熱泵熱回收新風機組和熱管熱泵低溫熱能回收機組的節能比較

李 楊

（吉林建筑工程學院,長春 130021）

熱泵熱回收新風機組和熱管熱泵低溫熱能回收機組的節能比較

李 楊

（吉林建筑工程學院,長春 130021）

在我國嚴寒地區，空調機組在冬季工況運行時經常發生凍損現象，以至于不能保證室內空氣品質。為解決上述問題，提出了利用空調新風機組分別與熱泵和熱管相結合的方式，即熱泵熱回收新風機組和熱管熱泵低溫熱能回收機組。通過實驗研究對2種結合方式的節能性、回收年限進行了分析比較。

嚴寒地區；空氣源熱泵；熱管熱泵；節能比較

我國的建筑能耗已占全國總能耗的30%以上[1]。在建筑能耗中，暖通空調能耗約占85%，能源利用水平和利用率與發達國家還有一定差距。為了提高能源利用水平和利用率，必須采取相應的節能措施[2]。熱泵熱回收新風機組和熱管熱泵低溫熱能回收機組利用熱能回收裝置，有效回收排風的熱量，預熱新風，降低機組負荷，提高系統的經濟性和節能性。

1 實驗系統組成

為方便敘述，將熱泵熱回收新風機組簡稱為實驗一，將熱管熱泵低溫熱能回收機組簡稱為實驗二。選取朝向相同、均帶有北向鋼窗的、面積和層高基本相同的2個房間作為實驗房間。實驗一設備由空調室內機、空調室外機、新風通道、排風通道、閥門、靜壓箱、數據采集儀、計算機等組成。實驗二是在實驗一的基礎上加裝熱管換熱器。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

實驗一的原理是機組在冬季工況下，利用熱泵機組的冷凝器預熱引入室內的新風，從而可避免嚴寒地區室外冷空氣對傳統新風機組中水加熱盤管的凍損；利用熱泵新風機組的蒸發器回收建筑排風熱量，實現熱回收作用，同時可以提高熱泵機組在嚴寒地區冬季工況的性能。

實驗二的原理是在實驗一原理的基礎上，首先采用熱管的冷凝段對新風進行預熱，之后通過冷凝器再對預熱過的新風進行二次加熱。熱管由中間的加熱段和兩端的冷卻段組成。在冬季工況運行時，空調的冷凝器停止工作，排風側成為加熱段，另外兩段為冷卻段，新風流經換熱器時被預熱。

2.2 實驗結構圖

實驗一和實驗二的結構圖如圖1和圖2所示。實驗二即在排風管和新風管之間加裝了熱管○12。

2.3 實驗方法

2.3.1 實驗理論根據

實驗一機組的實際制熱量為

式中：Q1為空氣源熱泵的制熱量，kW；M0為新風量，kg/s；cp為空氣的定壓比熱，kJ/(kg·℃)；t0為冬季空調室外空氣計算溫度，℃；ts為送風溫度，℃。

實驗二機組的實際制熱量為

圖1 實驗一結構圖

①壓縮機；②翅片管蒸發器；③翅片管冷凝器；④節流裝置；⑤四通換向閥；⑥液體分離器；⑦排風機；⑧新風機；⑨、⑩電動保溫風閥；○11聯動自控調節風閥；○12熱管

圖2 實驗二結構圖

式中：Q2為熱管熱泵新風機組實際制熱量，kW；tH為混風后的溫度，℃。

實驗二熱泵實際的制熱量為

式中：Q3為熱泵實際的制熱量，kW；tw″為新風經過熱泵加熱后溫度，℃；tw′為新風出熱管的溫度，℃。

實驗二熱管的實際制熱量為

式中：Q4為熱管的實際制熱量，kW；tw為冬季室外新風的溫度，℃。

新風通過實驗二機組吸收的總的熱量為

2.3.2 測試期間系統的運行結果與分析

實驗一和實驗二均在我國東北嚴寒地區最冷月進行實驗實測，利用實驗分析法對20天的測試期間以及測試期間最冷日的數據進行分析。圖3為實驗一測試期間溫度變化折線圖。

圖3 實驗一測試期間溫度變化折線圖

當室外溫度在-18.05～-29.10℃之間變化，平均氣溫為-22.97℃時，從圖3中可以看出，系統運行期間送風溫度在2.86～15.67℃之間變化，平均溫度為10.87℃。排風溫度在-17.52～-8.14℃之間變化，平均排風溫度為-13.65℃。圖4為實驗二測試期間溫度變化折線圖。

圖4 實驗二測試期間溫度變化折線圖

當室外溫度在-18.05～-29.10℃之間變化，平均氣溫為-22.97℃時，從圖4中可以看出，系統運行期間送風溫度在3.72～16.53℃之間變化，平均溫度為11.73℃。排風溫度在-18.39～-9.01℃之間變化，平均排風溫度為-14.52℃。

2.3.3 最冷日系統的運行結果與分析

選取測試期間最冷日作為典型性實驗，分析在最冷日條件下，溫度變化和系統運行狀況。圖5為實驗一測試期間最冷日溫度變化折線圖。

圖5 實驗一最冷日溫度變化折線圖

從圖5可以看出，新風溫度在-24.1～-33.9℃之間變化，平均溫度為-29.7℃。送風溫度變化范圍為1.97～12.07℃之間變化，運行期間日平均送風溫度為6.15℃。在最冷時刻（4：00），送風溫度保持在1.97℃。圖6為實驗二測試期間最冷日溫度變化折線圖。

圖6 實驗二最冷日溫度變化折線圖

從圖6可以看出，新風溫度在-24.1～-33.9℃之間變化，平均溫度為-29.7℃。送風溫度變化范圍為2.1～12.2℃之間變化，運行期間日平均送風溫度為6.2℃。在最冷時刻（4：00），送風溫度保持在2.1 ℃。

2個實驗在測試期間和最冷日均滿足新風預熱溫度需求，有效的解決嚴寒地區冬季新風機組凍損問題，延長嚴寒地區新風機組運行時間。排風溫度被降低，證明系統有效地回收了排風的熱量，真正起到了節能減排的目的。

3 節能分析比較

3.1 制熱量、能效比（COP）值和熱回收效率的比較

根據實驗數據，整理繪制出2個實驗系統在實驗測試期間的制熱量、COP值和熱回收效率的折線圖，如圖7所示。

圖7 制熱量、COP值和熱回收效率折線圖

從圖7中可以看出，實驗一的系統制熱量在3.27～3.9 kW之間變化，平均值是3.63 kW；系統的COP在2.75～3.28之間變化，平均值為3.05；熱回收效率在0.72～0.87之間變化，平均值是0.79。實驗二的系統制熱量在3.79～3.99 kW之間變化，平均值是3.79 kW；系統的COP在3.16～3.33之間變化，平均值為3.24；熱回收效率在0.72～0.91之間變化，平均值是0.81。

3.2 最冷日制熱量、COP值和熱回收效率的比較

根據實驗數據，整理繪制出2個實驗系統在實驗測試期間最冷日的制熱量、COP值和熱回收效率的折線圖，如圖8所示。

圖8 最冷日制熱量、COP值和熱回收效率折線圖

從圖8中可以看出，在最冷日里，實驗一的系統制熱量在3.15～3.78 kW之間變化，平均值是3.54 kW；系統的COP在2.63～3.15之間變化，平均值為2.95；熱回收效率在0.67～0.82之間變化，平均值是0.73。實驗二的系統制熱量在3.70～3.90 kW之間變化，平均值是3.76 kW；系統的COP在3.08～3.25之間變化，平均值為3.17；熱回收效率在0.70～0.89之間變化，平均值是0.76。

從圖7和圖8對比可以看出，由于實驗二的新風經過熱管的冷凝段預熱之后，又通過熱泵的冷凝器對引入室內的新風進行二次加熱，因此，實驗二在整個測試期間和最冷日的系統制熱量、COP值和熱回收效率均高于實驗一。

3.3 兩組實驗的投資回收年限比較

對熱泵、熱管進行經濟效益評價時，常選用投資回收年限法[3]，利用公式（6）計算

式中：β為投資回收期，年；CF為熱泵、熱管熱回收新風機組的單位初投資，元/kW；CB為傳統供熱方式單位供熱量價格，元/kWh；CH為熱泵、熱管熱回收新風機組單位供熱量價格，元/kWh；h為熱泵、熱管熱回收新風機組年運行小時，h。

實驗一無需另加動力設備，節省運行費用，初投資較小，投資回收期僅需1.7年。實驗二的初投資為5 280元，由式（6）算出

在回收年限的比較上，由于實驗二在新風管道和排風管道之間加裝了熱管裝置和保溫措施，使得初投資高于實驗一，回收年限自然也長于實驗一。

4 結論

兩組實驗的不同結合方式都避免了新風與建筑排風交叉污染的現象，保證了嚴寒地區冬季建筑室內空氣品質，與單純的熱泵機組運行相比運行效率大大提高。在整個測試期間2個實驗系統均運行穩定，指標正常。

通過對實驗一和實驗二的系統制熱量、COP值和熱回收效率的比較，2個實驗均在不同程度上回收排風的熱量，提高了新風溫度?？梢钥闯鰧嶒灦臒峄厥招Ч糜趯嶒炓?。通過對投資回收年限比較，由于實驗二的初投資高于實驗一，因此系統的回收年限長。如果是初投資較大的工程，在對回收效果要求不是太高的情況下，實驗一的系統形式也是不錯的選擇。

：

[1]李兆堅，江億.我國房間空調器材料資源消耗狀況分析[J].暖通空調，2007(3)：12-15.

[2]鄭鋼.熱回收節能在空調系統中的應用[J].能源技術,2005，(6)：17-20.

[3]梁珍,沈恒根,郭建.火電廠冷凝熱回收利用的技術經濟分析[J].東華大學學報：自然科學版，2009(5)：91-95.

Energy?saving comparison between the low?temperature heat recovery units of heat pipe&heat pump and the recovery fresh air heat pump units

LI Yang
（Jilin Architectural and Civil Engineering Institute，Changchun 130021，China）

The fresh air units are often harmed by frostbite,running in the winter of the cold and severe cold regions in our country;it brings on the decline of indoor air quality.In order to solve the above problems,the paper advanced the method of the fresh air handling units in combination with the heat pump units and the low?temperature heat recovery units of heat pipe&heat pump.It compared the energy?saving and recovery period of the two method through experimental research.

cold regions;the air?source heat pump;heat pipe heat pump;energy saving comparison

F407.61;TK018

C?

1009-1831（2012）06-0019-04

2012-06-25

李楊(1983)，女，吉林長春人，在讀博士，從事建筑環境控制系統節能研究。