空調(diào)型新風換氣系統(tǒng)在寒冷地區(qū)應用的可行性研究

金洪文，高 杲，畢見勝

（1.長春工程學院；2.吉林省建筑能源供應及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心，長春130012；3.鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑行業(yè)的裝修材料也應運而生出多種合成材料。隨著圍護結構密閉性的提高和為了達到保溫效果盡量減少室外冷風的侵入等措施的采用，造成室內(nèi)污染物排放或稀釋不及時，這種環(huán)境中的人們表現(xiàn)出嚴重的因缺少新風的病態(tài)反應，如“呼吸道系統(tǒng)、胸悶、過敏等癥狀［1］”。這些問題通過自然通風解決不了，就迫使專業(yè)技術人員想辦法采用強制通風解決此類問題。強制通風通常在公共建筑中使用，隨著人們進一步提高了對健康的認識，現(xiàn)在部分高端住宅也安裝了戶式新風換氣機進行強制通風換氣。

采用新風換氣機保證了室內(nèi)新風換氣，但新風量的大小也直接影響著熱損失。在這方面各個國家對新風標準的要求不盡相同，我國對建筑物內(nèi)新風量的規(guī)范要求不如國外制定得早，如英國、日本以及美國規(guī)定每人每小時的新風量或每平方米的新風量，見表1。這對正確評價和計算新風能耗提供了幫助。

新風量越大對室內(nèi)空氣品質(zhì)越有利，但是隨之而來的是能量的過高消耗。據(jù)資料統(tǒng)計，新風負荷占到房間熱負荷總的30%［2］左右。因此新風量的大小對建筑能耗影響很大，我們既要考慮室內(nèi)空氣品質(zhì)，又要考慮能耗，所以采用具有熱回收功能的新風換氣機保證新風量是目前普遍采用的辦法，但效率普遍不高，仍然有一部分排風廢熱沒有被回收。盡管這部分能量數(shù)值不是很大，但全國住宅面積基數(shù)較大，因此該部分能量損失匯總數(shù)值不可忽略。尤其是在寒冷地區(qū)，這種熱損失就會更大，本文設計的空調(diào)型新風換氣系統(tǒng)能夠更多地回收新風換氣中排風的廢熱。

表1 各個國家對新風量的標準［2］

1 系統(tǒng)設計

新風換氣機原理如圖1所示，新風和排風進行間接換熱，在此過程中室內(nèi)排風經(jīng)過換熱后溫度有所下降并排出室外，此時排風溫度一定高于（冬季）室外溫度。這部分排風還存有部分廢熱沒有回收。而熱泵空調(diào)原理是從低溫環(huán)境吸收熱量轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境，相對而言經(jīng)過換氣機的排風環(huán)境就是低溫環(huán)境，進入室內(nèi)的新風是高溫環(huán)境，這恰好為風冷式熱泵空調(diào)工作提供便利條件，因為風冷式熱泵空調(diào)在寒冷地區(qū)不適合低溫啟動且制熱效果受環(huán)境溫度影響，即溫度越低制熱效果越差，反之越好，熱泵空調(diào)原理如圖2所示。

圖1 新風換氣機原理

圖2 熱泵空調(diào)工作原理

空調(diào)型新風換氣系統(tǒng)是結合新風換氣機和風冷式熱泵空調(diào)2種設備的特點，集二者功能于一體的節(jié)能型新風換氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。圖中設備2是低溫環(huán)境中的蒸發(fā)器，吸收排風熱交換后的廢熱，設備3是在高溫環(huán)境中放熱的冷凝器，向新風管路中釋放熱量。在圖中有2處釋放熱量的位置，虛線框中設備3的位置是在熱量釋放給熱交換后的新風出口，前者是在熱交換前的新風入口。哪種位置對吸熱和放熱效果更好、更有利廢熱回收需要通過能量分析來確定。

圖3 空調(diào)型新風換氣系統(tǒng)原理圖

2 能量分析

空調(diào)型新風換氣機的能量分析包括新風換氣機的能量分析和熱泵空調(diào)的能量分析，二者的能量分析應分別包括冬季和夏季的，因為實驗地點在寒冷地區(qū)，冬季更具有地域的代表性，故此以下論述都圍繞冬季設備能量分析進行。

2.1 新風換氣機能量分析

目前常用的新風換氣機能量回收效率一般為60%～80%［3－6］，這就意味著有20%～40%的熱量沒有被回收。描述新風換氣機回收能量的多少可以用顯熱效率、全熱效率、濕熱效率等，因為本次研究的地點是長春地區(qū)，新風和排風的相對濕度變化不大，吸收排風廢熱和釋放這部分熱量都屬于定壓換熱過程，故采用顯熱效率計算方法，新風換氣機選用的是國產(chǎn)品牌，新風和排風量都為2 000m3／h，制熱顯熱交換效率為78%，電機功率為0.41kW。

新風換氣機顯熱回收能量計算公式為：

式中：Qx為新風換氣機顯熱得熱量，W；cp為空氣定壓質(zhì)量比熱容，kJ／kg·K；ρ為空氣密度，kg／m3；Lx為新風換氣機的交換新風量，m3／h；t1、t2為新風換氣機排風側(cè)進風和出風溫度，℃。

2014年12月29日連續(xù)記錄數(shù)據(jù)如圖4所示。室外平均溫度為－6℃，經(jīng)過新風換氣機后的平均送風溫度為14℃，室內(nèi)排風平均溫度為20.5℃，經(jīng)新風換氣機后平均溫度為11.5℃。則顯熱回收量為：將數(shù)值帶入公式計算有

排風損失掉的熱量為

折合每立方米的風量熱損失的量為

圖4 監(jiān)測時間段內(nèi)新風和排風溫度變化情況

2.2 熱泵空調(diào)能量分析

本次實驗應用的熱泵型空調(diào)是一臺分體式房間空調(diào)機，額定制熱功率770W，標定制熱量為2 600W?？照{(diào)的使用與室外環(huán)境有較大關系，一般正常工作環(huán)境為－5～40℃。室外機的環(huán)境溫度越低，空調(diào)的制熱效率就越低。熱泵型空調(diào)器的制熱輸出能力會隨外氣溫下降而衰減，且這一衰減的幅度是相對較大的。部分熱泵型空調(diào)器當室外機在環(huán)境溫度為0℃時，其制熱能力只相當于外氣溫7℃標準測試工況的60%左右；當外氣溫再下降到－5℃時，其制熱能力只有標準工況時的45%左右。因此，本次實驗時室外機放在排風出口位置，這大大提高了室外機工作環(huán)境溫度（實測是11.5℃），也提高了制熱效果。

空調(diào)機制熱系數(shù)公式為

式中：Q1為熱泵高溫熱源獲得熱量，W；Q2為熱泵在低溫熱源吸收的熱量，W。這里Q2的值是排風損失掉的熱量Qs。

本次采用的空氣源熱泵制熱系數(shù)為4，吸收熱交換過程中排風損失熱量3.8kW，在實際工況下該熱泵空調(diào)能夠獲得的熱量是

熱泵空調(diào)能夠從排風環(huán)境中吸收廢熱3.8kW的熱量，經(jīng)過熱泵提升其品質(zhì)獲得5.1kW的熱量，這部分熱量對于進入室內(nèi)的新風來說是非常有益的。如果給新風再次加熱，提高進入室內(nèi)的新風溫度，就能解決因新風進入室內(nèi)而多消耗的熱量問題。

新風獲取熱量后，能夠使得新風獲得溫升的計算式為

式中Δt為新風獲得的溫升，℃。其他符號意義同前。

將數(shù)值帶入公式計算新風溫升為

但是新風從室外到室內(nèi)管路分為進入新風換氣機的進風段和出風段。將這部分熱量釋放在新風進入新風換氣機入口段還是出口段位置，需要通過分析才能得出結果。

3 新風加熱位置分析

3.1 加熱位置在新風換氣機入口段

加熱位置如圖5（a）所示，啟動空調(diào)后新風入口段換熱器與新風是屬于間接接觸換熱，且在此過程中空氣變化屬于定壓過程，所以空氣保持等含濕量線進行再熱溫度升高，過程變化如圖5（b）所示，實驗期內(nèi)室外平均溫度為－6℃，入口新風獲得5.1kW后溫度升高值為：

此時經(jīng)過新風換氣機的新風送風溫度為

圖5 加熱在新風入口段

計算出的溫度與沒有設置熱泵時候的交換后溫度差3.5℃，且與室內(nèi)設計溫度相差很大。說明盡管將這部分熱量釋放給了新風，但是再次經(jīng)過新風換氣機時有熱損失，因此這部分熱量的供熱效果就不明顯。這說明新風入口溫度對結果影響很大。那么加熱新風位置如果放置在新風出口段結果又如何呢？

3.2 加熱在新風出口段

加熱位置點如圖6（a）所示，空氣加熱過程如圖6（b）所示。此時空氣相對濕度變低，是因為經(jīng)過新風換氣機一次換熱，空氣被干燥了，在獲得相同熱量的條件下，加熱的起點是14℃，將這部分熱量釋放給經(jīng)過新風換氣機后段的新風獲得的送風溫度為

在等含濕量不變的情況下將溫度提升到21.6℃送入室內(nèi)，比采暖設計溫度高3.6℃。這時新風不但不會消耗室內(nèi)熱量，反而會為室內(nèi)提供一部分熱量。這說明將加熱位置放在新風出口段比入口段效果好。

圖6 加熱在新風出口段

4 經(jīng)濟效益分析

分析得出，加熱位置在新風出口段效果非常明顯，遠遠高于入口段獲得的效果，該溫度已經(jīng)滿足室內(nèi)采暖設計的溫度要求。如果不采用熱泵技術，送入室內(nèi)的空氣溫度為14℃，而通常室內(nèi)設計溫度為18℃，如果沒有熱泵系統(tǒng)工作，這樣的空氣送入室內(nèi)需要消耗室內(nèi)熱量計算公式為

式中：Qxh為新風進入室內(nèi)需要消耗的熱量，W；Lx為新風換氣機的交換風量，m3／h；tN為室內(nèi)采暖設計溫度，℃；其他同前。

將數(shù)據(jù)帶入計算這部分耗熱量為

如果需要維持室內(nèi)設計溫度，在沒有啟用熱泵空調(diào)系統(tǒng)時需要多消耗2.7kW。排風損失的熱量為3.8kW，如果將這部分熱量直接補充到室內(nèi)，從量上能滿足新風消耗掉的熱量，但是3.8kW廢熱為低品位能源，不通過熱泵技術提高不了能源品質(zhì)，直接應用是不可行的。且采用熱泵技術將廢熱品質(zhì)提升，能夠獲得5.1kW熱量，這樣不但滿足室內(nèi)設計溫度要求，保證室內(nèi)舒適程度，還能節(jié)約很多能量，在寒冷地區(qū)一個采暖季節(jié)每立方米風量能夠節(jié)約的標煤量為

在2 000m3／h的實驗風量下，空調(diào)型新風換氣系統(tǒng)一個采暖季節(jié)省標煤轉(zhuǎn)換電量為3 868（kw·h）／a，同時減少污染物CO2的排放1.85kg／（a·m3）。對環(huán)境效益的價值是不可估量的。

在經(jīng)濟效益方面，因為采用熱泵空調(diào)型新風換氣系統(tǒng)與常規(guī)新風換氣機相比，以1匹的熱泵空調(diào)為例，增加的設備費用為1 000元左右，實驗風量下的空調(diào)新風換氣機節(jié)省因回收排風廢熱加熱新風而節(jié)省燃煤轉(zhuǎn)換電量為3 868（kW·h）／a，因熱回收需要增加的熱泵空調(diào)運行電量為：

這樣每年運行節(jié)省電量為726（kW·h）／a，按當下電費標準，即節(jié)省費用為378元／a。

以實驗設備為參照對象，計算增加設備投資回收年限，目前國內(nèi)外最簡單的經(jīng)濟評價分析方法為靜態(tài)投資回收年法［7］，這種方法又稱簡單經(jīng)濟分析法，這種方法不考慮資金的時間價值。按靜態(tài)投資回收期法計算其系統(tǒng)回收年限公式為

計算靜態(tài)投資回收年限為

盡管每立方米風量在一個采暖季節(jié)省0.7kg標煤，節(jié)省運行費用不多，但系統(tǒng)投資回收年限短，在寒冷的采暖地區(qū)因建筑面積的基數(shù)比較大，節(jié)省費用的總量非常可觀，同時對環(huán)境產(chǎn)生的效益是不可忽視的。

5 結語

在目前應用的新風換氣機基礎上，利用熱泵技術回收熱交換后排風中廢熱，用來解決新風耗能問題。經(jīng)過分析得到如下結論：回收的廢熱通過熱泵空調(diào)提升能量品質(zhì)，釋放給進入室內(nèi)新風，加熱位置在新風出口段比入口段效果顯著；每個采暖季節(jié)每立方米風量節(jié)省0.7kg標準煤，對環(huán)境效益作用不可忽視。

利用熱泵技術吸收廢熱提升能源品質(zhì)，加熱新風，提高室內(nèi)舒適程度，節(jié)約能量，空調(diào)型新風換氣系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的推廣應用具有很大的可行性。

［1］夏向群.新風對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響［J］.中外建筑，2001（2）：87－88.

［2］毛俊俊.空氣能量回收裝置在嚴寒地區(qū)的應用效果研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2011：58－62.

［3］李敏，于蕾，林豹，等.淺析住宅用能量回收新風換氣機的應用［J］.制冷與空調(diào)，2005（4）：64－65.

［4］魏向利，劉曉偉，高福彬，等.改善住宅室內(nèi)空氣品質(zhì)必要新風量的實驗研究［J］.中國住宅設施，2005（2）：32－34.

［5］金偉力.新風換氣機用于新風換氣系統(tǒng)的節(jié)能技術經(jīng)濟分析［Z］.株式會社西部技研，2013：200.

［6］王丹，溫周平，關典，等.住宅用新風換氣機的研究［J］.節(jié)能，2004（5）：28－29.

［7］殷平.新型板式全熱交換器研制——經(jīng)濟分析［J］.暖通空調(diào)，2006，36（3）：53－58.