熱回收裝置對(duì)多功能熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

趙匯 劉雄

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

由于傳統(tǒng)意義上的空調(diào)無(wú)法滿足人們對(duì)空調(diào)在舒適性和節(jié)能性上愈來(lái)愈高的要求，故提出了溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)（THIC）。隨著系統(tǒng)研究的不斷深入，研究者們提出了不用形式的空氣處理方法和顯熱端處理方法[1]。濕度控制子系統(tǒng)形式多樣，其中利用新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)全部濕負(fù)荷是濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)原理介紹

本文提出一種新型多功能熱泵系統(tǒng)[2]，系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷，部分顯熱負(fù)荷以及全年生活熱水負(fù)荷，在春夏秋季利用新風(fēng)控制室內(nèi)濕球溫度,其中新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)全部濕負(fù)荷和部分顯熱負(fù)荷[4]，其系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 新風(fēng)除濕熱水多功能熱泵系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)主要利用一臺(tái)變頻壓縮機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，系統(tǒng)的新風(fēng)處理模塊主要承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷，新風(fēng)濕負(fù)荷，新風(fēng)冷/熱負(fù)荷以及部分室內(nèi)顯熱負(fù)荷，通過(guò)對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行除濕，使新風(fēng)承擔(dān)新風(fēng)濕負(fù)荷及室內(nèi)濕負(fù)荷，控制新風(fēng)的送風(fēng)溫度，可使新風(fēng)承擔(dān)部分室內(nèi)顯熱負(fù)荷。對(duì)于生活熱水加熱所需的熱量，由新風(fēng)冷卻除濕過(guò)程中產(chǎn)生的冷凝熱以及室外換熱器提供。

2 熱交換裝置節(jié)能量

近些年來(lái)住宅內(nèi)通新風(fēng)越來(lái)越普遍，多數(shù)新風(fēng)系統(tǒng)會(huì)采用增加排風(fēng)熱回收裝置減少系統(tǒng)用能，目前常用的熱回收裝置為全熱交換器和顯熱交換器。

2.1 建筑模型以及參數(shù)選取

針對(duì)多功能熱泵系統(tǒng)特點(diǎn)，本文選取杭州、廣州、上海、長(zhǎng)沙四個(gè)城市進(jìn)行探討，選取住宅建筑作為研究對(duì)象，討論該系統(tǒng)在四個(gè)城市中的節(jié)能量。

選取建筑為別墅型住宅建筑，圖 2 為該建筑其中一層平面圖，從圖中可以看出，該層房間設(shè)置為兩個(gè)臥室，一個(gè)客廳，一個(gè)餐廳和兩個(gè)衛(wèi)生間。

圖2 住宅建筑平面圖

根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]選定夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)為26 ℃，相對(duì)濕度為55%。冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)為18 ℃，設(shè)計(jì)相對(duì)濕度為30%～60%。

根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，新風(fēng)的選取原則是保持正壓，新風(fēng)比以及最小新風(fēng)量，根據(jù)《住宅新風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]可知，對(duì)于住宅建筑的新風(fēng)量計(jì)算如下：

式中：G為新風(fēng)量，kg/h；n為新風(fēng)換氣次數(shù)，次 /h；V為住宅體積，m3；S為住宅面積，m2；h為住宅高度，m 。

2.2 排風(fēng)熱回收裝置節(jié)能量計(jì)算

顯熱交換器其回收新風(fēng)熱量的計(jì)算公式[5]為 ：

式中：twj表示室外進(jìn)風(fēng)溫度，℃ ；t nj表示室內(nèi)排風(fēng)溫度，℃ ；ηs表示熱交換器顯熱交換效率。

對(duì)于全熱交換器其回收新風(fēng)熱量的計(jì)算公式為：

式中：hw表示室外新風(fēng)焓值，kJ/kg；hi表示室內(nèi)排風(fēng)焓值，k J/kg；ηh表示熱交換器全熱交換效率。

根據(jù)《空氣-空氣能量回收裝置GB/T21087-2007》[6]，熱交換器效率選取值如表2。

表2 熱交換器效率選取表

根據(jù)式（2）、（3），計(jì)算排風(fēng)熱回收裝置回收的能量，根據(jù)日常生活起居習(xí)慣，本文選取兩種運(yùn)行模式進(jìn)行探討，第一種為全天運(yùn)行模式，第二種為工作模式，即夜間10 點(diǎn)至晨間6 點(diǎn)開(kāi)啟，結(jié)果如表3 所示。

表3 各城市熱回收裝置節(jié)能量

圖4 各城市夏季節(jié)能量和節(jié)能效率比

圖5 各城市冬季節(jié)能量和節(jié)能效率比

圖6 過(guò)渡季節(jié)需加熱城市時(shí)全熱交換器節(jié)能量

圖7 過(guò)渡季節(jié)需冷卻時(shí)全熱交換器節(jié)能量

從表 3 可看出，杭州和廣州夏季使用顯熱交換器回收的能量為負(fù)值，顯然使用顯熱交換器不節(jié)能。因此對(duì)于多功能熱泵系統(tǒng)，熱回收裝置選擇全熱回收裝置節(jié)能效果更好，將使用全熱交換器時(shí)的節(jié)能量和節(jié)能比例繪制成圖，如圖 4、5、6、7 所示。

從圖中可以看出，在夏季使用全熱交換器在上海和長(zhǎng)沙分別能夠節(jié)約 45.51%和 45.35%的能量，高于杭州和廣州，在冬季的節(jié)能率與杭州相差不多，分別為64.97%和63.78%，夏季的節(jié)能效率低于冬季。且冬季無(wú)論是模式1 還是模式 2，節(jié)能量最多的都是上海，因此上海適合使用全熱交換器進(jìn)行熱回收。對(duì)比圖6、7 中的節(jié)能率可發(fā)現(xiàn)，冷卻工況下節(jié)能率最高的是長(zhǎng)沙，節(jié)能率高達(dá)83.89%。加熱時(shí)節(jié)能率最高的是上海，節(jié)能率超過(guò)100%，表明在上海過(guò)渡季節(jié)室外溫度較低時(shí)可僅開(kāi)啟熱回收裝置就可滿足對(duì)新風(fēng)處理要求。

同時(shí)從模式 1 模式 2 的節(jié)能量和節(jié)能率對(duì)比來(lái)看，模式2 下運(yùn)行時(shí)間短，負(fù)荷較小，機(jī)組提供能量少，但是使用熱回收裝置的節(jié)能率相差不大，其主要原因是在計(jì)算過(guò)程中熱回收效率為定值，實(shí)際使用過(guò)程中該值不斷變化，吳煒華[7]研究了風(fēng)量，溫度差，濕度差對(duì)換熱效率的影響，并擬合出了經(jīng)驗(yàn)公式，表明溫度差和濕度差與效率呈正相關(guān)的關(guān)系，風(fēng)量則與其負(fù)相關(guān)。因此在溫度差和濕度差大的地方使用熱回收裝置節(jié)能效果更好。

3 熱交換裝置對(duì)壓縮機(jī)耗功的影響

多功能熱泵系統(tǒng)增加全熱回收裝置后處理新風(fēng)消耗冷量減少的同時(shí)冷凝熱隨之減少，此時(shí)系統(tǒng)壓縮機(jī)的做功變化未可知，因此本節(jié)主要探究使用全熱交換器對(duì)多功能熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)做功的影響。

夏季可節(jié)約的壓縮機(jī)耗功量為：

式中：Qsc表示使用全熱交換裝置節(jié)約的能量，k J；COPas表示夏季系統(tǒng)運(yùn)行平均COP。

冬季可節(jié)約的壓縮機(jī)耗功量為：

式中：Qsh表示使用全熱交換裝置節(jié)約的能量，kJ。

過(guò)渡季節(jié)系統(tǒng)需要對(duì)新風(fēng)進(jìn)行加熱或冷卻，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)新風(fēng)冷卻工況時(shí)使用全熱交換器依然能夠滿足生活熱水的需求時(shí)，節(jié)能量的計(jì)算與式（4）相同，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量不足以提供冷凝熱時(shí)，熱交換器達(dá)不到節(jié)能的作用，在系統(tǒng)為新風(fēng)加熱工況下，使用全熱交換裝置節(jié)約的能量可按照式（5）計(jì)算。得到各個(gè)城市各個(gè)季節(jié)耗功量的值如表4。

由表4 可得，夏季全熱交換器通過(guò)回收冷量減少壓縮機(jī)做功，冬季則回收熱量減少壓縮機(jī)做功，過(guò)渡季節(jié)既回收冷量也回收熱量，且冷量回收值較大，在壓縮機(jī)總能耗中占比大。上海和長(zhǎng)沙由模式1 轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ?，節(jié)能率有所下降，因此對(duì)于長(zhǎng)沙和上海過(guò)渡季節(jié)使用全熱交換器節(jié)能。對(duì)于杭州和廣州，使用全熱交換器是否節(jié)能與運(yùn)行模式有關(guān)，模式1 下節(jié)能，模式 2 下不節(jié)能。

表4 系統(tǒng)壓縮機(jī)耗功量對(duì)比表

由圖8 可得，長(zhǎng)沙冬季的節(jié)能率最低。在模式 2下運(yùn)行時(shí)，杭州和廣州的過(guò)渡季節(jié)使用全熱交換器并不節(jié)能，甚至?xí)黾訅嚎s機(jī)耗功量，因此在杭州和廣州使用全熱回收裝置時(shí)需要注意機(jī)組運(yùn)行時(shí)間段。且從圖上可以看出長(zhǎng)沙冬季的節(jié)能率最低，模式 1 下為5.46%，模式2 下僅為1.69%。

圖8 各城市耗功節(jié)能率對(duì)比圖

從圖9 可以看出，廣州夏季制冷壓縮機(jī)耗功最多，冬季制熱壓縮機(jī)耗功最少，但是模式 1 下運(yùn)行比模式2 下運(yùn)行耗功少，主要原因是日間室外溫度高，壓縮機(jī)COP 值較高。且從圖中可以發(fā)現(xiàn)，杭州，上海和長(zhǎng)沙冬夏季耗功量相差不大，過(guò)渡季節(jié)模式 2 下杭州耗功最多，模式 1 下上海耗功最多，主要耗功在于新風(fēng)的除濕冷卻過(guò)程。

圖9 各城市耗功量對(duì)比圖

4 總結(jié)

本文通過(guò)分析常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合日常生活需求創(chuàng)新性的提出了多功能熱泵系統(tǒng)，并研究熱交換器對(duì)系統(tǒng)的影響，得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)上述分析可發(fā)現(xiàn)，溫濕度差越大，使用熱回收裝置的節(jié)能效果越好，對(duì)于多功能熱泵系統(tǒng)來(lái)講，選擇全熱交換裝置更加合適。

2）杭州和廣州過(guò)渡季節(jié)使用全熱交換器模式1 下可節(jié)能，模式2 下不節(jié)能，因此廣州和杭州使用全熱交換裝置時(shí)和運(yùn)行時(shí)間關(guān)系很大，白天運(yùn)行節(jié)能，夜間運(yùn)行并不節(jié)能，而上海和長(zhǎng)沙由模式1 轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ?2，節(jié)能率有所下降但是依然節(jié)能，因此對(duì)于長(zhǎng)沙和上海過(guò)渡季節(jié)使用全熱交換器是節(jié)能的，日間運(yùn)行的節(jié)能率稍高，對(duì)于杭州和廣州，使用全熱交換器是否節(jié)能與運(yùn)行模式有關(guān)，模式1 下節(jié)能，模式2 下不節(jié)能。

本文通過(guò)分析熱交換器對(duì)多功能熱泵系統(tǒng)的影響，表明使用全熱交換器比顯熱交換器更適用于多功能熱泵系統(tǒng)，且節(jié)能效果與運(yùn)行模式和季節(jié)等都有關(guān)系，但是本文只是簡(jiǎn)要分析了影響，并沒(méi)有對(duì)這些因素量化提出系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中各影響因素的影響分子，是下一步研究的方向。