熱回收熱泵型新風換氣技術的研究進展與分析

胡國霞（華東建筑設計研究院有限公司， 上海 200011）

增加建筑圍護結構的氣密性有利于降低建筑能耗，但同時削弱了建筑自然通風的能力，使得室內空氣質量惡化。通過機械裝置引入新風對于稀釋室內污染物，改善空氣品質，減少病態建筑綜合癥具有重要作用，因而日益受到人們的青睞。然而新風的引入與處理卻需要消耗大量的能量，甚至超過高氣密性建筑空調總能耗的 50%[1]。實踐中人們發現空調房間的排風往往具有區別于室外新風的溫濕度狀態，直接將空調房間的熱量通過排風排到室外環境中既造成城市熱污染，又浪費了能量。因此，利用排風中的余熱來處理新風受到人們的重視，此舉不僅有利于減少處理新風所需的能量，還有利于降低新風機組的負荷以及系統初投資[2]。

根據排風的回收方式，排風熱回收技術可以分為 2 類[3]：①無源換熱法，只需要借助空氣-空氣能量回收裝置就可以回收排風中的能量，典型裝置包括板式熱交換器、板翅式熱交換器、轉輪式熱交換器、熱管式熱交換器?？諝?空氣能量回收裝置運行的條件是新風和排風之間存在溫差或者焓差，溫差或焓差越大，熱回收的效率越高。②有源熱回收法，需借助少量的電能或者機械能，利用熱力循環原理回收排風中的能量。近年來受到學者較多關注的熱泵式排風熱回收技術就是其中的一種。該技術將新風機和熱泵系統相結合，利用排風作為熱泵機組冷凝風與制冷劑進行熱交換，具有以下優點[4]：①排風只與熱泵的冷凝器換熱，不與新風接觸，杜絕了新風與排風的交叉污染，清潔衛生；②熱泵冷凝器布置在排風管道中，使用排風作為冷凝器的熱源，可以提高機組的能源利用效率，降低了極端工況下熱泵機組結冰的風險；③機組結構緊湊，無需復雜的冷媒管道鋪設，安裝簡單。針對這一新興的排風熱回收技術，本文將對其展開綜述。

1 熱泵排風熱回收裝置的原理及其發展

熱泵排風熱回收（Exhaust Air Heat Pump,EAHP）式新風系統的基本原理如圖 1 所示。夏季空調房間排風吹過風道中的冷凝器，回收風中的冷量。冬季熱泵的四通換向閥改變制冷劑流動方向，使得排風吹過風道中的蒸發器，回收排風中的熱量。冉春雨[5]采用焓差法測試了寒冷地區利用排風以及排風混合室外新風兩種運行工況下 EAHP 系統的性能。測試表明第二種工況下機組的制熱量和全年效率值 COP 均大于第一種工況下的制熱量和 COP，熱泵 COP 達到 3.7，焓差熱回收效率則達到了 51.4%，顯著改善了新風機的性能。

圖1 EAHP 式新風系統的示意圖[6]

在圖 1 所示系統的基礎上，石峰豪[6]研究了雙級EAHP系統的性能，并與圖 1 所示的單級 EAHP 以及常規無熱回收的空氣源熱泵系統進行了性能比較。雙級 EAHP 系統指在新風與排風進入熱泵換熱器之前就通過空氣-空氣換熱裝置進行一次熱交換，如圖 2 所示?；谀M的研究結果顯示雙級 EAHP 系統的性能系數隨著前置熱回收裝置效率的升高而升高，在熱回收效率等于 0.6 的情況下，整個系統的性能系數等于 5.262，相較于單級 EAHP 系統和常規空氣源熱泵的性能系數，分別提升了 31.29% 和 83.22%。嚴衛東[7]提出在新風和排風進入熱泵換熱器之前利用轉輪全熱回收器對新風與排風進行一次換熱。夏季工況下的測試結果顯示，與轉輪單獨運行模式相比，上述聯合運行模式下的熱回收能量和設備能耗之比要高，而且受室內排風溫濕度影響較小，具有較好的節能效益。類似地，李無言[1]提出在熱泵之前利用間接蒸發冷卻技術提前處理新風和排風，實驗結果顯示，在夏季標準工況下，新系統制冷 COP 達到 5.12，相比傳統單級 EAHP 系統實現節能 70% 以上；冬季也能保持較高的能效水平，但是在極寒天氣條件下系統難以獨立滿足室內供暖需求。

圖2 雙級 EAHP 式新風系統的示意圖

金洪文[8]進一步對寒冷地區啟動熱泵和不啟動熱泵，以及熱泵和全熱交換器不同位置組合情況下系統的性能進行了實驗測試，如圖 3 所示。研究結果表明在沒有啟動熱泵系統時，使用全熱交換器的房間新風出口溫度低于房間溫度 6.7 ℃；啟動熱泵后，在全熱交換器前段位置采用熱泵加熱新風的綜合效率提高 8%，新風出口溫度低于房間溫度 2 ℃，新風負荷比沒有啟動熱泵時明顯減小；在全熱交換器后端位置用熱泵加熱新風的綜合效率提升18%，新風出口溫度高于室內溫度 6.5 ℃。因此，作者認為在全熱交換器后端利用熱泵吸收排風的余熱加熱新風非常適合在寒冷地區進行推廣應用。張子楊等人[9]提出了排風熱回收新風系統。該系統在制冷工況下包含一個蒸發器和三個冷凝器，蒸發器將室外新風冷卻處理到近似飽和狀態，兩個冷凝器用于向室外和排風中散熱，另外一個冷凝器用于新風的再熱。制熱模式下，通過閥門的轉換，該系統從室外以及排風中吸收熱量用于加熱新風。模擬結果顯示該系統在有效回收排風熱量的同時，能同時避免冬季室外換熱器的結霜。夏季室外溫度 35 ℃ 時，系統制冷 COP 達到 3.3；冬季室外溫度為 7 ℃ 時，系統制熱 COP 達到 4.8。

圖3 全換熱器和熱泵不同組合模式的示意圖

王雷等人[10]為了提高冬季室內外溫差較大條件下 EAHP 系統的性能，提出了一種三回路熱泵系統。該系統包括蒸發壓力呈階梯分布的三個獨立熱泵循環。在實驗條件下，當室外空氣溫度低于 2.5 ℃ 時，該系統的 COP 相比傳統單回路更高。例如當室外空氣溫度為 －20 ℃ 時，該系統 COP 高達 9.33，比傳統單回路高 23.1%。而當室外空氣溫度高于 2.5 ℃ 時，兩者 COP 的差異不明顯。

上述研究顯示 EAHP 式新風系統相對傳統新風系統具有顯著的優勢，配合傳統新風換熱器能夠最大程度地實現排風余熱的回收。通過對熱泵系統結構的優化，提高了 EAHP 系統在不同氣候條件下的適應性。

2 EAHP 式新風系統的評價指標

對于單級 EAHP 式新風系統的性能評價指標主要為熱泵系統的性能系數 COPsin。雙級乃至更加復雜排風熱回收系統的性能評價指標主要包括熱交換器的熱回收效率 ，熱泵系統的性能系數 COPsin以及整個 EAHP 系統的性能系數 COPsys。根據 ASHRAE 標準，熱交換器的熱回收效率包括顯熱交換效率、潛熱交換效率和全熱交換效率[11]。如圖 4 所示的定義可以由式（1）表示。

圖4 換熱器示意圖

式中：x1—室外新風的狀態參數；

x2—新風經過換熱后的狀態參數；

x3—室內排風狀態參數；

ms—送風的氣流量，kg/s；

mmin—送風和排風中較小的氣流量，kg/s；

ε—顯熱換熱效率時，x表示氣流的干球溫度，℃。（ε為潛熱換熱效率時，x表示氣流的含濕量，g/kg；ε為全熱換熱效率時，x表示氣流的焓，kJ/kg。）

熱泵系統和 EAHP 式新風系統的性能系數 COP 如式（2）和（3）所示, 熱泵系統的 COP 為新風通過熱泵吸收的熱量與熱泵系統耗功之比。EAHP 系統的 COP 為新風通過整個 EAHP 系統得到的熱量與系統耗功之比。系統功耗主要包括壓縮機耗功和風機耗功。

式中：mf—新風質量流量，kg/s;

?hhp—通過熱泵換熱器前后的新風焓差；

?hsys—通過EAHP系統前后的新風焓差，℃；

Pcom、Pfan—分別表示壓縮機和風機的功耗，W。

除上述指標之外，段飛等人[12]提出節能潛力指數 的概念，其定義為：在室外氣象參數滿足排風熱回收的使用條件下，單位時間內排風熱回收裝置的能量收益與采用空調器消耗相同的功耗所產生的制冷量或者制熱量的差值（即排風熱回收的相對可節能量）,再除以排風熱回收裝置實際的運行功耗的累計平均值。其物理意義在于評價系統的節能潛力。張濤等人[13]提出冬季 EAHP 系統的熱回收效率為：空氣源熱泵冬季排風熱回收制熱運行時的制熱量與常規空氣源熱泵在對應的室外空氣溫度下制熱運行的制熱量之差除以冬季制熱工況下排風與新風的比焓差。該指標反映了排風作為熱泵蒸發器熱源相對室外空氣作為蒸發器熱源時的相對優勢。李無言[1]提出用排風出口?與室外新風?的相對大小來評價排風回收的程度。如果排風出口?值高于新風?值，則說明排風中仍然有剩余部分能量有待回收。如果低于新風?值，則說明排風空氣處于被過度熱回收的狀態。

3 EAHP 系統性能的影響因素和經濟性分析

3.1 EAHP 系統的影響因素

影響 EAHP 系統熱回收性能的因素主要有兩個方面[14]：①裝置中所用設備的物理特性，比如風機性能、換熱器換熱效率等；②裝置兩側新排風的進風參數。下文主要論述常見的迎面風速、新排風熱濕狀態、有效換氣率、運行策略等方面對 EAHP 系統的影響。

隨著迎面風速的變大，單位體積的新風和排風在熱交換器內停留的時間變短，兩者之間的傳熱和傳質就會不充分。而當風速減小時，新風和排風的熱質交換過程變得更加充分，但是由于新風量的減少，會導致相同時間內總的回收能量的降低。因此，需要選取合適的風速，在保證熱質交換充分的前提下，處理盡可能多的風量。由式（1）可知，在其他因素確定時，室內外焓差越大，熱回收裝置回收的能量越多，回收能效比越高。即使對于同一個機組來說，在不同運行工況下，當進出換熱器的新排風熱濕狀態不同時，熱回收裝置的回收效率也是不同的。有效換氣率是指進入新風側的新風與排風的風量之差與熱回收裝置的名義新風量之比，反映了排風側空氣向新風側滲透的程度。若有效換氣率越高，則說明裝置的密封性能越好，那么實際參與換熱的新風量就越高，單位新風量的換熱也就越不充分，熱回收效率隨之降低。提高有效換氣率雖然降低了熱回收率，但是其增加了新風量。王立峰等人[15]的研究顯示有效換氣率提高對顯熱回收量的影響并不顯著。在實際工程中，不應盲目追求熱回收效率的提高，還需要兼顧新風換氣的作用。

排風熱回收技術的節能原理是在空調季節利用新排風的焓差來實現熱量的回收，但是其本身會增大新風與排風系統的壓降，從而增大運行能耗。因此在過渡季，如果排風繼續通過熱回收裝置，只會增大系統運行能耗，而沒有能量回收的效果。在準過渡季，當室外新風可以承擔室內余熱負荷時，如果仍然混合新風和排風，則會造成額外的負荷。此時通過旁通裝置通入新風可以有效避免額外的系統能耗[16]。此外，對于空調季而言，并非所有時段采用排風熱回收技術都是節能的，這與新排風的焓差、溫差有關。因此對于新排風熱回收裝置，應該根據建筑的負荷特點和運行環境，制定合理的運行策略，方能提高室內的舒適以及空調系統的節能效果。

3.2 EAHP 系統的經濟適用性

實際工程的經濟性是人們最關注的，投資回收期的長短一定程度上反映了所采用的熱回收方式以及所選用熱回收裝置的技術可行性與經濟性[11]。與傳統的空調系統相比，有排風熱回收裝置的系統多了一個熱回收裝置，如果僅考慮熱交換裝置的回收周期，則回收期（Pay Back Period, PBP）的計算公式[14]如式（4）～（6）所示。

式中：Ccap—排風熱回收設備的投資費用；

Crec—使用排風熱回收設備之后節省的費用；

Cfan—與原有的空調系統相比，增加的運行費用；

k—考慮金融利率與物價變化的系數；

?E—系統節省的能耗；

?E'—加設熱回收裝置后系統增加的能耗；

Pe—電價。

如果考慮加設排風熱回收設備對空調系統容量減小的影響，則初投資需要減去由于使用熱回收裝置導致原系統減少的初投資費用[11]。

目前大部分排風熱回收系統的技術經濟性分析針對的是無源空氣-空氣換熱器，包括轉輪全熱換熱器[17]、板式全熱換熱器[18]、熱管換熱器[19]。由于 EAHP 式新風系統出現的時間較晚，只有少數學者對其進行了經濟性分析。潘祖棟[20]分析了將空調新風機組和熱泵系統相結合組成的冷凝排風熱回收新風一體機在杭州地區的性能，計算得到設備使用年限內的靜態投資回收期為 3.8 a。李楊[21]利用空調新風機組與熱泵相結合組成熱泵回收新風機組，在長春地區分析了其技術經濟性，并計算得到其回收期為 1.7 a。在計算排風熱回收系統回收的熱量時，王帥[22]認為熱交換器的換熱效率不是固定值，而是受到新排風狀態的影響，因此應采用逐時換熱效率代替設備標定值來計算熱回收量。王瑾等人[23]認為排風熱回收的節能量通常是按照最大節能量分析，與實際運行狀況不符，縮小了實際運行的回收期。楊濤[14]認為熱回收器的使用時間越長，由于設備的積塵、老化等，其熱回收效率也會發生變化，需要進一步研究。

4 結語

目前國內 EAHP 式新風機還處于初步應用和推廣階段，本文對該新風機及其衍生機組的原理、評價指標、性能影響因素以及技術經濟性的相關研究進行了總結，以期促進業界對 EAHP 式新風機的認識。通過文獻綜述可以發現未來需要從以下方面加深對該技術的探索：①在不同氣候區進一步檢驗 EAHP 式新風機的節能效果，并進行針對性的改進和完善；②測試 EAHP 式新風機在不同新排風狀態下的的熱回收效率變化曲線以及風量和風速的修正系數；③優化 EAHP 系統的結構、運行模式，提高 EAHP 系統對各種工況和場景的適應性。④提高 EAHP 系統的自動控制水平，降低其運行成本和投資回收期。⑤優化 EAHP 與其他換熱器相結合的復合型新風熱回收系統的熱回收效率和技術經濟性。