空氣源熱泵熱回收新風凈化機

【摘要】建筑通風是十分重要的，尤其是在霧霾天氣，本文比較了兩種熱回收新風凈化機，認為空氣源熱泵熱回收空氣凈化機有諸多優勢。

【關鍵詞】空氣源熱泵；熱回收；新風凈化機

1.建筑通風的作用及重要性

建筑通風一般是指以室外新風置換室內被污染的空氣，在公共建筑尤其是人員密集的建筑，如教室、會議室等，污染物主要是人體生理活動引起的二氧化碳、不良氣味、粉塵及室內裝修污染，人體二氧化碳的排放約15L/h人，由此形成了對室外新風的需求量，以所需新風量置換室內排風就可以同時去除不良氣味及粉塵，使二氧化碳日平均值達到1000PPm限值《GB/T18883-2002室內環境質量標準》。

但是，北方冬季霧霾天氣時有發生，新風直接進入室內為不可行，必須加以凈化，當前實踐證明用物理的過濾方法并在一定時間加以清洗或更換，使pm2.5等降低至35mg/m3，最高至75mg/m3，再送入室內是可行的，《CJJ/T309-2013建筑通風效果測試與評價標準》；此外，黨的十九大提出要滿足人民生活日益增長的美好需要，還必須重視建筑內的熱舒適度，把溫度過低的新風直接引入室內或夏季溫濕度過高的新風直接引入室內，也是不可取的。總之，在有人員活動尤其是人員密集的建筑內，供給適量的經過凈化的有適當溫濕度的新風對保證人體健康有重要意義，在當今社會應該引起足夠的重視，也是目前一般空氣調節不能實現的。

2.新風量與新風負荷

對于居住建筑，一般規定每小時最低換氣次數為0.5次，即換氣量為與使用面積相應的建筑內體積的一半。對于以北京為代表的北方寒冷地區，冬季最冷天形成的新風熱負荷占一般建筑采暖熱負荷的20%，占節能建筑的40%左右，而在人員密集的公共建筑如會議室等，規范（GB50736-2012）規定每人所需最小新風量為22～24m3/h·人[1]，對于中小學教室，由于學生有課間活動，新風量可以減少至15～20m3/h人，當霧霾天門窗緊閉時，該新風量是必須的。假設小學教室的建筑內使用面積為60m2，內部坐有40人聽課，則平均新風換氣量為600～800m3/h，按采暖室溫為20℃，假設早晨上課時室外溫度為-2℃，如新風出風溫度定為20℃，則新風負荷為4400～5860W，折合每平米建筑面積82～110W/m2；又假設該教室屬于中等節能建筑，單位面積基本采暖設計熱負荷為60W，則新風換氣熱負荷與基本采暖負荷之比高達1.3～1.8：1，新風耗熱量占總采暖負荷的57～64%，由此可見，為保證新風換氣量，供暖能耗增量是比較大的，如果不采取措施，就大大增加了設備的初投資和運行費。值得注意的是，新風負荷不是時刻都存在的，在公共建筑中沒有人無需送新風，所以，它應該與建筑的基本負荷區別對待、單獨處理，特別是在間歇使用的建筑中沒有人員在時，時常以較低的值班負荷運行，這時就更不應該帶有新風負荷。此外，根據作者的經驗，在大型多功能公共建筑中不易設置集中的送新風系統，否則，不僅新風被沿途風道污染，而且不是按需要的房間供給，從而造成浪費。所以，研究、發展節能、高效的局部的小型新風裝置是經濟合理的。

3.新風凈化系統的技術發展

3.1 室內空氣凈化裝置

由前述，一般居住建筑所需新風量及新風負荷都不大，尤其是建筑面積大居住人少的民用房屋，靠衛生間和廚房的機械排風和開窗或滲透的自然通風就可以滿足要求，有的還加用新風進化器。如圖1所示。

所以這類建筑加裝全面的機械通風系統尚不多。

3.2 熱交換器式的熱回收空氣凈化裝置

這類裝置中安裝有空氣凈化過濾網，由于室外空氣較多的低于或高于室溫，為了節約能量，引進室外空氣時利用內排出空氣所具有的剩余熱量或冷量與其進行交換，統稱為熱回收技術，其裝置稱為熱回收裝置。空氣凈化熱交換器式的熱回收裝置分為顯熱和全熱回收兩大類，即通過顯熱或全熱交換器回收排風中的顯熱（冷）或全熱（熱、冷、濕），改善新風送風的溫、濕度條件的裝置，當排風中含有害氣體的時候，這類裝置要注意有氣流滲漏，當新風露點低于室溫時，要防止這類裝置中產生凝露。又由于全熱交換器價格昂貴，以及北方寒冷地區冬季室內的濕度普遍不高，因此，冬季濕交換的作用不大，所以，當前熱回收裝置多為板式或板翅式顯熱交換器。如圖2所示，其系統及原理見圖3。

根據國標“空氣-空氣能量回收裝置”（GB/21087-2007）[2]中對無結露的裝置規定了如下的冬季試驗工況：

即制熱工況下的新風干球溫度5℃，濕球溫度2℃，排風干球溫度22℃，濕球17℃。

該效率的含義是：新風經過熱交換器后其溫度接近排風溫度的程度，合格值的上限為60%，（實際中排風量應當約為送風量的90%，所以效率比上式值低些）目前不少企業經過改進達到70%。

根據上述規定由上式計算出制熱工況的新風出口干球溫度為tx2= tx1+（tp1-tx1）×70%，以北京為代表的北方寒冷地區為例，早晨上八點課時外干球溫度為2℃，室內溫度為18℃，則根據上式，新風送風溫度為2℃+（18-2）℃×70%=13.2℃，該溫度遠低于規范GB5736-2012規定的熱舒適度要求。據社會有代表性的調查，某教室送入較低溫的新風時，“送風10分鐘室內溫度下降3.5℃，”[4]，因此，使用這種裝置還需要在建筑的供暖設備中增加部分新風負荷，如基本采暖負荷50%的供熱量。

3.3 熱泵式熱回收新風凈化裝置

熱泵是一種很好的節能裝置，第一它可以把低品位熱能提升為可用的高品位熱，第二它可以以輸入少量高品位電能獲取比它高幾倍的熱能，例如，在以北京地區為代表的寒冷地區全冬季供暖平均能效比可達到2.5～3左右，夏季能效比可達3.7以上[5]。遺憾的是，目前普通的分體式空調熱泵還普遍不能處理新風。而本文所指的熱泵是采用創新的技術，將送入室內的新風達到室內空調的溫濕度，其技術難度在于冬季要把室外溫度低的新風一次性處理為合格的送風溫度，夏季可將室外的熱濕風一次性處理為室內空調的溫度和濕度，例如冬季從0℃加熱到20℃，提升20度，而一般空調只能將室內的循環風加熱5～10℃，夏季送風溫濕度可以達到24℃、60%左右。因為上述的裝置利用了室內排風的余熱、冷，如冬季利用室內20～22℃的排風，供給熱泵的吸熱端，以提高放熱端的溫升和熱量；夏季利用排風中的冷量，如30℃左右，去冷卻熱泵高溫端，增大放熱量，使熱泵高壓下降，以實現低溫端將室外新風降溫降濕的目的，這種技術稱為熱泵熱回收新風處理裝置，其中再加裝三級過濾器構成新風凈化裝置，以消音風道送入室內。該產品通過了清華大學建筑環境監測中心“空氣凈化器除細顆粒顆性能評估”檢測報告見圖4，產品外觀見圖5。

圖6給出了該裝置的原理，由于室內需要維持正壓以阻擋室外有污染物的空氣從門窗縫隙滲入室內，本裝置控制排風量為送風量的90%。

這種處理過程不是簡單的熱交換式熱回收，而是將回收熱、冷用在逆卡諾循環中完成的，因此它可以用少量的電能提高其處理空氣的品位，因而，不需要在建筑的采暖空調裝置中再增加新風或部分新風負荷，形成獨立承擔負荷的新風裝置，這是簡單的熱交換卻不能做到的，它的用電量是只出現在使用時。

4.技術經濟分析

4.1系統設備安裝與售后維修等

熱交換式熱回收新風凈化裝置，無論是安裝在天花板上還是作為柜式機組落地安裝，不但占用了建筑室內空間，而且裝在天花板位置施工復雜、維修困難、也難免有噪聲；而空氣源熱泵熱回收新風凈化機組，所有部件都在室外機內，僅有送風道和分布式出風口、回風口，與室內裝飾配合，因而，清洗、更換過濾器、維修電器件都在室外完成，安裝、維修便捷。

4.2兩種產品送風溫濕度及能耗的對比

如前述，熱交換式熱回收新風機組的機理可知，送入室內新風的熱舒適度永遠低于室內環境的熱舒適狀態，即冬季溫濕度較多的低于室內，如果說如前述送新風時人們用穿羽絨服來抵擋的話，夏季雖然至今沒有見到測試數據，但送出比室內溫濕度還要高的新風對室內造成了怎樣的影響？可想而知，有人說冬季送新風可以加電補熱（夏季則不可），那么我們對比一下兩種新風機組耗電的情況。

我們用數據來說話，2017年至2018年冬季空氣源熱泵熱回收新風機組分別在北京清華附小昌平校區教室和天津寶坻某中學教室進行了實測，機組風量皆為556m3/h，在2017年至2018冬季最冷四天的早晨實測數據如下：

北京地區，外溫-5℃，室溫15.4℃，新風送風15.3℃，新風與送風溫差20.3℃，排風進口16.8℃，排風出口-5.4℃，機組總耗電量1106w，cop3.4；

天津寶坻，外溫-4.5℃，室溫13℃，新風送風20.3℃，新風與送風溫差20.8℃，排風進口15℃，排風出口-4.6℃，機組總耗電量1410.5w，cop3.25。

從比較發現，北京地區機組充氟量不足，高低壓偏低，是安裝時造成的，今后要注意改進。

以下以同樣的室溫和外溫數據，與熱交換式熱回收裝置的效果進行對比：

如天津地區外溫-4.5℃，室溫13℃，相同風量556m3/h，假設熱交換效率70%，新風送風溫度等于-4.5+

（13+4.5）×0.7%+=16.15-4.5=11.65℃，

以這個溫度吹風是人體難以接受的。清華大學李兆基樓某實驗室內工作人員用這樣的話語形容這一感受“以送新風大家立即穿上棉外衣”，該溫度比天津熱泵熱回收機組送風溫度低9.12℃，如果用電加熱在熱交換式熱回收送風口加熱到與天津寶坻機組同等的送風溫度，則所需要電加熱的功率是556m3/h×9.12℃×1.3kg/m3/3.6/0.9=2034.5w。對于兩種送風機組使用的交換器送排風機電功率應當差不多，則在送風溫度相同的情況下，熱交換式熱回收機組就比天津寶坻的壓縮機耗電多2034.5w-1323w=711.5w，即711.5/1323=53%，何況二者相比還有其它因素。

夏季工況對比，以北京地區為例，熱交換式熱回收裝置，向空調房間送新風，設室內溫度26～28℃，相對濕度60～55%，絕對濕量是12.7g/kg，室外空調設計干球溫度33.4℃，濕球26.4℃，相對濕度58.44%，絕對濕量19g/kg，設熱交換式熱回收是顯熱交換，效率為70%，則送風溫度是33.4+ （26-33.4）℃×0.7=28.22℃，而濕度是基本不變的，也就是說新風向室內加濕是19g-12.7g=6.3g/kg，因此，對于一般民用建筑，如教室等，熱交換式新風熱回收裝置未見對于夏季工況的報導。

對于熱泵熱回收新風凈化裝置，2017年7月，進行過初步試驗，室外干球溫度33.2～34.3℃，相對濕度56～63%，送風溫度23～26℃，相對濕度80%（直膨式），高壓21～22kg/cm2，低壓4.4kg/cm2，壓縮機功率1994w，

送排風機187.5w，新風送風焓差等于86kj/kg-64kj/kg=22kj/kg，新風送風冷量是556m3/h×1.157kg/m3×22kj/kg=14152kj/h=3931w，機組總耗電是1994+187.5=2181w，cop=1.8，新風送風絕對含濕量15.5g/kg，新風降濕量20.2-15.5=4.7g/kg，新風總降濕量556m3/h×1.157kg/m3×4.7g/kg=3023g/h。

5.結論

空氣源熱泵熱回收新風凈化裝置，是一種全新的供新風裝置。它是能做空調用的新風裝置，它是將進入熱交換器中進行熱交換的排風中的能量作為熱泵的低溫（冬季）、高溫熱源（夏季），從而實現在冬季將新風溫度提高20多度送入室內，并節電近55%左右；對于北方寒冷地區在不開窗通風的霧霾天氣下，由于人體健康的需求使用是十分必要的，尤其是對于教室、會議室、辦公室一類的人員密集型建筑，在這類建筑中，新風負荷比建筑基本負荷要大得多，冬季占到70%左右，且不是全天候需要新風，使用這種裝置可以負擔自身的負荷，從而減少了建筑供暖負荷的初投資和運行費。此外，這種裝置是裝在室外的，不占用室內空間，室內只有送、排風管道，因而大大簡化了工程量，也減少了噪音，便于維護和管理。由于這類建筑主要是白天使用，所以，本文在統計以北京為代表的寒冷地區白天室外溫度分區延時的基礎上，進行了節能性分析，表明在冬季冷天使用時達到舒適性的送風溫度有很好的節能效果。

參考文獻

[1] 中國建筑科學研究院主編. 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范（GB50736-2012）. 中國建筑工業出版社，2012.

[2] 中國建筑科學研究院主編. 空氣-空氣能量回收裝置（GB/21087-2007）. 中國標準出版社，2007.

[3] 陸耀慶主編. 暖通空調設計指南. 中國建筑工業出版社，1996.

[4]取自2016年九華山莊會議的有關調查報告

[5] 李元哲. 空氣源熱泵散熱器采暖在北方寒冷地區的應用. 供熱制冷，2016.4.

[6] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系. 中國建筑熱環境分析專用氣象數據集. 中國建筑工業出版社，2005.

（作者單位：1. 清華大學；2. 天津五洲同創空調制冷設備有限公司）

【中圖分類號】TU834.41

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2018）08-0046-04