熱回收裝置對多功能熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

趙匯 劉雄

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

由于傳統(tǒng)意義上的空調(diào)無法滿足人們對空調(diào)在舒適性和節(jié)能性上愈來愈高的要求，故提出了溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)（THIC）。隨著系統(tǒng)研究的不斷深入，研究者們提出了不用形式的空氣處理方法和顯熱端處理方法[1]。濕度控制子系統(tǒng)形式多樣，其中利用新風承擔室內(nèi)全部濕負荷是濕度獨立控制系統(tǒng)的趨勢。

1 系統(tǒng)原理介紹

本文提出一種新型多功能熱泵系統(tǒng)[2]，系統(tǒng)承擔室內(nèi)濕負荷，部分顯熱負荷以及全年生活熱水負荷，在春夏秋季利用新風控制室內(nèi)濕球溫度,其中新風承擔室內(nèi)全部濕負荷和部分顯熱負荷[4]，其系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 新風除濕熱水多功能熱泵系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)主要利用一臺變頻壓縮機作為動力來源，系統(tǒng)的新風處理模塊主要承擔室內(nèi)濕負荷，新風濕負荷，新風冷/熱負荷以及部分室內(nèi)顯熱負荷，通過對室外新風進行除濕，使新風承擔新風濕負荷及室內(nèi)濕負荷，控制新風的送風溫度，可使新風承擔部分室內(nèi)顯熱負荷。對于生活熱水加熱所需的熱量，由新風冷卻除濕過程中產(chǎn)生的冷凝熱以及室外換熱器提供。

2 熱交換裝置節(jié)能量

近些年來住宅內(nèi)通新風越來越普遍，多數(shù)新風系統(tǒng)會采用增加排風熱回收裝置減少系統(tǒng)用能，目前常用的熱回收裝置為全熱交換器和顯熱交換器。

2.1 建筑模型以及參數(shù)選取

針對多功能熱泵系統(tǒng)特點，本文選取杭州、廣州、上海、長沙四個城市進行探討，選取住宅建筑作為研究對象，討論該系統(tǒng)在四個城市中的節(jié)能量。

選取建筑為別墅型住宅建筑，圖 2 為該建筑其中一層平面圖，從圖中可以看出，該層房間設置為兩個臥室，一個客廳，一個餐廳和兩個衛(wèi)生間。

圖2 住宅建筑平面圖

根據(jù)《實用供熱空調(diào)設計手冊》[3]選定夏季室內(nèi)設計參數(shù)為26 ℃，相對濕度為55%。冬季室內(nèi)設計參數(shù)為18 ℃，設計相對濕度為30%～60%。

根據(jù)《實用供熱空調(diào)設計手冊》可知，新風的選取原則是保持正壓，新風比以及最小新風量，根據(jù)《住宅新風系統(tǒng)技術標準》[4]可知，對于住宅建筑的新風量計算如下：

式中：G為新風量，kg/h；n為新風換氣次數(shù)，次 /h；V為住宅體積，m3；S為住宅面積，m2；h為住宅高度，m 。

2.2 排風熱回收裝置節(jié)能量計算

顯熱交換器其回收新風熱量的計算公式[5]為 ：

式中：twj表示室外進風溫度，℃ ；t nj表示室內(nèi)排風溫度，℃ ；ηs表示熱交換器顯熱交換效率。

對于全熱交換器其回收新風熱量的計算公式為：

式中：hw表示室外新風焓值，kJ/kg；hi表示室內(nèi)排風焓值，k J/kg；ηh表示熱交換器全熱交換效率。

根據(jù)《空氣-空氣能量回收裝置GB/T21087-2007》[6]，熱交換器效率選取值如表2。

表2 熱交換器效率選取表

根據(jù)式（2）、（3），計算排風熱回收裝置回收的能量，根據(jù)日常生活起居習慣，本文選取兩種運行模式進行探討，第一種為全天運行模式，第二種為工作模式，即夜間10 點至晨間6 點開啟，結果如表3 所示。

表3 各城市熱回收裝置節(jié)能量

圖4 各城市夏季節(jié)能量和節(jié)能效率比

圖5 各城市冬季節(jié)能量和節(jié)能效率比

圖6 過渡季節(jié)需加熱城市時全熱交換器節(jié)能量

圖7 過渡季節(jié)需冷卻時全熱交換器節(jié)能量

從表 3 可看出，杭州和廣州夏季使用顯熱交換器回收的能量為負值，顯然使用顯熱交換器不節(jié)能。因此對于多功能熱泵系統(tǒng)，熱回收裝置選擇全熱回收裝置節(jié)能效果更好，將使用全熱交換器時的節(jié)能量和節(jié)能比例繪制成圖，如圖 4、5、6、7 所示。

從圖中可以看出，在夏季使用全熱交換器在上海和長沙分別能夠節(jié)約 45.51%和 45.35%的能量，高于杭州和廣州，在冬季的節(jié)能率與杭州相差不多，分別為64.97%和63.78%，夏季的節(jié)能效率低于冬季。且冬季無論是模式1 還是模式 2，節(jié)能量最多的都是上海，因此上海適合使用全熱交換器進行熱回收。對比圖6、7 中的節(jié)能率可發(fā)現(xiàn)，冷卻工況下節(jié)能率最高的是長沙，節(jié)能率高達83.89%。加熱時節(jié)能率最高的是上海，節(jié)能率超過100%，表明在上海過渡季節(jié)室外溫度較低時可僅開啟熱回收裝置就可滿足對新風處理要求。

同時從模式 1 模式 2 的節(jié)能量和節(jié)能率對比來看，模式2 下運行時間短，負荷較小，機組提供能量少，但是使用熱回收裝置的節(jié)能率相差不大，其主要原因是在計算過程中熱回收效率為定值，實際使用過程中該值不斷變化，吳煒華[7]研究了風量，溫度差，濕度差對換熱效率的影響，并擬合出了經(jīng)驗公式，表明溫度差和濕度差與效率呈正相關的關系，風量則與其負相關。因此在溫度差和濕度差大的地方使用熱回收裝置節(jié)能效果更好。

3 熱交換裝置對壓縮機耗功的影響

多功能熱泵系統(tǒng)增加全熱回收裝置后處理新風消耗冷量減少的同時冷凝熱隨之減少，此時系統(tǒng)壓縮機的做功變化未可知，因此本節(jié)主要探究使用全熱交換器對多功能熱泵系統(tǒng)壓縮機做功的影響。

夏季可節(jié)約的壓縮機耗功量為：

式中：Qsc表示使用全熱交換裝置節(jié)約的能量，k J；COPas表示夏季系統(tǒng)運行平均COP。

冬季可節(jié)約的壓縮機耗功量為：

式中：Qsh表示使用全熱交換裝置節(jié)約的能量，kJ。

過渡季節(jié)系統(tǒng)需要對新風進行加熱或冷卻，當系統(tǒng)對新風冷卻工況時使用全熱交換器依然能夠滿足生活熱水的需求時，節(jié)能量的計算與式（4）相同，當系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量不足以提供冷凝熱時，熱交換器達不到節(jié)能的作用，在系統(tǒng)為新風加熱工況下，使用全熱交換裝置節(jié)約的能量可按照式（5）計算。得到各個城市各個季節(jié)耗功量的值如表4。

由表4 可得，夏季全熱交換器通過回收冷量減少壓縮機做功，冬季則回收熱量減少壓縮機做功，過渡季節(jié)既回收冷量也回收熱量，且冷量回收值較大，在壓縮機總能耗中占比大。上海和長沙由模式1 轉變?yōu)槟Ｊ?，節(jié)能率有所下降，因此對于長沙和上海過渡季節(jié)使用全熱交換器節(jié)能。對于杭州和廣州，使用全熱交換器是否節(jié)能與運行模式有關，模式1 下節(jié)能，模式 2 下不節(jié)能。

表4 系統(tǒng)壓縮機耗功量對比表

由圖8 可得，長沙冬季的節(jié)能率最低。在模式 2下運行時，杭州和廣州的過渡季節(jié)使用全熱交換器并不節(jié)能，甚至會增加壓縮機耗功量，因此在杭州和廣州使用全熱回收裝置時需要注意機組運行時間段。且從圖上可以看出長沙冬季的節(jié)能率最低，模式 1 下為5.46%，模式2 下僅為1.69%。

圖8 各城市耗功節(jié)能率對比圖

從圖9 可以看出，廣州夏季制冷壓縮機耗功最多，冬季制熱壓縮機耗功最少，但是模式 1 下運行比模式2 下運行耗功少，主要原因是日間室外溫度高，壓縮機COP 值較高。且從圖中可以發(fā)現(xiàn)，杭州，上海和長沙冬夏季耗功量相差不大，過渡季節(jié)模式 2 下杭州耗功最多，模式 1 下上海耗功最多，主要耗功在于新風的除濕冷卻過程。

圖9 各城市耗功量對比圖

4 總結

本文通過分析常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點，結合日常生活需求創(chuàng)新性的提出了多功能熱泵系統(tǒng)，并研究熱交換器對系統(tǒng)的影響，得到以下結論：

1）根據(jù)上述分析可發(fā)現(xiàn)，溫濕度差越大，使用熱回收裝置的節(jié)能效果越好，對于多功能熱泵系統(tǒng)來講，選擇全熱交換裝置更加合適。

2）杭州和廣州過渡季節(jié)使用全熱交換器模式1 下可節(jié)能，模式2 下不節(jié)能，因此廣州和杭州使用全熱交換裝置時和運行時間關系很大，白天運行節(jié)能，夜間運行并不節(jié)能，而上海和長沙由模式1 轉變?yōu)槟Ｊ?2，節(jié)能率有所下降但是依然節(jié)能，因此對于長沙和上海過渡季節(jié)使用全熱交換器是節(jié)能的，日間運行的節(jié)能率稍高，對于杭州和廣州，使用全熱交換器是否節(jié)能與運行模式有關，模式1 下節(jié)能，模式2 下不節(jié)能。

本文通過分析熱交換器對多功能熱泵系統(tǒng)的影響，表明使用全熱交換器比顯熱交換器更適用于多功能熱泵系統(tǒng)，且節(jié)能效果與運行模式和季節(jié)等都有關系，但是本文只是簡要分析了影響，并沒有對這些因素量化提出系統(tǒng)在實際使用過程中各影響因素的影響分子，是下一步研究的方向。