空调型新风换气系统在寒冷地区应用的可行性研究

2015-12-06金洪文毕见胜

长春工程学院学报（自然科学版） 2015年1期

金洪文，高杲，毕见胜

（1.长春工程学院；2.吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心，长春130012；3.鞍钢股份鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁营口115000）

0 引言

随着我国经济的快速发展，建筑行业的装修材料也应运而生出多种合成材料。随着围护结构密闭性的提高和为了达到保温效果尽量减少室外冷风的侵入等措施的采用，造成室内污染物排放或稀释不及时，这种环境中的人们表现出严重的因缺少新风的病态反应，如“呼吸道系统、胸闷、过敏等症状［1］”。这些问题通过自然通风解决不了，就迫使专业技术人员想办法采用强制通风解决此类问题。强制通风通常在公共建筑中使用，随着人们进一步提高了对健康的认识，现在部分高端住宅也安装了户式新风换气机进行强制通风换气。

采用新风换气机保证了室内新风换气，但新风量的大小也直接影响着热损失。在这方面各个国家对新风标准的要求不尽相同，我国对建筑物内新风量的规范要求不如国外制定得早，如英国、日本以及美国规定每人每小时的新风量或每平方米的新风量，见表1。这对正确评价和计算新风能耗提供了帮助。

新风量越大对室内空气品质越有利，但是随之而来的是能量的过高消耗。据资料统计，新风负荷占到房间热负荷总的30%［2］左右。因此新风量的大小对建筑能耗影响很大，我们既要考虑室内空气品质，又要考虑能耗，所以采用具有热回收功能的新风换气机保证新风量是目前普遍采用的办法，但效率普遍不高，仍然有一部分排风废热没有被回收。尽管这部分能量数值不是很大，但全国住宅面积基数较大，因此该部分能量损失汇总数值不可忽略。尤其是在寒冷地区，这种热损失就会更大，本文设计的空调型新风换气系统能够更多地回收新风换气中排风的废热。

表1 各个国家对新风量的标准［2］

1 系统设计

新风换气机原理如图1所示，新风和排风进行间接换热，在此过程中室内排风经过换热后温度有所下降并排出室外，此时排风温度一定高于（冬季）室外温度。这部分排风还存有部分废热没有回收。而热泵空调原理是从低温环境吸收热量转移到高温环境，相对而言经过换气机的排风环境就是低温环境，进入室内的新风是高温环境，这恰好为风冷式热泵空调工作提供便利条件，因为风冷式热泵空调在寒冷地区不适合低温启动且制热效果受环境温度影响，即温度越低制热效果越差，反之越好，热泵空调原理如图2所示。

图1 新风换气机原理

图2 热泵空调工作原理

空调型新风换气系统是结合新风换气机和风冷式热泵空调2种设备的特点，集二者功能于一体的节能型新风换气系统，该系统的原理图如图3所示。图中设备2是低温环境中的蒸发器，吸收排风热交换后的废热，设备3是在高温环境中放热的冷凝器，向新风管路中释放热量。在图中有2处释放热量的位置，虚线框中设备3的位置是在热量释放给热交换后的新风出口，前者是在热交换前的新风入口。哪种位置对吸热和放热效果更好、更有利废热回收需要通过能量分析来确定。

图3 空调型新风换气系统原理图

2 能量分析

空调型新风换气机的能量分析包括新风换气机的能量分析和热泵空调的能量分析，二者的能量分析应分别包括冬季和夏季的，因为实验地点在寒冷地区，冬季更具有地域的代表性，故此以下论述都围绕冬季设备能量分析进行。

2.1 新风换气机能量分析

目前常用的新风换气机能量回收效率一般为60%～80%［3－6］，这就意味着有20%～40%的热量没有被回收。描述新风换气机回收能量的多少可以用显热效率、全热效率、湿热效率等，因为本次研究的地点是长春地区，新风和排风的相对湿度变化不大，吸收排风废热和释放这部分热量都属于定压换热过程，故采用显热效率计算方法，新风换气机选用的是国产品牌，新风和排风量都为2 000m3／h，制热显热交换效率为78%，电机功率为0.41kW。

新风换气机显热回收能量计算公式为：

式中：Qx为新风换气机显热得热量，W；cp为空气定压质量比热容，kJ／kg·K；ρ为空气密度，kg／m3；Lx为新风换气机的交换新风量，m3／h；t1、t2为新风换气机排风侧进风和出风温度，℃。

2014年12月29日连续记录数据如图4所示。室外平均温度为－6℃，经过新风换气机后的平均送风温度为14℃，室内排风平均温度为20.5℃，经新风换气机后平均温度为11.5℃。则显热回收量为：将数值带入公式计算有

排风损失掉的热量为

折合每立方米的风量热损失的量为

图4 监测时间段内新风和排风温度变化情况

2.2 热泵空调能量分析

本次实验应用的热泵型空调是一台分体式房间空调机，额定制热功率770W，标定制热量为2 600W。空调的使用与室外环境有较大关系，一般正常工作环境为－5～40℃。室外机的环境温度越低，空调的制热效率就越低。热泵型空调器的制热输出能力会随外气温下降而衰减，且这一衰减的幅度是相对较大的。部分热泵型空调器当室外机在环境温度为0℃时，其制热能力只相当于外气温7℃标准测试工况的60%左右；当外气温再下降到－5℃时，其制热能力只有标准工况时的45%左右。因此，本次实验时室外机放在排风出口位置，这大大提高了室外机工作环境温度（实测是11.5℃），也提高了制热效果。

空调机制热系数公式为

式中：Q1为热泵高温热源获得热量，W；Q2为热泵在低温热源吸收的热量，W。这里Q2的值是排风损失掉的热量Qs。

本次采用的空气源热泵制热系数为4，吸收热交换过程中排风损失热量3.8kW，在实际工况下该热泵空调能够获得的热量是

热泵空调能够从排风环境中吸收废热3.8kW的热量，经过热泵提升其品质获得5.1kW的热量，这部分热量对于进入室内的新风来说是非常有益的。如果给新风再次加热，提高进入室内的新风温度，就能解决因新风进入室内而多消耗的热量问题。

新风获取热量后，能够使得新风获得温升的计算式为

式中Δt为新风获得的温升，℃。其他符号意义同前。

将数值带入公式计算新风温升为

但是新风从室外到室内管路分为进入新风换气机的进风段和出风段。将这部分热量释放在新风进入新风换气机入口段还是出口段位置，需要通过分析才能得出结果。

3 新风加热位置分析

3.1 加热位置在新风换气机入口段

加热位置如图5（a）所示，启动空调后新风入口段换热器与新风是属于间接接触换热，且在此过程中空气变化属于定压过程，所以空气保持等含湿量线进行再热温度升高，过程变化如图5（b）所示，实验期内室外平均温度为－6℃，入口新风获得5.1kW后温度升高值为：

此时经过新风换气机的新风送风温度为

图5 加热在新风入口段

计算出的温度与没有设置热泵时候的交换后温度差3.5℃，且与室内设计温度相差很大。说明尽管将这部分热量释放给了新风，但是再次经过新风换气机时有热损失，因此这部分热量的供热效果就不明显。这说明新风入口温度对结果影响很大。那么加热新风位置如果放置在新风出口段结果又如何呢？

3.2 加热在新风出口段

加热位置点如图6（a）所示，空气加热过程如图6（b）所示。此时空气相对湿度变低，是因为经过新风换气机一次换热，空气被干燥了，在获得相同热量的条件下，加热的起点是14℃，将这部分热量释放给经过新风换气机后段的新风获得的送风温度为

在等含湿量不变的情况下将温度提升到21.6℃送入室内，比采暖设计温度高3.6℃。这时新风不但不会消耗室内热量，反而会为室内提供一部分热量。这说明将加热位置放在新风出口段比入口段效果好。

图6 加热在新风出口段

4 经济效益分析

分析得出，加热位置在新风出口段效果非常明显，远远高于入口段获得的效果，该温度已经满足室内采暖设计的温度要求。如果不采用热泵技术，送入室内的空气温度为14℃，而通常室内设计温度为18℃，如果没有热泵系统工作，这样的空气送入室内需要消耗室内热量计算公式为

式中：Qxh为新风进入室内需要消耗的热量，W；Lx为新风换气机的交换风量，m3／h；tN为室内采暖设计温度，℃；其他同前。

将数据带入计算这部分耗热量为

如果需要维持室内设计温度，在没有启用热泵空调系统时需要多消耗2.7kW。排风损失的热量为3.8kW，如果将这部分热量直接补充到室内，从量上能满足新风消耗掉的热量，但是3.8kW废热为低品位能源，不通过热泵技术提高不了能源品质，直接应用是不可行的。且采用热泵技术将废热品质提升，能够获得5.1kW热量，这样不但满足室内设计温度要求，保证室内舒适程度，还能节约很多能量，在寒冷地区一个采暖季节每立方米风量能够节约的标煤量为