新型混风热泵热回收新风机性能分析

2018-04-16卢玥明常萌萌孙钊邵亮亮张春路

制冷技术 2018年6期

卢玥明，常萌萌，孙钊，邵亮亮，张春路

（同济大学机械与能源工程学院制冷与低温工程研究所，上海 201804）

0 引言

随着人民生活水平日渐提高，对空气品质的要求也越来越高，因此现代许多建筑开始引入新风空调系统，来改进室内空气品质。据统计，新风负荷已经占空调总负荷的30%以上，供暖季节更是高达60%，其中新风湿负荷占建筑总湿负荷的68%[1-3]。直接蒸发制冷或热泵制热系统运行时，排风不经过任何处理便直接排到了室外，浪费了大量的冷热量。将建筑排出的冷（热）量转移到需要冷（热）量的地方，可以减少能源的浪费[4-7]。如果能充分利用排风中的冷（热）量来处理新风，将会有效降低处理新风的能耗[8-10]。所以《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）[11]提出应该在空调系统中采用排风热回收技术。

排风热回收技术常用的装置主要有平板式、热管式、板翅式、溶液吸收式、液体循环式、转轮式等形式[6,12-13]。其中平板式、热管式、液体循环式只能回收显热部分。在全热回收装置中，转轮式换热器可以适应不同的室外气温，但是存在空气的交叉污染。板翅式换热器与板式显热换热器相似，都是通过水蒸汽的分压力差进行传热和传质交换，热回收效率会低于转轮式热交换器[14]。

热泵式排风全热回收是一种新型的有源热回收技术，它使用有限的电能，通过制冷剂热泵循环来回收排风的冷量和热量。热泵换热器初投资略高，但能回收大量能量，热效率高且无需担心交叉污染，尤其是在冬季低温工况下，性能优势更为突出。李景丽等[15]介绍了冷凝排风热回收技术的系统原理、系统的控制方法和系统的运行注意事项，指出排风热回收机组具有良好的发展前景。VINCENZO 等[16]发现热泵式排风热回收新风机组承担了较大比例的空调负荷，且平均季节能效系数高，经济性好。

但热泵式排风热回收新风机组也存在着一些缺陷。夏季，冷凝散热量全部由室内排风承担，由于室内需要保持正压，排风风量会小于送风风量，造成排风风量偏小。排风风量偏小会导致该机组的冷凝温度较高，送风温度偏高，效率较低。魏季宁等[17]通过在排风道与新风道之间增加可调节风量的旁通风道，来解决夏季冷凝温度过高导致热泵性能降低的问题。曹祥等[18]发现引入室外新风增大冷凝风量，可提高机组夏季能效。然而这些研究都是直接将新风与室内排风混合后通过冷凝器，虽然通过增大风量的方式降低了冷凝温度，但是这无疑浪费了回风所携带的高品质冷量。

本文提出了一种混风冷凝加回风过冷的新系统。在不改变排风盘管内容积的前提下，将过冷部分独立出来，使得室内较低温度的回风先经过过冷盘管，充分利用其冷量后，再与新风混合经过排风盘管。仿真分析表明，新系统解决了冷凝温度过高的问题，提高了系统的性能系数（Coefficient of Performance，COP），同时回风过冷使得过冷度更大，单位制冷量提高，能够有效降低送风温度，达到等焓送风甚至等含湿量送风，可完全消除新风热湿负荷。

1 机组原理

1.1 普通热泵热回收机组

普通热泵热回收新风机的工作原理如图1所示。制冷工况下，送风盘管作为蒸发器，吸收新风中的热量，将低温空气送入室内，而排风盘管作为冷凝器，回收室内回风的冷量。制热工况下，送风盘管作为冷凝器，加热低温新风，将高温空气送入室内，而排风盘管作为蒸发器，回收室内回风的热量和湿量。

图1 普通热泵热回收机组原理示意图

1.2 基于混风冷凝的热泵热回收机组

基于混风冷凝的热泵热回收新风机的工作原理如图2所示。制冷工况下，送风侧，送风盘管作为蒸发器，吸收新风中的热量，将低温空气送入室内。排风侧，新风风道开启，吸入的新风和室内回风混合后，共同经过作为冷凝器的排风盘管，带走冷凝热。制热工况下新风通道关闭，工作原理与普通热泵热回收机组相同。

图2 基于混风冷凝的热泵热回收机组原理示意图

1.3 基于混风冷凝加回风过冷的热泵热回收机组

基于混风冷凝加回风过冷的热泵热回收新风机的工作原理如图3所示。制冷工况下风口开启，送风侧，吸入的新风一部分通过作为蒸发器的送风盘管降温除湿送入室内，另一部新风从风口进入排风通道。排风侧，室内回风先经过过冷盘管，然后与从风口进入的新风混合，共同经过作为冷凝器的排风盘管，带走冷凝热。制热工况下风口关闭，工作原理与普通热泵热回收机组相同。

图3 基于混风冷凝加回风过冷的机组原理示意图

2 机组性能仿真分析

2.1 仿真模型

根据运行原理示意图，在制冷空调系统通用仿真平台GREATLAB 中建立基于混风冷凝加回风过冷的热泵式排风热回收新风机组模型[19-20]。机组送风风量200 m3/h，送排风盘管采用翅片管换热器，节流元件为电子膨胀阀，制冷工质R410A。仿真使用的结构参数和数学模型如表1所示。

表1 仿真模型信息

2.2 结果分析

本文在标准制冷工况下（室外35 ℃/28 ℃，室内27 ℃/19 ℃）比较了3 种不同热泵热回收新风机组的性能，结果如表2所示。表中Ⅰ型指普通热泵热回收新风机组，Ⅱ型指基于混风冷凝的热泵热回收新风机，Ⅲ型为基于混风冷凝加回风过冷的热泵热回收新风机组。表2所示分6 种情况：第1～3 种是在相同的送风温度下、3 种新风机组的性能对比，第4～5 种是在等焓送风的情况下、两种新风机组的性能对比，第6 种是在达到等含湿量送风时、基于混风冷凝加回风过冷的热泵热回收新风机组的具体性能。在冬季，因为风口均关闭，所以3种热泵热回收新风机性能相同，表3给出了其在2 种制热工况下机组的性能数据。

从表2可以看出，在相同的送风温度下，普通热泵热回收机组的COP只有2.69，带混风冷凝的热泵热回收机组COP有3.45。这是因为加入新风后，冷凝风量增大，所以冷凝温度降低，能效提高。对比只混风冷凝的机组，混风冷凝加回风过冷的机组COP为3.68，比只混风冷凝的机组高6.7%，这是由于回风过冷使得系统过冷度更大，单位制冷量提高，所以压缩机转速降低，功耗降低，COP升高。

同时可以看出，送风温度为22 ℃时，普通的热泵热回收机组冷凝温度已经接近60 ℃，难以通过压缩机的升频使得送风温度进一步降低。采用混风冷凝后，冷凝风量增大，冷凝温度降低，所以此机组可以通过压缩机的升频来降低送风温度，达到等焓送风。但是送风温度若想要进一步再降低、达到等含湿量送风时，压缩机已经超过了允许的运行范围。

然而对于混风冷凝加回风过冷的机组，不仅可以达到等焓送风，而且由于系统单位制冷量的提高，使得压缩机在不超过其允许的运行范围内达到等含湿量送风，完全消除新风热湿负荷。

表2 制冷工况下3 种机组性能对比

从表3可以看出，制热工况下机组的能效非常高，制热性能强劲。制热工况Ⅰ时，压缩机以其下限频率运行，送风温度仍有26.5 ℃，机组的COP为5.53。制热工况Ⅱ时，在不给室内增加额外热负荷的情况下，即送风温度为20 ℃时，COP仍然高达5.25。此时，蒸发器表面温度高于0 ℃，蒸发器可以保持不结霜状态。这是因为，热泵热回收机组的蒸发器是从室内高温排风中吸收热量，故蒸发温度远高于从室外空气吸收热量的普通空气源热泵，蒸发器不易结霜。但是在室外温度进一步降低时，就要通过压缩机降频或者其他手段来防止结霜。