热回收装置对多功能热泵系统的节能效果分析

赵汇 刘雄

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

由于传统意义上的空调无法满足人们对空调在舒适性和节能性上愈来愈高的要求，故提出了温湿度独立控制空调系统（THIC）。随着系统研究的不断深入，研究者们提出了不用形式的空气处理方法和显热端处理方法[1]。湿度控制子系统形式多样，其中利用新风承担室内全部湿负荷是湿度独立控制系统的趋势。

1 系统原理介绍

本文提出一种新型多功能热泵系统[2]，系统承担室内湿负荷，部分显热负荷以及全年生活热水负荷，在春夏秋季利用新风控制室内湿球温度,其中新风承担室内全部湿负荷和部分显热负荷[4]，其系统原理如图1 所示。

图1 新风除湿热水多功能热泵系统原理图

该系统主要利用一台变频压缩机作为动力来源，系统的新风处理模块主要承担室内湿负荷，新风湿负荷，新风冷/热负荷以及部分室内显热负荷，通过对室外新风进行除湿，使新风承担新风湿负荷及室内湿负荷，控制新风的送风温度，可使新风承担部分室内显热负荷。对于生活热水加热所需的热量，由新风冷却除湿过程中产生的冷凝热以及室外换热器提供。

2 热交换装置节能量

近些年来住宅内通新风越来越普遍，多数新风系统会采用增加排风热回收装置减少系统用能，目前常用的热回收装置为全热交换器和显热交换器。

2.1 建筑模型以及参数选取

针对多功能热泵系统特点，本文选取杭州、广州、上海、长沙四个城市进行探讨，选取住宅建筑作为研究对象，讨论该系统在四个城市中的节能量。

选取建筑为别墅型住宅建筑，图 2 为该建筑其中一层平面图，从图中可以看出，该层房间设置为两个卧室，一个客厅，一个餐厅和两个卫生间。

图2 住宅建筑平面图

根据《实用供热空调设计手册》[3]选定夏季室内设计参数为26 ℃，相对湿度为55%。冬季室内设计参数为18 ℃，设计相对湿度为30%～60%。

根据《实用供热空调设计手册》可知，新风的选取原则是保持正压，新风比以及最小新风量，根据《住宅新风系统技术标准》[4]可知，对于住宅建筑的新风量计算如下：

式中：G为新风量，kg/h；n为新风换气次数，次 /h；V为住宅体积，m3；S为住宅面积，m2；h为住宅高度，m 。

2.2 排风热回收装置节能量计算

显热交换器其回收新风热量的计算公式[5]为 ：

式中：twj表示室外进风温度，℃ ；t nj表示室内排风温度，℃ ；ηs表示热交换器显热交换效率。

对于全热交换器其回收新风热量的计算公式为：

式中：hw表示室外新风焓值，kJ/kg；hi表示室内排风焓值，k J/kg；ηh表示热交换器全热交换效率。

根据《空气-空气能量回收装置GB/T21087-2007》[6]，热交换器效率选取值如表2。

表2 热交换器效率选取表

根据式（2）、（3），计算排风热回收装置回收的能量，根据日常生活起居习惯，本文选取两种运行模式进行探讨，第一种为全天运行模式，第二种为工作模式，即夜间10 点至晨间6 点开启，结果如表3 所示。

表3 各城市热回收装置节能量

图4 各城市夏季节能量和节能效率比

图5 各城市冬季节能量和节能效率比

图6 过渡季节需加热城市时全热交换器节能量

图7 过渡季节需冷却时全热交换器节能量

从表 3 可看出，杭州和广州夏季使用显热交换器回收的能量为负值，显然使用显热交换器不节能。因此对于多功能热泵系统，热回收装置选择全热回收装置节能效果更好，将使用全热交换器时的节能量和节能比例绘制成图，如图 4、5、6、7 所示。

从图中可以看出，在夏季使用全热交换器在上海和长沙分别能够节约 45.51%和 45.35%的能量，高于杭州和广州，在冬季的节能率与杭州相差不多，分别为64.97%和63.78%，夏季的节能效率低于冬季。且冬季无论是模式1 还是模式 2，节能量最多的都是上海，因此上海适合使用全热交换器进行热回收。对比图6、7 中的节能率可发现，冷却工况下节能率最高的是长沙，节能率高达83.89%。加热时节能率最高的是上海，节能率超过100%，表明在上海过渡季节室外温度较低时可仅开启热回收装置就可满足对新风处理要求。

同时从模式 1 模式 2 的节能量和节能率对比来看，模式2 下运行时间短，负荷较小，机组提供能量少，但是使用热回收装置的节能率相差不大，其主要原因是在计算过程中热回收效率为定值，实际使用过程中该值不断变化，吴炜华[7]研究了风量，温度差，湿度差对换热效率的影响，并拟合出了经验公式，表明温度差和湿度差与效率呈正相关的关系，风量则与其负相关。因此在温度差和湿度差大的地方使用热回收装置节能效果更好。

3 热交换装置对压缩机耗功的影响

多功能热泵系统增加全热回收装置后处理新风消耗冷量减少的同时冷凝热随之减少，此时系统压缩机的做功变化未可知，因此本节主要探究使用全热交换器对多功能热泵系统压缩机做功的影响。

夏季可节约的压缩机耗功量为：

式中：Qsc表示使用全热交换装置节约的能量，k J；COPas表示夏季系统运行平均COP。

冬季可节约的压缩机耗功量为：

式中：Qsh表示使用全热交换装置节约的能量，kJ。

过渡季节系统需要对新风进行加热或冷却，当系统对新风冷却工况时使用全热交换器依然能够满足生活热水的需求时，节能量的计算与式（4）相同，当系统产生的冷量不足以提供冷凝热时，热交换器达不到节能的作用，在系统为新风加热工况下，使用全热交换装置节约的能量可按照式（5）计算。得到各个城市各个季节耗功量的值如表4。

由表4 可得，夏季全热交换器通过回收冷量减少压缩机做功，冬季则回收热量减少压缩机做功，过渡季节既回收冷量也回收热量，且冷量回收值较大，在压缩机总能耗中占比大。上海和长沙由模式1 转变为模式2，节能率有所下降，因此对于长沙和上海过渡季节使用全热交换器节能。对于杭州和广州，使用全热交换器是否节能与运行模式有关，模式1 下节能，模式 2 下不节能。

表4 系统压缩机耗功量对比表

由图8 可得，长沙冬季的节能率最低。在模式 2下运行时，杭州和广州的过渡季节使用全热交换器并不节能，甚至会增加压缩机耗功量，因此在杭州和广州使用全热回收装置时需要注意机组运行时间段。且从图上可以看出长沙冬季的节能率最低，模式 1 下为5.46%，模式2 下仅为1.69%。

图8 各城市耗功节能率对比图

从图9 可以看出，广州夏季制冷压缩机耗功最多，冬季制热压缩机耗功最少，但是模式 1 下运行比模式2 下运行耗功少，主要原因是日间室外温度高，压缩机COP 值较高。且从图中可以发现，杭州，上海和长沙冬夏季耗功量相差不大，过渡季节模式 2 下杭州耗功最多，模式 1 下上海耗功最多，主要耗功在于新风的除湿冷却过程。

图9 各城市耗功量对比图

4 总结

本文通过分析常规空调系统的优缺点，结合日常生活需求创新性的提出了多功能热泵系统，并研究热交换器对系统的影响，得到以下结论：

1）根据上述分析可发现，温湿度差越大，使用热回收装置的节能效果越好，对于多功能热泵系统来讲，选择全热交换装置更加合适。

2）杭州和广州过渡季节使用全热交换器模式1 下可节能，模式2 下不节能，因此广州和杭州使用全热交换装置时和运行时间关系很大，白天运行节能，夜间运行并不节能，而上海和长沙由模式1 转变为模式 2，节能率有所下降但是依然节能，因此对于长沙和上海过渡季节使用全热交换器是节能的，日间运行的节能率稍高，对于杭州和广州，使用全热交换器是否节能与运行模式有关，模式1 下节能，模式2 下不节能。

本文通过分析热交换器对多功能热泵系统的影响，表明使用全热交换器比显热交换器更适用于多功能热泵系统，且节能效果与运行模式和季节等都有关系，但是本文只是简要分析了影响，并没有对这些因素量化提出系统在实际使用过程中各影响因素的影响分子，是下一步研究的方向。