復(fù)合型新風(fēng)熱回收系統(tǒng)初探及其對室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響研究

嚴(yán)衛(wèi)東， 童 矗， 韓 旭， 張雨瀟

（1.江蘇經(jīng)貿(mào)學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007）

復(fù)合型新風(fēng)熱回收系統(tǒng)初探及其對室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響研究

嚴(yán)衛(wèi)東1， 童 矗2， 韓 旭2， 張雨瀟2

（1.江蘇經(jīng)貿(mào)學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007）

目前新風(fēng)熱回收系統(tǒng)的能量回收率在50%-60%，夏季新風(fēng)送入溫度高于室內(nèi)，冬季新風(fēng)送入溫度低于室內(nèi)，干擾室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定性。為此，提出一種將轉(zhuǎn)輪與熱泵相結(jié)合的復(fù)合型新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)夏季工況下的基本性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明：與轉(zhuǎn)輪單獨(dú)運(yùn)行模式相比，轉(zhuǎn)輪與熱泵聯(lián)合運(yùn)行模式下，室內(nèi)排風(fēng)與室外新風(fēng)經(jīng)轉(zhuǎn)輪熱交換后，冷凝器冷凝負(fù)荷降低，壓縮機(jī)能耗減小，新風(fēng)經(jīng)轉(zhuǎn)輪冷回收后，新風(fēng)負(fù)荷大大降低，節(jié)能效益顯著，并能有效降低新風(fēng)送入溫度，達(dá)到送風(fēng)設(shè)計(jì)要求。兩種運(yùn)行模式下新風(fēng)送風(fēng)濕度與室內(nèi)濕度相差都不大，對于室內(nèi)濕度要求不高的空調(diào)房間來說，兩種運(yùn)行模式都具有可靠性；復(fù)合型新風(fēng)熱回收系統(tǒng)熱回收能量與設(shè)備能耗之比較單獨(dú)的轉(zhuǎn)輪熱回收系統(tǒng)要高，且受室內(nèi)排風(fēng)溫濕度影響較小，具有很大的節(jié)能效益。

復(fù)合型； 新風(fēng)； 熱回收； 轉(zhuǎn)輪； 熱泵

0 引言

目前，對新風(fēng)熱回收的研究頗多，主要集中在新風(fēng)熱回收的形式、效率影響因素、傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型、節(jié)能分析及應(yīng)用等方面。如鐘珂等[1]通過實(shí)驗(yàn)研究了熱濕交換材料特性、通道長度和運(yùn)行工況等因素對全熱交換器熱回收效率的影響；張寅平等[2]通過模擬分析了板翅式全熱交換器交換膜的熱質(zhì)交換過程；楊開篇等[3]通過實(shí)驗(yàn)研究了熱管式換熱器在不同風(fēng)量和新、排風(fēng)溫差條件下的熱回收效率，以及新、排風(fēng)的壓力

損失隨風(fēng)速的變化情況；楊光[4]

針對住宅空調(diào)節(jié)能，設(shè)計(jì)開發(fā)了整體式熱管熱回收器，并通過實(shí)驗(yàn)研究了全熱回收器的節(jié)能性；臘棟等[5-8]分別從不同方面研究了轉(zhuǎn)輪熱回收效率的影響因素；丁云飛等[9-12]分別建立了熱回收轉(zhuǎn)輪傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了模型的正確性；鮑華等[13]-[15]研究了熱回收轉(zhuǎn)輪在不同地區(qū)、不同場所的應(yīng)用，并分析了其節(jié)能效果和潛力。

然而新風(fēng)熱回收形式的研究以單一技術(shù)為主要特征，如轉(zhuǎn)輪式、板翅式、熱管式等；且不同形式熱回收技術(shù)的排風(fēng)能量利用率低，且熱回收后的新風(fēng)入室參數(shù)偏離室內(nèi)空氣參數(shù)，對室內(nèi)熱濕環(huán)境擾動(dòng)較大。針對以上研究的不足，提出將轉(zhuǎn)輪熱回收技術(shù)與熱泵技術(shù)相結(jié)合，研究一種復(fù)合型新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)測試，研究其對室內(nèi)濕熱環(huán)境的影響。

圖1 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空氣-空氣換熱型新風(fēng)空調(diào)機(jī)工作時(shí)，蒸發(fā)溫度與冷凝溫度均為室外空氣溫度，蒸發(fā)壓力與冷凝壓力均高，制冷效率偏低。該系統(tǒng)增加轉(zhuǎn)輪后，大幅降低制冷負(fù)荷，縮小制冷壓縮機(jī)選型負(fù)擔(dān)，同時(shí)降低蒸發(fā)溫度，降低蒸發(fā)壓力。

1.1 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 工作原理

1.2.1 夏（冬）季工況

室外新風(fēng)首先經(jīng)過粗效過濾器（6）和中高效過濾器（7）進(jìn)行凈化處理；凈化處理后的新風(fēng)通過熱回收轉(zhuǎn)輪（3）進(jìn)行熱濕交換；熱濕交換后的新風(fēng)經(jīng)過換熱器（8）進(jìn)行冷卻減濕處理；加濕器（9）不工作；最后通過送風(fēng)機(jī)（10）向房間送風(fēng)。室內(nèi)回風(fēng)首先經(jīng)過熱回收轉(zhuǎn)輪（3）進(jìn)行熱濕交換；熱濕交換后的回風(fēng)與換熱器（2）的制冷劑進(jìn)行熱交換；最后通過排風(fēng)機(jī)（1）排至室外。

夏季熱泵系統(tǒng)開啟制冷工況，制冷劑首先通過壓縮機(jī)（5）和四通換向閥（4）排至換熱器（2）與熱濕交換后的回風(fēng)進(jìn)行熱交換，對制冷劑進(jìn)行降溫處理；降溫處理后的制冷劑經(jīng)節(jié)流進(jìn)入換熱器（8）與熱濕交換后的新風(fēng)進(jìn)行熱交換；制冷劑蒸發(fā)后進(jìn)四通換向閥（4）回到壓縮機(jī)（5），完成制冷循環(huán)。

冬季熱泵系統(tǒng)開啟制熱工況，制冷劑首先通過壓縮機(jī)（5）和四通換向閥（4）排至換熱器（8），熱濕交換后的新風(fēng)與制冷劑進(jìn)行熱交換，對制冷劑進(jìn)行降溫處理；降溫處理后的制冷劑經(jīng)節(jié)流進(jìn)入換熱器（2）與熱濕交換后的回風(fēng)進(jìn)行熱交換；制冷劑蒸發(fā)后進(jìn)四通換向閥（4）回到壓縮機(jī)（5），完成熱泵循環(huán)。

1.2.2 過渡季節(jié)

過渡季節(jié)，熱泵系統(tǒng)和轉(zhuǎn)輪不工作，新風(fēng)經(jīng)過粗效過濾器（6）和中高效過濾器（7）進(jìn)行凈化處理，由送風(fēng)機(jī)（10）向房間送風(fēng)，回風(fēng)由排風(fēng)機(jī)（1）排至室外。

1.3 系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)參數(shù)

按南京地區(qū)夏季室外工況對壓縮機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，南京地區(qū)夏季室外空調(diào)設(shè)計(jì)干球?yàn)?4.8℃，濕球溫度28.1℃；系統(tǒng)空氣體積流量設(shè)計(jì)為800m3/h。熱泵系統(tǒng)各系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)主要性能參數(shù)

2 試驗(yàn)測試與結(jié)果分析

2.1 測試依據(jù)和方案

根據(jù)《空氣-空氣能量回收裝置》（GB/T 21087-2007）規(guī)定，系統(tǒng)的性能測試名義工況見表2。

該復(fù)合型新風(fēng)熱回收系統(tǒng)采用熱泵和轉(zhuǎn)輪兩種熱回收形式，實(shí)驗(yàn)通過改變不同室內(nèi)排風(fēng)溫濕度參數(shù)，在兩種不同運(yùn)行模式下進(jìn)行測試：1）轉(zhuǎn)輪單獨(dú)運(yùn)行；2）熱泵、轉(zhuǎn)輪聯(lián)合運(yùn)行。試驗(yàn)主要以測試該系統(tǒng)夏季工況下的熱回收性能，來比較兩種運(yùn)行模式下的排風(fēng)熱回收效率及其對室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響。

室內(nèi)利用恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室，模擬12種不同的室內(nèi)排風(fēng)工況測試系統(tǒng)對新風(fēng)送風(fēng)溫濕度的影響，見表3。

2.2 測試方法

試驗(yàn)通過恒溫恒濕機(jī)組來控制1個(gè)小室的溫濕度，模擬室內(nèi)排風(fēng)參數(shù)；新風(fēng)直接引入室外新風(fēng)，利用南京市夏季高溫時(shí)段自然工況進(jìn)行測試，室外溫度控制在35℃左右，相對濕度未做嚴(yán)格控制，新風(fēng)參數(shù)與測試名義工況參數(shù)誤差控制在±2℃。系統(tǒng)機(jī)組放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，新風(fēng)側(cè)用風(fēng)管從室外引進(jìn)新風(fēng)，排風(fēng)側(cè)通過風(fēng)管與模擬室內(nèi)溫濕度的小室相連，試驗(yàn)臺系統(tǒng)圖如圖2所示。

表2 空氣-空氣能量回收裝置測試名義工況

表3 試驗(yàn)工況

圖2 試驗(yàn)臺系統(tǒng)圖

3 測試結(jié)果與分析

3.1 復(fù)合系統(tǒng)對新風(fēng)送風(fēng)溫度的影響

圖3表示轉(zhuǎn)輪運(yùn)行模式下改變室內(nèi)排風(fēng)參數(shù)對新風(fēng)送風(fēng)溫度的影響，圖4表示轉(zhuǎn)輪、熱泵聯(lián)合運(yùn)行模式下改變室內(nèi)排風(fēng)參數(shù)對新風(fēng)送風(fēng)溫度的影響。

由圖3a）可知，測試范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)輪運(yùn)行模式下，室內(nèi)排風(fēng)相對濕度對新風(fēng)送風(fēng)溫度影響很??；室內(nèi)排風(fēng)溫度每升高3℃，新風(fēng)送風(fēng)溫度也相應(yīng)升高2℃左右。由圖3b）可知，新風(fēng)送風(fēng)溫度均高于室內(nèi)溫度，且隨室內(nèi)排風(fēng)溫度的升高，新風(fēng)送風(fēng)溫度與室內(nèi)溫度差值逐漸減小，由室內(nèi)排風(fēng)溫度為24℃時(shí)的2.2℃減小到室內(nèi)排風(fēng)溫度為30℃時(shí)的1℃?？梢?，隨室內(nèi)排風(fēng)溫度的提高，新風(fēng)送風(fēng)溫度逐漸趨近于室內(nèi)溫度。

圖3 轉(zhuǎn)輪運(yùn)行模式下改變室內(nèi)排風(fēng)參數(shù)對新風(fēng)送風(fēng)溫度的影響a）新風(fēng)送風(fēng)溫度變化 b）送排風(fēng)溫差變化

圖4 轉(zhuǎn)輪、熱泵聯(lián)合運(yùn)行模式下改變室內(nèi)排風(fēng)參數(shù)對新風(fēng)送風(fēng)溫度的影響a）新風(fēng)送風(fēng)溫度變化 b）送排風(fēng)溫差變化

由圖4a）可知，轉(zhuǎn)輪、熱泵聯(lián)合運(yùn)行模式下，隨室內(nèi)排風(fēng)相對濕度的提高，新風(fēng)送風(fēng)溫度有所上升，在相對濕度由55%提高為60%時(shí)上升幅度最大；室內(nèi)排風(fēng)溫度每升高3℃，新風(fēng)送風(fēng)溫度也相應(yīng)升高2℃左右。由圖4b）可知，新風(fēng)送風(fēng)溫度均比室內(nèi)溫度低7℃左右。因此，與轉(zhuǎn)輪單獨(dú)運(yùn)行模式相比，聯(lián)合運(yùn)行模式下能夠有效調(diào)控新風(fēng)送風(fēng)溫度，解決室內(nèi)熱環(huán)境的擾動(dòng)問題，且能夠承擔(dān)室內(nèi)部分熱負(fù)荷，減少室內(nèi)空調(diào)運(yùn)行能耗。

3.2 復(fù)合系統(tǒng)對新風(fēng)送風(fēng)濕度的影響

圖5表示在不同運(yùn)行模式、不同室內(nèi)排風(fēng)參數(shù)下，新風(fēng)送風(fēng)含濕量與室內(nèi)排風(fēng)含濕量的對比變化圖。

由圖5a）可知，測試范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)輪運(yùn)行模式，不同室內(nèi)排風(fēng)參數(shù)下，新風(fēng)送風(fēng)含濕量都普遍稍高于室內(nèi)排風(fēng)含濕量，因此，單獨(dú)轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)對室內(nèi)濕負(fù)荷有一定的擾動(dòng)。由圖5b）可知，測試范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)輪、熱泵聯(lián)合運(yùn)行模式，不同室內(nèi)排風(fēng)參數(shù)下，新風(fēng)送風(fēng)含濕量都相近或低于室內(nèi)排風(fēng)含濕量，對室內(nèi)濕負(fù)荷影響較小，在某些工況下能夠承擔(dān)室內(nèi)部分濕負(fù)荷。由圖5可知，兩種運(yùn)行模式下新風(fēng)送風(fēng)濕度與室內(nèi)濕度相差都不大，對于室內(nèi)濕度要求不高的空調(diào)房間來說，兩種運(yùn)行模式都具有可靠性；這是由于新風(fēng)濕負(fù)荷主要由轉(zhuǎn)輪承擔(dān)，而轉(zhuǎn)輪后的換熱器（蒸發(fā)器）所承擔(dān)的濕負(fù)荷較小。

3.3 系統(tǒng)節(jié)能性分析

圖5 不同運(yùn)行模式下改變室內(nèi)排風(fēng)參數(shù)對新風(fēng)送風(fēng)濕度的影響a）轉(zhuǎn)輪運(yùn)行模式 b）轉(zhuǎn)輪、熱泵聯(lián)合運(yùn)行模式

與轉(zhuǎn)輪單獨(dú)運(yùn)行模式相比，轉(zhuǎn)輪與熱泵聯(lián)合運(yùn)行模式下，室內(nèi)排風(fēng)與室外新風(fēng)經(jīng)轉(zhuǎn)輪熱交換后，冷凝器冷凝負(fù)荷降低，壓縮機(jī)能耗減小，新風(fēng)經(jīng)轉(zhuǎn)輪冷回收后，新風(fēng)負(fù)荷大大降低，節(jié)能效益顯著，并能有效降低新風(fēng)送入溫度，達(dá)到送風(fēng)設(shè)計(jì)要求。

復(fù)合系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行模式下的能耗主要考慮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)能耗（包括轉(zhuǎn)輪和風(fēng)機(jī)能耗）、熱泵系統(tǒng)能耗（壓縮機(jī)），轉(zhuǎn)輪單獨(dú)運(yùn)行模式下只考慮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)能耗（包括轉(zhuǎn)輪和風(fēng)機(jī)能耗）。排風(fēng)回收能量Eh計(jì)算式如下:

圖6 不同運(yùn)行模式下排風(fēng)回收能量與設(shè)備能耗的對比a）轉(zhuǎn)輪運(yùn)行模式 b）轉(zhuǎn)輪、熱泵聯(lián)合運(yùn)行模式

式中 Gp—排風(fēng)空氣質(zhì)量流量，kg/s；

h1—室內(nèi)排風(fēng)空氣焓值，kJ/kg；

h2—室外排風(fēng)空氣焓值，kJ/kg。

圖6為不同運(yùn)行模式下排風(fēng)回收能量與設(shè)備能耗的對比柱狀圖。由圖6a）可知，轉(zhuǎn)輪運(yùn)行模式下，轉(zhuǎn)輪回收能量與設(shè)備能耗之比最高達(dá)到3.5，且受室內(nèi)排風(fēng)溫濕度的影響較大，由室內(nèi)排風(fēng)溫度24℃時(shí)的3.5降為室內(nèi)排風(fēng)溫度30℃的1.6。而由圖6b）可知，聯(lián)合運(yùn)行模式下，系統(tǒng)回收能量與設(shè)備能耗之比最高達(dá)到3.6，最低為2.5，受室內(nèi)排風(fēng)溫濕度影響較轉(zhuǎn)輪單獨(dú)運(yùn)行模式下要小?？梢?，復(fù)合型新風(fēng)熱回收系統(tǒng)熱回收能量與設(shè)備能耗之比較單獨(dú)的轉(zhuǎn)輪熱回收系統(tǒng)要高，且受室內(nèi)排風(fēng)溫濕度影響較小，具有很大的節(jié)能潛力和可行性。

4 結(jié)語

（1）復(fù)合系統(tǒng)轉(zhuǎn)輪單獨(dú)運(yùn)行模式下，新風(fēng)送風(fēng)溫度普遍高于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，熱回收率低；復(fù)合系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行模式下，室內(nèi)排風(fēng)與室外新風(fēng)經(jīng)轉(zhuǎn)輪熱交換后，冷凝器冷凝負(fù)荷降低，壓縮機(jī)能耗減小，新風(fēng)經(jīng)轉(zhuǎn)輪冷回收后，新風(fēng)負(fù)荷大大降低，新風(fēng)送風(fēng)溫度普遍比室內(nèi)溫度低7℃左右，新風(fēng)送風(fēng)可以適當(dāng)承擔(dān)室內(nèi)部分熱負(fù)荷，減少室內(nèi)空調(diào)運(yùn)行能耗，節(jié)能效益顯著；

（2）由于新風(fēng)濕負(fù)荷主要由轉(zhuǎn)輪承擔(dān)，而轉(zhuǎn)輪后的換熱器（蒸發(fā)器）所承擔(dān)的濕負(fù)荷較小，兩種運(yùn)行模式下新風(fēng)送風(fēng)濕度與室內(nèi)濕度相差都不大，對于室內(nèi)濕度要求不高的空調(diào)房間來說，兩種運(yùn)行模式都具有可靠性；

（3）復(fù)合型新風(fēng)熱回收系統(tǒng)熱回收能量較單獨(dú)的轉(zhuǎn)輪熱回收系統(tǒng)要高，且復(fù)合型新風(fēng)熱回收系統(tǒng)熱回收能量與設(shè)備能耗之比較單獨(dú)的轉(zhuǎn)輪熱回收系統(tǒng)也要高，且受室內(nèi)排風(fēng)溫濕度影響較小，具有很大的節(jié)能效益；

（4）復(fù)合新風(fēng)熱回收系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)來準(zhǔn)確控制新風(fēng)入室參數(shù)，對如何根據(jù)不同建筑進(jìn)行系統(tǒng)選型和新風(fēng)與室內(nèi)熱濕環(huán)境精確調(diào)控還有待進(jìn)一步研究，本文對設(shè)計(jì)者有一定的參考意義。

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Preliminary Exploration of Compound Fresh Air Heat Recovery System and Research on the Influence of Indoor Thermal and Wet Environment

YAN Wei-dong1， TONG Chu2， HAN Xu2， ZHANG Yu-xiao2

（1.Jiangsu Institute of Economic&Trade Technology，Nanjing 211100，China；2.School of Defence Engineering，PLA University of Science&Technology，Nanjing 210007，China）

Currently，the energy recovery rate of fresh air heat recovery system is about 50%-60%.The summer fresh air temperature is higher than indoor，winter fresh air temperature is lower than indoor，which disturb the stability of the indoor thermal environment.This paper proposes a new compound air heat recovery system whch combine wheel with heat pump，and test the basic properties of the summer working conditions of the system.Results show that compared with the wheel separate operation mode，in the wheel with heat pump operation mode，after the indoor ventilation and fresh air exchanging heat in the wheel，condenser cooling load is reduced，the compressor power consumption is reduced，fresh air load is greatly reduced after wheel cold recycling，energy saving effect is remarkable，and can effectively decrease the temperature of fresh air，to achieve the design requirements.The difference of fresh air humidity and indoor humidity is not large in the two kinds of operation mode，to air conditioning rooms which have low requirements for indoor humidity，the two operation modes are reliability;the proportion of heat recovery energy and equipment energy consumption in compound air heat recovery system is higher than single wheel heat recovery system，and less affected by the indoor exhaust air temperature and humidity，which has a lot of energy saving efficiency.

compound； fresh air； heat recovery； wheel； heat pump

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.015

TU831.5

B

2095-3429（2017）04-0067-06

嚴(yán)衛(wèi)東（1966-），男，江蘇南通人，本科，副教授，副院長，訪問學(xué)者，研究方向：制冷與空調(diào)技術(shù)。

2017-07-13

修回日期：2017-08-25