新型混風熱泵熱回收新風機性能分析

盧玥明，常萌萌，孫釗，邵亮亮，張春路

（同濟大學機械與能源工程學院制冷與低溫工程研究所，上海 201804）

0 引言

隨著人民生活水平日漸提高，對空氣品質的要求也越來越高，因此現代許多建筑開始引入新風空調系統，來改進室內空氣品質。據統計，新風負荷已經占空調總負荷的30%以上，供暖季節更是高達60%，其中新風濕負荷占建筑總濕負荷的68%[1-3]。直接蒸發制冷或熱泵制熱系統運行時，排風不經過任何處理便直接排到了室外，浪費了大量的冷熱量。將建筑排出的冷（熱）量轉移到需要冷（熱）量的地方，可以減少能源的浪費[4-7]。如果能充分利用排風中的冷（熱）量來處理新風，將會有效降低處理新風的能耗[8-10]。所以《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2015）[11]提出應該在空調系統中采用排風熱回收技術。

排風熱回收技術常用的裝置主要有平板式、熱管式、板翅式、溶液吸收式、液體循環式、轉輪式等形式[6,12-13]。其中平板式、熱管式、液體循環式只能回收顯熱部分。在全熱回收裝置中，轉輪式換熱器可以適應不同的室外氣溫，但是存在空氣的交叉污染。板翅式換熱器與板式顯熱換熱器相似，都是通過水蒸汽的分壓力差進行傳熱和傳質交換，熱回收效率會低于轉輪式熱交換器[14]。

熱泵式排風全熱回收是一種新型的有源熱回收技術，它使用有限的電能，通過制冷劑熱泵循環來回收排風的冷量和熱量。熱泵換熱器初投資略高，但能回收大量能量，熱效率高且無需擔心交叉污染，尤其是在冬季低溫工況下，性能優勢更為突出。李景麗等[15]介紹了冷凝排風熱回收技術的系統原理、系統的控制方法和系統的運行注意事項，指出排風熱回收機組具有良好的發展前景。VINCENZO 等[16]發現熱泵式排風熱回收新風機組承擔了較大比例的空調負荷，且平均季節能效系數高，經濟性好。

但熱泵式排風熱回收新風機組也存在著一些缺陷。夏季，冷凝散熱量全部由室內排風承擔，由于室內需要保持正壓，排風風量會小于送風風量，造成排風風量偏小。排風風量偏小會導致該機組的冷凝溫度較高，送風溫度偏高，效率較低。魏季寧等[17]通過在排風道與新風道之間增加可調節風量的旁通風道，來解決夏季冷凝溫度過高導致熱泵性能降低的問題。曹祥等[18]發現引入室外新風增大冷凝風量，可提高機組夏季能效。然而這些研究都是直接將新風與室內排風混合后通過冷凝器，雖然通過增大風量的方式降低了冷凝溫度，但是這無疑浪費了回風所攜帶的高品質冷量。

本文提出了一種混風冷凝加回風過冷的新系統。在不改變排風盤管內容積的前提下，將過冷部分獨立出來，使得室內較低溫度的回風先經過過冷盤管，充分利用其冷量后，再與新風混合經過排風盤管。仿真分析表明，新系統解決了冷凝溫度過高的問題，提高了系統的性能系數（Coefficient of Performance，COP），同時回風過冷使得過冷度更大，單位制冷量提高，能夠有效降低送風溫度，達到等焓送風甚至等含濕量送風，可完全消除新風熱濕負荷。

1 機組原理

1.1 普通熱泵熱回收機組

普通熱泵熱回收新風機的工作原理如圖1所示。制冷工況下，送風盤管作為蒸發器，吸收新風中的熱量，將低溫空氣送入室內，而排風盤管作為冷凝器，回收室內回風的冷量。制熱工況下，送風盤管作為冷凝器，加熱低溫新風，將高溫空氣送入室內，而排風盤管作為蒸發器，回收室內回風的熱量和濕量。

圖1 普通熱泵熱回收機組原理示意圖

1.2 基于混風冷凝的熱泵熱回收機組

基于混風冷凝的熱泵熱回收新風機的工作原理如圖2所示。制冷工況下，送風側，送風盤管作為蒸發器，吸收新風中的熱量，將低溫空氣送入室內。排風側，新風風道開啟，吸入的新風和室內回風混合后，共同經過作為冷凝器的排風盤管，帶走冷凝熱。制熱工況下新風通道關閉，工作原理與普通熱泵熱回收機組相同。

圖2 基于混風冷凝的熱泵熱回收機組原理示意圖

1.3 基于混風冷凝加回風過冷的熱泵熱回收機組

基于混風冷凝加回風過冷的熱泵熱回收新風機的工作原理如圖3所示。制冷工況下風口開啟，送風側，吸入的新風一部分通過作為蒸發器的送風盤管降溫除濕送入室內，另一部新風從風口進入排風通道。排風側，室內回風先經過過冷盤管，然后與從風口進入的新風混合，共同經過作為冷凝器的排風盤管，帶走冷凝熱。制熱工況下風口關閉，工作原理與普通熱泵熱回收機組相同。

圖3 基于混風冷凝加回風過冷的機組原理示意圖

2 機組性能仿真分析

2.1 仿真模型

根據運行原理示意圖，在制冷空調系統通用仿真平臺GREATLAB 中建立基于混風冷凝加回風過冷的熱泵式排風熱回收新風機組模型[19-20]。機組送風風量200 m3/h，送排風盤管采用翅片管換熱器，節流元件為電子膨脹閥，制冷工質R410A。仿真使用的結構參數和數學模型如表1所示。

表1 仿真模型信息

2.2 結果分析

本文在標準制冷工況下（室外35 ℃/28 ℃，室內27 ℃/19 ℃）比較了3 種不同熱泵熱回收新風機組的性能，結果如表2所示。表中Ⅰ型指普通熱泵熱回收新風機組，Ⅱ型指基于混風冷凝的熱泵熱回收新風機，Ⅲ型為基于混風冷凝加回風過冷的熱泵熱回收新風機組。表2所示分6 種情況：第1～3 種是在相同的送風溫度下、3 種新風機組的性能對比，第4～5 種是在等焓送風的情況下、兩種新風機組的性能對比，第6 種是在達到等含濕量送風時、基于混風冷凝加回風過冷的熱泵熱回收新風機組的具體性能。在冬季，因為風口均關閉，所以3種熱泵熱回收新風機性能相同，表3給出了其在2 種制熱工況下機組的性能數據。

從表2可以看出，在相同的送風溫度下，普通熱泵熱回收機組的COP只有2.69，帶混風冷凝的熱泵熱回收機組COP有3.45。這是因為加入新風后，冷凝風量增大，所以冷凝溫度降低，能效提高。對比只混風冷凝的機組，混風冷凝加回風過冷的機組COP為3.68，比只混風冷凝的機組高6.7%，這是由于回風過冷使得系統過冷度更大，單位制冷量提高，所以壓縮機轉速降低，功耗降低，COP升高。

同時可以看出，送風溫度為22 ℃時，普通的熱泵熱回收機組冷凝溫度已經接近60 ℃，難以通過壓縮機的升頻使得送風溫度進一步降低。采用混風冷凝后，冷凝風量增大，冷凝溫度降低，所以此機組可以通過壓縮機的升頻來降低送風溫度，達到等焓送風。但是送風溫度若想要進一步再降低、達到等含濕量送風時，壓縮機已經超過了允許的運行范圍。

然而對于混風冷凝加回風過冷的機組，不僅可以達到等焓送風，而且由于系統單位制冷量的提高，使得壓縮機在不超過其允許的運行范圍內達到等含濕量送風，完全消除新風熱濕負荷。

表2 制冷工況下3 種機組性能對比

從表3可以看出，制熱工況下機組的能效非常高，制熱性能強勁。制熱工況Ⅰ時，壓縮機以其下限頻率運行，送風溫度仍有26.5 ℃，機組的COP為5.53。制熱工況Ⅱ時，在不給室內增加額外熱負荷的情況下，即送風溫度為20 ℃時，COP仍然高達5.25。此時，蒸發器表面溫度高于0 ℃，蒸發器可以保持不結霜狀態。這是因為，熱泵熱回收機組的蒸發器是從室內高溫排風中吸收熱量，故蒸發溫度遠高于從室外空氣吸收熱量的普通空氣源熱泵，蒸發器不易結霜。但是在室外溫度進一步降低時，就要通過壓縮機降頻或者其他手段來防止結霜。

表3 制熱工況下機組性能

3 結論

本文通過仿真分析，對3 種不同機組在標準制冷工況下的性能進行了分析，得出以下結論。

1）同一送風溫度下，3 種機組相比，采用基于混風冷凝加回風過冷的熱泵熱回收新風機組COP最高。

2）基于混風冷凝加回風過冷的熱泵熱回收新風機組可以達到等焓送風以及等含濕量送風，完全消除新風熱濕負荷。