間接蒸發冷卻技術對熱回收式熱泵性能影響研究*

四川省建筑科學研究院有限公司 張 紅 石峰豪

一次修回：2020- 08- 24

二次修回：2020- 12- 16

0 引言

在全球能源危機的大背景下，如何在保障室內空氣質量的前提下更好地實現節能成為暖通空調領域特別關注的課題。特別是對于具有人員流動性大和密度大等特點的公共建筑，由于其新風需求量特別大，導致新風處理設備在整個空調設備中能耗占比非常高[1]。所以，降低新風能耗對節能減排意義重大。排風熱回收技術由于能夠回收利用室內空氣的能量，對新風進行預冷或預熱，從而減小新風冷熱負荷，逐漸成為解決確保室內空氣質量和減少建筑能耗之間矛盾的有效途徑[2]。

近幾年來，人們在排風熱回收的基礎上開發了排風熱回收式熱泵系統。根據是否采用熱回收裝置，排風熱回收式熱泵主要分為2類：單熱回收式熱泵和雙熱回收式熱泵，如圖1所示。

注：tf1為入口新風溫度；tf2為經熱回收裝置處理后的新風溫度；tf3為經熱泵系統處理后的新風溫度；te1為入口排風溫度；te2為經熱回收裝置處理后的排風溫度；te3為經熱泵系統處理后的排風溫度。圖1 排風回收式熱泵結構示意圖

排風熱回收式熱泵的基本工作原理為回收利用排風中的高品位能量來提升熱泵的性能系數。以冬季為例，單熱回收式熱泵的原理為：熱泵和通風系統集成在一個單元中，室外新風進入熱泵機組的冷凝器中，吸收冷凝器制冷劑的熱量溫度升高后送入室內，與此同時，室內排風進入熱泵機組的蒸發器中，吸收蒸發器中制冷劑的冷量溫度降低后排向室外環境。而對于雙熱回收式熱泵，其工作原理與單熱回收式熱泵的主要區別在于：新風和排風進入熱泵機組之前要通過熱回收裝置換熱[3]。以冬季為例，在較少能量輸入的情況下，熱回收裝置可以有效提升新風溫度，從而降低熱泵機組所承擔的熱負荷，從整體上看，熱泵系統的性能得到了較大的提升，顯示出一定的節能優勢[4]。加之雙熱回收式熱泵具有結構緊湊和空氣調節方便的優點，在美國、加拿大和北歐五國等國家得到了較為廣泛的應用[5]。

國內外學者對單熱回收式熱泵和雙熱回收式熱泵的運行情況進了對比，結果表明，雙熱回收式熱泵的系統性能系數要優于單熱回收式熱泵，但是其熱泵機組的性能系數卻比單熱回收式熱泵小。這是因為雙熱回收式熱泵與單熱回收式熱泵相比，它的排風與新風要先進行一次換熱，從而使得排風中可利用的高品位能量減少，比如在夏季，會出現排風溫度偏高的現象，從而惡化冷凝器的工作環境[6]。研究可知，間接蒸發冷卻熱回收技術在夏季一方面可以有效降低新風溫度，另一方面還可以保證排風溫度不至于過高[7]，所以本文將其與雙熱回收式熱泵技術結合，提出一種新型的間接蒸發冷卻排風熱回收式熱泵系統，并通過實驗研究間接蒸發冷卻技術對熱回收式熱泵夏季制冷性能的影響。

1 熱回收式熱泵的研發

1.1 基本構造

間接蒸發冷卻熱回收式熱泵系統的基本構造如圖2所示，該系統主要由間接蒸發冷卻熱回收裝置和熱泵機組構成。其中，間接蒸發冷卻熱回收裝置主要由熱回收裝置和噴淋系統組成，熱泵機組主要由熱泵主機和風機等附屬設備組成。

1.排風入口；2.新風入口；3.排水口；4.排風側板式換熱器；5.壓縮機；6.排風側風機；7.排風出口；8.新風側出口；9.新風側風機；10.新風側板式換熱器；11.節流閥；12.四通換向閥；13.熱回收裝置；14.噴頭；15.水泵；16.水閥。圖2 間接蒸發冷卻熱回收式熱泵系統結構示意圖

1.2 夏季運行模式

該機組夏季運行模式主要有2種：模式A(噴淋裝置開啟，間接蒸發冷卻換熱器和空氣源熱泵聯合運行)和模式B(噴淋裝置關閉，顯熱式熱回收裝置與傳統空氣源熱泵聯合運行)。

1.3 熱回收式熱泵的評價指標

為了更加準確、全面地描述熱回收式熱泵的運行特性，采用以下參數來描述其主要性能，具體可參考圖1b。

1.3.1制冷量

熱泵系統的制冷量Qt是以熱回收式熱泵整個系統的新風進出口焓差來計算的，其中還包括了從排風中回收的部分能量，具體計算式如下：

Qt=mf|hf3-hf1|

(1)

式中mf為新風質量流量，kg/s；hf3為經過熱泵系統后的新風比焓，kJ/kg；hf1為入口新風的比焓，kJ/kg。

1.3.2熱回收冷量

熱回收冷量QI是熱回收裝置的重要指標，對于本文的熱回收裝置而言，其熱回收冷量等于新風從排風中實際回收的能量，即

QI=mf|hf2-hf1|

(2)

式中hf2為經過熱回收裝置后的新風比焓，kJ/kg。

1.3.3熱泵機組的性能系數

熱泵機組的性能系數COPp作為衡量熱泵機組性能的重要指標，其定義為新風通過熱泵機組獲得的冷量與熱泵機組壓縮機功率的比值，即

(3)

式中Qp為熱泵機組制冷量，kW；Pc為壓縮機功率，kW。

1.3.4熱回收式熱泵系統的性能系數

熱回收式熱泵系統的性能系數COPs等于新風通過整個系統得到的冷量與系統總功率之比，系統總功率主要包括壓縮機功率和風機功率，熱回收式熱泵系統的性能系數定義式如下：

(4)

式中Pt為系統總功率，kW；Pf為風機功率，kW。

2 熱回收式熱泵的實驗測試

2.1 實驗平臺

實驗平臺原理如圖3所示，主要包含2個獨立的人工氣候室，分別用于模擬室外和室內環境。每個人工氣候室各配備了一套溫濕度獨立控制設備，由表冷器、電加熱器、蒸汽加濕器和風機構成，處理好的空氣通過孔板送風的形式送入人工氣候室內調控室內的溫濕度，為了避免氣流短路，新風和排風出口的空氣均直接排向室外。

1.風機；2.蒸汽加濕器；3.電加熱器；4.表冷器；5.送風孔板；6.噴淋水箱；7.噴淋水泵；8.噴淋水閥門；9.熱回收式熱泵；10.孔板流量計。圖3 實驗平臺原理圖

為了測試熱回收式熱泵的性能，實驗需要測試的參數包括新風進出口溫濕度、排風進出口溫濕度、新風和排風風量、風機功耗、壓縮機功耗、熱泵機組的冷凝和蒸發壓力、噴淋水溫度與流量等，測試儀器及其主要參數如表1所示。

表1 測試儀器及其主要參數

由于新風和排風在該機組內部存在多個空氣處理過程，因此需要在其內部相關的位置安裝多個溫濕度傳感器，以便監測空氣處理過程的中間狀態，從而可以更加全面地研究該熱回收式熱泵的性能。測點布置位置主要包括：設備的新風和排風入口、熱回收裝置的新風和排風出口及設備的新風和排風出口，共6個位置，如圖4所示。

1.設備排風入口；2.設備新風入口；3.熱回收裝置排風出口；4.熱回收裝置新風出口；5.設備排風出口；6.設備新風出口。圖4 測點布置圖

在實驗過程中，除了熱泵系統的冷凝、蒸發壓力以外，其余參數均由計算機自動記錄，實驗中所采用DHT22溫濕度一體化傳感器和功率采集模塊的讀數分別通過單總線和電壓模擬信號傳送到Arduino采集板中，由采集板對采樣數據進行解析，并通過通用串口總線(USB)上傳至上位機。

2.2 夏季標準工況測試結果分析

在標準工況下，新風和排風的入口溫度分別為35、27 ℃，相對濕度均為50%，風量均為300 m3/h。

圖5給出了熱回收式熱泵在夏季標準工況2種運行模式下新風、排風的處理過程。在模式A下，由于噴淋裝置開啟，熱回收裝置起間接蒸發冷卻熱回收的作用，與模式B的顯熱回收裝置相比，新風出風溫度(測點4)更低。與此同時，由于間接蒸發冷卻的排風處于濕通道，相較于模式B，模式A排風溫度也更低，從而有利于排風對熱泵機組冷凝器的冷卻。總體而言，在夏季標準工況下，模式A的間接蒸發冷卻熱回收裝置比模式B具有更佳的性能。

注：排風經冷凝器處理后溫度較高，超出了現有焓濕圖范圍，僅給出溫濕度參數。圖5 夏季標準工況下熱回收式熱泵新風和排風處理過程

熱回收式熱泵在夏季標準工況2種運行模式下的詳細運行參數如表2所示。由表2可以看出，模式A的蒸發壓力和冷凝壓力均比模式B的低。但是，模式A的蒸發壓力降低的幅度相較于冷凝壓力的降低幅度要小，因此模式A的熱泵機組的壓縮比比模式B的小，從而導致模式A的壓縮機功率相對也小。一般情況下，雙熱回收式熱泵與單熱回收式熱泵相比，由于增加了熱回收裝置，導致其熱泵機組冷凝器的入口空氣溫度更高，而蒸發器的入口空氣溫度更低，進而惡化了熱泵的工作環境，降低了熱泵機組的性能。但是，間接蒸發冷卻的引入，使得雙熱回收式熱泵的熱泵機組冷凝器入口處的排風溫度降低，從而有利于排風對熱泵機組冷凝器的冷卻。通過表2可以看出，熱泵機組的性能系數由1.98提升到2.57，能效提升達29.80%。

表2 夏季標準工況熱回收式熱泵在模式A和模式B下的主要運行參數

另外，根據表2可知，模式A熱回收裝置的熱回收冷量達到了1.43 kW，是模式B熱回收冷量的3.11倍。因此，從整個熱回收式熱泵系統而言，模式A系統的性能系數比模式B系統的性能系數有了非常大的提升，系統能效提升達66.36%。

2.3 夏季變工況測試結果分析

一般情況下，在室內空調的控制下，夏季室內空氣參數即排風入口的溫濕度通常較為恒定。實驗測試中，在確保人工氣候室2環境參數不變，即排風入口參數(溫度為27 ℃、相對濕度為50%)不變的情況下，通過改變人工氣候室1的環境參數，調節新風入口參數，使其溫度在20～40 ℃、相對濕度在30%～95%之間變化。

由于實驗所得測試數據較多，并且新風的進口溫度和相對濕度都在變化，因此實驗結果分析中選取新風入口濕球溫度作為自變量，研究其對于機組制冷量和性能系數的影響。

1) 制冷量。

熱回收式熱泵在2種不同運行模式下的制冷量如圖6a所示。由圖6a可以看出：2種模式的新風入口濕球溫度和制冷量呈現出接近線性的關系，變化趨勢較為相似；模式A的制冷量比模式B的要大，兩者之間制冷量的差距隨著新風入口濕球溫度的升高而增大，這是由于間接蒸發冷卻一方面提升了熱回收裝置對排風冷量的吸收，另一方面優化了熱泵的工作環境，降低了雙熱回收式熱泵多次利用排風的不利影響，進而提高了熱泵的制冷效果。

圖6 不同新風入口濕球溫度下模式A和模式B的制冷效果變化

2) 性能系數。

性能系數是衡量設備運行性能最重要的指標之一。由圖6b可以看出：2種模式的系統性能系數隨新風入口濕球溫度的變化趨勢與制冷量的變化趨勢相似，整體上呈現出接近線性的關系，并且隨著入口新風濕球溫度的升高，系統性能系數增大；模式A和模式B的系統性能系數的差距隨著新風入口濕球溫度的升高而增大。根據統計，模式A平均系統性能系數相較于模式B提升了56%，從而表明間接蒸發冷卻技術的應用對雙熱回收式熱泵夏季制冷的能效提升具有一定的作用。

3 結論

由于雙熱回收式熱泵相較于單熱回收式熱泵多利用了一次排風，從而使得排風中可利用的高品位能量減少，致使雙熱回收式熱泵的熱泵機組性能系數要小于單熱回收式熱泵。研究表明，間接蒸發冷卻技術可以降低夏季制冷時雙熱回收式熱泵多次利用排風所帶來的不利影響，具體結論如下：

1) 通過間接蒸發冷卻技術的應用，在標準工況下，熱泵機組的性能系數由1.98提升到2.57，能效提升達29.80%，系統的性能系數由2.17提升到3.61，能效提升達66.36%。

2) 在變工況下，2種模式的制冷量和系統性能系數都隨著新風入口濕球溫度的升高而增大，其差距也隨著新風入口濕球溫度的升高而不斷擴大。

3) 根據計算，在變工況下，間接蒸發冷卻技術的引進使雙熱回收式熱泵的平均系統性能系數提升了56%，從而表明間接蒸發冷卻技術的應用對雙熱回收熱泵的能效提升具有一定的作用。