熱回收熱泵型新風(fēng)換氣技術(shù)的研究進(jìn)展與分析

胡國(guó)霞（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 上海 200011）

增加建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性有利于降低建筑能耗，但同時(shí)削弱了建筑自然通風(fēng)的能力，使得室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化。通過機(jī)械裝置引入新風(fēng)對(duì)于稀釋室內(nèi)污染物，改善空氣品質(zhì)，減少病態(tài)建筑綜合癥具有重要作用，因而日益受到人們的青睞。然而新風(fēng)的引入與處理卻需要消耗大量的能量，甚至超過高氣密性建筑空調(diào)總能耗的 50%[1]。實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)空調(diào)房間的排風(fēng)往往具有區(qū)別于室外新風(fēng)的溫濕度狀態(tài)，直接將空調(diào)房間的熱量通過排風(fēng)排到室外環(huán)境中既造成城市熱污染，又浪費(fèi)了能量。因此，利用排風(fēng)中的余熱來處理新風(fēng)受到人們的重視，此舉不僅有利于減少處理新風(fēng)所需的能量，還有利于降低新風(fēng)機(jī)組的負(fù)荷以及系統(tǒng)初投資[2]。

根據(jù)排風(fēng)的回收方式，排風(fēng)熱回收技術(shù)可以分為 2 類[3]：①無源換熱法，只需要借助空氣-空氣能量回收裝置就可以回收排風(fēng)中的能量，典型裝置包括板式熱交換器、板翅式熱交換器、轉(zhuǎn)輪式熱交換器、熱管式熱交換器?？諝?空氣能量回收裝置運(yùn)行的條件是新風(fēng)和排風(fēng)之間存在溫差或者焓差，溫差或焓差越大，熱回收的效率越高。②有源熱回收法，需借助少量的電能或者機(jī)械能，利用熱力循環(huán)原理回收排風(fēng)中的能量。近年來受到學(xué)者較多關(guān)注的熱泵式排風(fēng)熱回收技術(shù)就是其中的一種。該技術(shù)將新風(fēng)機(jī)和熱泵系統(tǒng)相結(jié)合，利用排風(fēng)作為熱泵機(jī)組冷凝風(fēng)與制冷劑進(jìn)行熱交換，具有以下優(yōu)點(diǎn)[4]：①排風(fēng)只與熱泵的冷凝器換熱，不與新風(fēng)接觸，杜絕了新風(fēng)與排風(fēng)的交叉污染，清潔衛(wèi)生；②熱泵冷凝器布置在排風(fēng)管道中，使用排風(fēng)作為冷凝器的熱源，可以提高機(jī)組的能源利用效率，降低了極端工況下熱泵機(jī)組結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)；③機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，無需復(fù)雜的冷媒管道鋪設(shè)，安裝簡(jiǎn)單。針對(duì)這一新興的排風(fēng)熱回收技術(shù)，本文將對(duì)其展開綜述。

1 熱泵排風(fēng)熱回收裝置的原理及其發(fā)展

熱泵排風(fēng)熱回收（Exhaust Air Heat Pump,EAHP）式新風(fēng)系統(tǒng)的基本原理如圖 1 所示。夏季空調(diào)房間排風(fēng)吹過風(fēng)道中的冷凝器，回收風(fēng)中的冷量。冬季熱泵的四通換向閥改變制冷劑流動(dòng)方向，使得排風(fēng)吹過風(fēng)道中的蒸發(fā)器，回收排風(fēng)中的熱量。冉春雨[5]采用焓差法測(cè)試了寒冷地區(qū)利用排風(fēng)以及排風(fēng)混合室外新風(fēng)兩種運(yùn)行工況下 EAHP 系統(tǒng)的性能。測(cè)試表明第二種工況下機(jī)組的制熱量和全年效率值 COP 均大于第一種工況下的制熱量和 COP，熱泵 COP 達(dá)到 3.7，焓差熱回收效率則達(dá)到了 51.4%，顯著改善了新風(fēng)機(jī)的性能。

圖1 EAHP 式新風(fēng)系統(tǒng)的示意圖[6]

在圖 1 所示系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，石峰豪[6]研究了雙級(jí)EAHP系統(tǒng)的性能，并與圖 1 所示的單級(jí) EAHP 以及常規(guī)無熱回收的空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了性能比較。雙級(jí) EAHP 系統(tǒng)指在新風(fēng)與排風(fēng)進(jìn)入熱泵換熱器之前就通過空氣-空氣換熱裝置進(jìn)行一次熱交換，如圖 2 所示?；谀M的研究結(jié)果顯示雙級(jí) EAHP 系統(tǒng)的性能系數(shù)隨著前置熱回收裝置效率的升高而升高，在熱回收效率等于 0.6 的情況下，整個(gè)系統(tǒng)的性能系數(shù)等于 5.262，相較于單級(jí) EAHP 系統(tǒng)和常規(guī)空氣源熱泵的性能系數(shù)，分別提升了 31.29% 和 83.22%。嚴(yán)衛(wèi)東[7]提出在新風(fēng)和排風(fēng)進(jìn)入熱泵換熱器之前利用轉(zhuǎn)輪全熱回收器對(duì)新風(fēng)與排風(fēng)進(jìn)行一次換熱。夏季工況下的測(cè)試結(jié)果顯示，與轉(zhuǎn)輪單獨(dú)運(yùn)行模式相比，上述聯(lián)合運(yùn)行模式下的熱回收能量和設(shè)備能耗之比要高，而且受室內(nèi)排風(fēng)溫濕度影響較小，具有較好的節(jié)能效益。類似地，李無言[1]提出在熱泵之前利用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)提前處理新風(fēng)和排風(fēng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在夏季標(biāo)準(zhǔn)工況下，新系統(tǒng)制冷 COP 達(dá)到 5.12，相比傳統(tǒng)單級(jí) EAHP 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能 70% 以上；冬季也能保持較高的能效水平，但是在極寒天氣條件下系統(tǒng)難以獨(dú)立滿足室內(nèi)供暖需求。

圖2 雙級(jí) EAHP 式新風(fēng)系統(tǒng)的示意圖

金洪文[8]進(jìn)一步對(duì)寒冷地區(qū)啟動(dòng)熱泵和不啟動(dòng)熱泵，以及熱泵和全熱交換器不同位置組合情況下系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如圖 3 所示。研究結(jié)果表明在沒有啟動(dòng)熱泵系統(tǒng)時(shí)，使用全熱交換器的房間新風(fēng)出口溫度低于房間溫度 6.7 ℃；啟動(dòng)熱泵后，在全熱交換器前段位置采用熱泵加熱新風(fēng)的綜合效率提高 8%，新風(fēng)出口溫度低于房間溫度 2 ℃，新風(fēng)負(fù)荷比沒有啟動(dòng)熱泵時(shí)明顯減??；在全熱交換器后端位置用熱泵加熱新風(fēng)的綜合效率提升18%，新風(fēng)出口溫度高于室內(nèi)溫度 6.5 ℃。因此，作者認(rèn)為在全熱交換器后端利用熱泵吸收排風(fēng)的余熱加熱新風(fēng)非常適合在寒冷地區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。張子楊等人[9]提出了排風(fēng)熱回收新風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在制冷工況下包含一個(gè)蒸發(fā)器和三個(gè)冷凝器，蒸發(fā)器將室外新風(fēng)冷卻處理到近似飽和狀態(tài)，兩個(gè)冷凝器用于向室外和排風(fēng)中散熱，另外一個(gè)冷凝器用于新風(fēng)的再熱。制熱模式下，通過閥門的轉(zhuǎn)換，該系統(tǒng)從室外以及排風(fēng)中吸收熱量用于加熱新風(fēng)。模擬結(jié)果顯示該系統(tǒng)在有效回收排風(fēng)熱量的同時(shí)，能同時(shí)避免冬季室外換熱器的結(jié)霜。夏季室外溫度 35 ℃ 時(shí)，系統(tǒng)制冷 COP 達(dá)到 3.3；冬季室外溫度為 7 ℃ 時(shí)，系統(tǒng)制熱 COP 達(dá)到 4.8。

圖3 全換熱器和熱泵不同組合模式的示意圖

王雷等人[10]為了提高冬季室內(nèi)外溫差較大條件下 EAHP 系統(tǒng)的性能，提出了一種三回路熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括蒸發(fā)壓力呈階梯分布的三個(gè)獨(dú)立熱泵循環(huán)。在實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)室外空氣溫度低于 2.5 ℃ 時(shí)，該系統(tǒng)的 COP 相比傳統(tǒng)單回路更高。例如當(dāng)室外空氣溫度為 －20 ℃ 時(shí)，該系統(tǒng) COP 高達(dá) 9.33，比傳統(tǒng)單回路高 23.1%。而當(dāng)室外空氣溫度高于 2.5 ℃ 時(shí)，兩者 COP 的差異不明顯。

上述研究顯示 EAHP 式新風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，配合傳統(tǒng)新風(fēng)換熱器能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)排風(fēng)余熱的回收。通過對(duì)熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高了 EAHP 系統(tǒng)在不同氣候條件下的適應(yīng)性。

2 EAHP 式新風(fēng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于單級(jí) EAHP 式新風(fēng)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù) COPsin。雙級(jí)乃至更加復(fù)雜排風(fēng)熱回收系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括熱交換器的熱回收效率 ，熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù) COPsin以及整個(gè) EAHP 系統(tǒng)的性能系數(shù) COPsys。根據(jù) ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)，熱交換器的熱回收效率包括顯熱交換效率、潛熱交換效率和全熱交換效率[11]。如圖 4 所示的定義可以由式（1）表示。

圖4 換熱器示意圖

式中：x1—室外新風(fēng)的狀態(tài)參數(shù)；

x2—新風(fēng)經(jīng)過換熱后的狀態(tài)參數(shù)；

x3—室內(nèi)排風(fēng)狀態(tài)參數(shù)；

ms—送風(fēng)的氣流量，kg/s；

mmin—送風(fēng)和排風(fēng)中較小的氣流量，kg/s；

ε—顯熱換熱效率時(shí)，x表示氣流的干球溫度，℃。（ε為潛熱換熱效率時(shí)，x表示氣流的含濕量，g/kg；ε為全熱換熱效率時(shí)，x表示氣流的焓，kJ/kg。）

熱泵系統(tǒng)和 EAHP 式新風(fēng)系統(tǒng)的性能系數(shù) COP 如式（2）和（3）所示, 熱泵系統(tǒng)的 COP 為新風(fēng)通過熱泵吸收的熱量與熱泵系統(tǒng)耗功之比。EAHP 系統(tǒng)的 COP 為新風(fēng)通過整個(gè) EAHP 系統(tǒng)得到的熱量與系統(tǒng)耗功之比。系統(tǒng)功耗主要包括壓縮機(jī)耗功和風(fēng)機(jī)耗功。

式中：mf—新風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s;

?hhp—通過熱泵換熱器前后的新風(fēng)焓差；

?hsys—通過EAHP系統(tǒng)前后的新風(fēng)焓差，℃；

Pcom、Pfan—分別表示壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的功耗，W。

除上述指標(biāo)之外，段飛等人[12]提出節(jié)能潛力指數(shù) 的概念，其定義為：在室外氣象參數(shù)滿足排風(fēng)熱回收的使用條件下，單位時(shí)間內(nèi)排風(fēng)熱回收裝置的能量收益與采用空調(diào)器消耗相同的功耗所產(chǎn)生的制冷量或者制熱量的差值（即排風(fēng)熱回收的相對(duì)可節(jié)能量）,再除以排風(fēng)熱回收裝置實(shí)際的運(yùn)行功耗的累計(jì)平均值。其物理意義在于評(píng)價(jià)系統(tǒng)的節(jié)能潛力。張濤等人[13]提出冬季 EAHP 系統(tǒng)的熱回收效率為：空氣源熱泵冬季排風(fēng)熱回收制熱運(yùn)行時(shí)的制熱量與常規(guī)空氣源熱泵在對(duì)應(yīng)的室外空氣溫度下制熱運(yùn)行的制熱量之差除以冬季制熱工況下排風(fēng)與新風(fēng)的比焓差。該指標(biāo)反映了排風(fēng)作為熱泵蒸發(fā)器熱源相對(duì)室外空氣作為蒸發(fā)器熱源時(shí)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。李無言[1]提出用排風(fēng)出口?與室外新風(fēng)?的相對(duì)大小來評(píng)價(jià)排風(fēng)回收的程度。如果排風(fēng)出口?值高于新風(fēng)?值，則說明排風(fēng)中仍然有剩余部分能量有待回收。如果低于新風(fēng)?值，則說明排風(fēng)空氣處于被過度熱回收的狀態(tài)。

3 EAHP 系統(tǒng)性能的影響因素和經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 EAHP 系統(tǒng)的影響因素

影響 EAHP 系統(tǒng)熱回收性能的因素主要有兩個(gè)方面[14]：①裝置中所用設(shè)備的物理特性，比如風(fēng)機(jī)性能、換熱器換熱效率等；②裝置兩側(cè)新排風(fēng)的進(jìn)風(fēng)參數(shù)。下文主要論述常見的迎面風(fēng)速、新排風(fēng)熱濕狀態(tài)、有效換氣率、運(yùn)行策略等方面對(duì) EAHP 系統(tǒng)的影響。

隨著迎面風(fēng)速的變大，單位體積的新風(fēng)和排風(fēng)在熱交換器內(nèi)停留的時(shí)間變短，兩者之間的傳熱和傳質(zhì)就會(huì)不充分。而當(dāng)風(fēng)速減小時(shí)，新風(fēng)和排風(fēng)的熱質(zhì)交換過程變得更加充分，但是由于新風(fēng)量的減少，會(huì)導(dǎo)致相同時(shí)間內(nèi)總的回收能量的降低。因此，需要選取合適的風(fēng)速，在保證熱質(zhì)交換充分的前提下，處理盡可能多的風(fēng)量。由式（1）可知，在其他因素確定時(shí)，室內(nèi)外焓差越大，熱回收裝置回收的能量越多，回收能效比越高。即使對(duì)于同一個(gè)機(jī)組來說，在不同運(yùn)行工況下，當(dāng)進(jìn)出換熱器的新排風(fēng)熱濕狀態(tài)不同時(shí)，熱回收裝置的回收效率也是不同的。有效換氣率是指進(jìn)入新風(fēng)側(cè)的新風(fēng)與排風(fēng)的風(fēng)量之差與熱回收裝置的名義新風(fēng)量之比，反映了排風(fēng)側(cè)空氣向新風(fēng)側(cè)滲透的程度。若有效換氣率越高，則說明裝置的密封性能越好，那么實(shí)際參與換熱的新風(fēng)量就越高，單位新風(fēng)量的換熱也就越不充分，熱回收效率隨之降低。提高有效換氣率雖然降低了熱回收率，但是其增加了新風(fēng)量。王立峰等人[15]的研究顯示有效換氣率提高對(duì)顯熱回收量的影響并不顯著。在實(shí)際工程中，不應(yīng)盲目追求熱回收效率的提高，還需要兼顧新風(fēng)換氣的作用。

排風(fēng)熱回收技術(shù)的節(jié)能原理是在空調(diào)季節(jié)利用新排風(fēng)的焓差來實(shí)現(xiàn)熱量的回收，但是其本身會(huì)增大新風(fēng)與排風(fēng)系統(tǒng)的壓降，從而增大運(yùn)行能耗。因此在過渡季，如果排風(fēng)繼續(xù)通過熱回收裝置，只會(huì)增大系統(tǒng)運(yùn)行能耗，而沒有能量回收的效果。在準(zhǔn)過渡季，當(dāng)室外新風(fēng)可以承擔(dān)室內(nèi)余熱負(fù)荷時(shí)，如果仍然混合新風(fēng)和排風(fēng)，則會(huì)造成額外的負(fù)荷。此時(shí)通過旁通裝置通入新風(fēng)可以有效避免額外的系統(tǒng)能耗[16]。此外，對(duì)于空調(diào)季而言，并非所有時(shí)段采用排風(fēng)熱回收技術(shù)都是節(jié)能的，這與新排風(fēng)的焓差、溫差有關(guān)。因此對(duì)于新排風(fēng)熱回收裝置，應(yīng)該根據(jù)建筑的負(fù)荷特點(diǎn)和運(yùn)行環(huán)境，制定合理的運(yùn)行策略，方能提高室內(nèi)的舒適以及空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果。

3.2 EAHP 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)適用性

實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)性是人們最關(guān)注的，投資回收期的長(zhǎng)短一定程度上反映了所采用的熱回收方式以及所選用熱回收裝置的技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)性[11]。與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比，有排風(fēng)熱回收裝置的系統(tǒng)多了一個(gè)熱回收裝置，如果僅考慮熱交換裝置的回收周期，則回收期（Pay Back Period, PBP）的計(jì)算公式[14]如式（4）～（6）所示。

式中：Ccap—排風(fēng)熱回收設(shè)備的投資費(fèi)用；

Crec—使用排風(fēng)熱回收設(shè)備之后節(jié)省的費(fèi)用；

Cfan—與原有的空調(diào)系統(tǒng)相比，增加的運(yùn)行費(fèi)用；

k—考慮金融利率與物價(jià)變化的系數(shù)；

?E—系統(tǒng)節(jié)省的能耗；

?E'—加設(shè)熱回收裝置后系統(tǒng)增加的能耗；

Pe—電價(jià)。

如果考慮加設(shè)排風(fēng)熱回收設(shè)備對(duì)空調(diào)系統(tǒng)容量減小的影響，則初投資需要減去由于使用熱回收裝置導(dǎo)致原系統(tǒng)減少的初投資費(fèi)用[11]。

目前大部分排風(fēng)熱回收系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析針對(duì)的是無源空氣-空氣換熱器，包括轉(zhuǎn)輪全熱換熱器[17]、板式全熱換熱器[18]、熱管換熱器[19]。由于 EAHP 式新風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的時(shí)間較晚，只有少數(shù)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。潘祖棟[20]分析了將空調(diào)新風(fēng)機(jī)組和熱泵系統(tǒng)相結(jié)合組成的冷凝排風(fēng)熱回收新風(fēng)一體機(jī)在杭州地區(qū)的性能，計(jì)算得到設(shè)備使用年限內(nèi)的靜態(tài)投資回收期為 3.8 a。李楊[21]利用空調(diào)新風(fēng)機(jī)組與熱泵相結(jié)合組成熱泵回收新風(fēng)機(jī)組，在長(zhǎng)春地區(qū)分析了其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，并計(jì)算得到其回收期為 1.7 a。在計(jì)算排風(fēng)熱回收系統(tǒng)回收的熱量時(shí)，王帥[22]認(rèn)為熱交換器的換熱效率不是固定值，而是受到新排風(fēng)狀態(tài)的影響，因此應(yīng)采用逐時(shí)換熱效率代替設(shè)備標(biāo)定值來計(jì)算熱回收量。王瑾等人[23]認(rèn)為排風(fēng)熱回收的節(jié)能量通常是按照最大節(jié)能量分析，與實(shí)際運(yùn)行狀況不符，縮小了實(shí)際運(yùn)行的回收期。楊濤[14]認(rèn)為熱回收器的使用時(shí)間越長(zhǎng)，由于設(shè)備的積塵、老化等，其熱回收效率也會(huì)發(fā)生變化，需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語

目前國(guó)內(nèi) EAHP 式新風(fēng)機(jī)還處于初步應(yīng)用和推廣階段，本文對(duì)該新風(fēng)機(jī)及其衍生機(jī)組的原理、評(píng)價(jià)指標(biāo)、性能影響因素以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)，以期促進(jìn)業(yè)界對(duì) EAHP 式新風(fēng)機(jī)的認(rèn)識(shí)。通過文獻(xiàn)綜述可以發(fā)現(xiàn)未來需要從以下方面加深對(duì)該技術(shù)的探索：①在不同氣候區(qū)進(jìn)一步檢驗(yàn) EAHP 式新風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果，并進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)和完善；②測(cè)試 EAHP 式新風(fēng)機(jī)在不同新排風(fēng)狀態(tài)下的的熱回收效率變化曲線以及風(fēng)量和風(fēng)速的修正系數(shù)；③優(yōu)化 EAHP 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行模式，提高 EAHP 系統(tǒng)對(duì)各種工況和場(chǎng)景的適應(yīng)性。④提高 EAHP 系統(tǒng)的自動(dòng)控制水平，降低其運(yùn)行成本和投資回收期。⑤優(yōu)化 EAHP 與其他換熱器相結(jié)合的復(fù)合型新風(fēng)熱回收系統(tǒng)的熱回收效率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。