫度交換效率有所提高。

（2）在室內(nèi)排風相對濕度恒定的條件下，隨著室內(nèi)排風溫度從24℃升高到30℃，轉(zhuǎn)輪的焓交換效率有所提高，但增幅不大；在保持室內(nèi)排風溫度恒定的條件下，改變室內(nèi)排風相對濕度從45%提高到55%，轉(zhuǎn)輪的焓交換效率有明顯的上升趨勢；但室內(nèi)排風相對濕度提高到60%時，轉(zhuǎn)輪的焓交換效率有急劇下降的趨勢，尤其在排風溫度較高的情況下更為明顯。這說明在一定范圍內(nèi)提高室內(nèi)排風相對濕度可以適當提高轉(zhuǎn)輪焓交換效率。

（3）聯(lián)合運行工況下，熱泵進口側(cè)溫度為29～32℃，溫度低于35℃，制冷系統(tǒng)冷凝溫度降低，輸入功率減小，能效比提高；蒸發(fā)器的進風溫度由35℃降低至24～30℃，蒸發(fā)負荷大大降低。

（4）隨室內(nèi)排風溫度的提高，轉(zhuǎn)輪回收能量與設(shè)備能耗之比逐漸降低，由室內(nèi)排風溫度為24℃時的3.5降為室內(nèi)排風溫度為30℃的1.6。

[1] 錢以明,董啟平.轉(zhuǎn)輪式全熱交換器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化[J].制冷學(xué)報,1990,46(4):6-12.

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[10] 金聽祥,徐笑鋒,吳彥生,等.室外環(huán)境溫度對房間空調(diào)器性能影響的試驗研究[J].低溫與超導(dǎo),2015,43(9): 66-69.

Research of New Wheel Full Heat Recovery Fresh Air Unit Experiment and Energy Saving Analysis

Yan Weidong1Tong Chu2Han Xu2Zhang Yuxiao2

( 1.Jiangsu Institute of Economic&Trade Technology, Nanjing, 211100; 2.School of Defence Engineering, PLA University of Science & Technology, Nanjing, 210007 )

Put forward a new kind of wheel total heat recovery fresh air units, using constant temperature and humidity chamber, and changing indoor ventilation parameters, test cold recycling performance of the unit under the condition of the summer. Experimental data show that, the influence of indoor exhaust air relative humidity on temperature exchange effectiveness of wheel. Within a certain range, with the increase of the indoor relative humidity of exhaust air, the enthalpy exchange effectiveness of wheel has an obvious rising trend. But when the indoor exhaust air relative humidity increase to 60%, the enthalpy exchange effectiveness of the wheel has a tendency to fell sharply, especially in the case of higher exhaust temperature. Improve the indoor exhaust temperature, the temperature exchange effectiveness of the wheel is improved from 2% to 4%, the enthalpy exchange effectiveness of the wheel is improved, but the increase is small. In the combined operation condition, the condensing temperature of the refrigeration system and the input power are reduced, evaporation load is greatly reduced. With the increase of indoor exhaust air temperature, the ratio of the wheel recycling energy and equipment energy consumption reduce gradually, which reduced from 3.5 to 1.6.

heel; heat pump; fresh air; total heat recovery; enthalpy exchange effectiveness; temperature exchange effectiveness

TU831.5

B

1671-6612（2018）02-183-06

嚴衛(wèi)東（1966.8-），男，本科，副教授，E-mail：445296397@163.com

2017-07-13