熱回收效率對排風(fēng)熱回收式熱泵性能的影響研究

石峰豪 盧 軍

熱回收效率對排風(fēng)熱回收式熱泵性能的影響研究

石峰豪 盧 軍

（重慶大學(xué) 重慶 400045）

排風(fēng)熱回收式熱泵因具有結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在北歐等國家得到一定的推廣。排風(fēng)熱回收式熱泵主要分為單級和雙級熱回收式熱泵，而熱回收裝置作為雙級熱回收式熱泵的重要部件，其熱回收效率會影響到整個熱泵系統(tǒng)的性能。通過TRNSYS對雙級熱回收式熱泵在重慶冬季的運行情況進(jìn)行了模擬，并與常規(guī)空氣源熱泵和單級熱回收式熱泵進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，雙級熱回收式熱泵機(jī)組的性能系數(shù)隨著熱回收的效率升高而降低，且介于單級熱回收式熱泵和常規(guī)空氣源熱泵的性能系數(shù)之間，而雙級熱回收式熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)則隨熱回收的效率升高而升高，在熱回收效率為0.6的情況下，系統(tǒng)的性能系數(shù)為5.262，相較單級熱回收式熱泵和常規(guī)空氣源熱泵的性能系數(shù)，能效分別提升了31.29%和83.22%。

熱回收式熱泵；雙級熱回收；熱回收效率；性能系數(shù)

0 引言

近年來，資源和環(huán)境問題已經(jīng)成為制約中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，節(jié)能減排對于我國的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。調(diào)查顯示，我國建筑能耗約占社會總能耗的30%；空調(diào)系統(tǒng)能耗約占建筑能耗的40%～60%，而新風(fēng)負(fù)荷約占空調(diào)總負(fù)荷的30%～50%[1]，因此，降低新風(fēng)引入的能耗對于社會節(jié)能減排意義重大。

排風(fēng)熱回收能夠?qū)π嘛L(fēng)預(yù)熱（預(yù)冷），提高（降低）送風(fēng)溫度，避免室內(nèi)人員有冷（熱）吹風(fēng)感，進(jìn)而減少了新風(fēng)冷（熱）負(fù)荷。根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)熱回收裝置顯熱效率達(dá)到70%時，建筑供暖能耗將會減少近一半[2]，因此，排風(fēng)熱回收是解決保證室內(nèi)空氣質(zhì)量和減少建筑能耗之間矛盾的有效途徑。目前排風(fēng)熱回收多用在公共建筑的一次回風(fēng)系統(tǒng)中[3]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，家用空調(diào)的普及率也越來越高，而這些多半是單元式空調(diào)器，并且大多沒有加入新風(fēng)系統(tǒng)，這就導(dǎo)致所處理的空氣質(zhì)量下降。為此，有些學(xué)者提出排風(fēng)熱回收式熱泵，該系統(tǒng)不僅具有較好的節(jié)能效果，而且還具有保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)點，目前在瑞典、德國等北歐國家已有一定的普及，并取得了不錯的社會效益[4]。

1 排風(fēng)熱回收式熱泵的原理

關(guān)于排風(fēng)熱回收式熱泵的形式，主要分為兩類：單級熱回收式熱泵和雙級熱回收式熱泵[5]，分別如圖1和圖2所示。雙級熱回收熱泵的原理以冬季為例：空氣源熱泵和熱回收裝置集成到一個系統(tǒng)中，室外的新風(fēng)與室內(nèi)的排風(fēng)通過熱回收裝置，進(jìn)行熱交換后，分別進(jìn)入熱泵機(jī)組的冷凝器和蒸發(fā)器，最后經(jīng)處理后送入室內(nèi)和室外。而對于單級熱回收式熱泵，其工作原理與雙級熱回收式熱泵的區(qū)別主要在于新風(fēng)和排風(fēng)進(jìn)入熱泵機(jī)組之前，沒有熱回收裝置進(jìn)行熱交換。

熱回收裝置作為雙級熱回收式熱泵重要的部件，其熱回收的效率首先影響著新風(fēng)和排風(fēng)的換熱效果，進(jìn)而影響到熱泵的能效。所以，研究熱回收裝置的熱回收效率對于熱回收式熱泵的影響具有重要的意義。排風(fēng)熱回收裝置有多種形式，按照回收排風(fēng)中能量的不同，常用的排風(fēng)熱回收裝置可分為顯熱回收裝置和全熱回收裝置[6]。全熱回收裝置通常有轉(zhuǎn)輪式換熱器以及板翅式換熱器等；顯熱回收裝置有中間熱媒式換熱器、板式顯熱換熱器和熱管式換熱器等[7]。兩種類型的熱回收裝置各有利弊，其中，全熱回收裝置的熱回收效率比較高，但是它的設(shè)備尺寸也相對較大，運行費用也較為昂貴，并且設(shè)備布置的靈活性較差[8]；而顯熱回收裝置的熱回收效率雖然比全熱回收裝置低，但是由于其占用空間小、無轉(zhuǎn)動部件、運行安全可靠，在實際工程中應(yīng)用也較為廣泛[9]。另外，顯熱回收裝置相較于全熱回收裝置，還有一個較大優(yōu)點在于其新風(fēng)和排風(fēng)不混合，不存在交叉污染的風(fēng)險。因此，對于某些空氣品質(zhì)要求較高且場地環(huán)境受限的地方比較適宜采用顯熱回收裝置。

圖2 雙級熱回收式熱泵

2 排風(fēng)熱回收式熱泵的性能評價指標(biāo)

3 排風(fēng)熱回收式熱泵的性能評價指標(biāo)

3.1 排風(fēng)熱回收式熱泵模型的建立

TRNSYS軟件是模塊化的動態(tài)仿真軟件，軟件認(rèn)定所有系統(tǒng)均由若干個小的模塊組成，不同的模塊可實現(xiàn)不同的功能，因此，在對系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析時，只要調(diào)用實現(xiàn)這些特定功能的模塊，給定輸入條件，就可以對系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。TRNSYS軟件中的TESS部件有專門針對暖通空調(diào)系統(tǒng)的各種模塊，其中有空氣—空氣熱交換器模塊和空氣—空氣熱泵機(jī)組模塊，通過對這兩種模塊的組合可以得到排風(fēng)熱回收式熱泵的模型。

為更好的探究熱回收裝置對雙級熱回收熱泵的影響，本文還選取了常規(guī)空氣源熱泵和單級熱回收式熱泵作為對比，對這三種類型的熱泵在冬季運行情況進(jìn)行了模擬，模型如圖3所示。選擇重慶地區(qū)作為研究對象，參數(shù)設(shè)置依照《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB 50736-2012中對于室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)的規(guī)定：空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度2.2℃，相對濕度為83%，室內(nèi)設(shè)計干球溫度為20℃，室內(nèi)空氣的相對濕度按照50%。三種熱泵的機(jī)組均按照TRNSYS中給定的額定風(fēng)量進(jìn)行設(shè)置。對于雙級熱回收式熱泵，按照熱回收效率從0.1至0.9分別對雙級熱回收式熱泵的性能進(jìn)行了模擬，由于TRNSYS沒有針對雙級熱回收式熱泵系統(tǒng)的輸出部件，因此還添加了系統(tǒng)性能的計算器。

圖3 三種熱泵的Trnsys模型

3.2 模擬結(jié)果分析

圖4 不同熱回收效率下的雙級熱回收熱泵的性能系數(shù)

圖5 不同熱回收效率下的新風(fēng)溫度

圖6 不同熱回收效率下的排風(fēng)溫度

4 結(jié)論

[1] 清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2017[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2017.

[2] 袁旭東,柯瑩,王鑫.空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)熱回收的節(jié)能性分析[J].制冷與空調(diào),2007,7(1):76-81.

[3] 丁云飛,趙運超,周孝清.夏熱冬暖地區(qū)公共建筑空調(diào)排風(fēng)熱回收模式探討[J].建筑科學(xué),2007,23(12):30-34.

[4] Fehrm M, Reiners W, Ungemach M. Exhaust air heat recovery in buildings[J]. International Journal of Refrigeration, 2002,25(4):439-449.

[5] Nguyen A, Kim Y, Shin Y. Experimental study of sensible heat recovery of heat pump during heating and ventilation[J]. International Journal of Refrigeration, 2005,28(2):242-252.

[6] 嚴(yán)衛(wèi)東,童矗,韓旭,等.新型轉(zhuǎn)輪全熱回收新風(fēng)機(jī)組實驗研究與節(jié)能分析[J].制冷與空調(diào),2018,32(2):85-90.

[7] 李宏,連慧亮,李靖.熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及應(yīng)用[J].制冷與空調(diào),2010,24(5):97-100.

[8] 王瑾,李振,袁瑗,等.液體除濕與排風(fēng)熱回收相結(jié)合的新風(fēng)處理系統(tǒng)[J].暖通空調(diào),2013,43(1):109-112.

[9] 邵征宇,劉敏,李瑩,等.夏熱冬冷地區(qū)某卷煙廠制絲工藝排風(fēng)余熱回收[J].暖通空調(diào),2013,43(2):87-90.

[10] 張文軍.基于熱泵的排風(fēng)熱回收系統(tǒng)實驗研究[J].鐵道工程學(xué)報,2014,31(6):114-117.

Study on the Effect of Heat Recovery Efficiency on the Performance of Exhaust Heat Recovery Heat Pump

Shi Fenghao Lu Jun

( Chongqing university, Chongqing, 400045 )

Exhaust air heat recovery heat pump is extended to the Nordic countries because it has the advantages of compact structure and energy conservation. Exhaust air heat recovery heat pump is divided into single stage and double stage heat recovery heat pump. Heat recovery plant as an important part of the double stage heat recovery heat pump, its heat recovery efficiency affects the performance of the whole heat pump system. The operational aspect of double heat recovery heat pump in Chong Qing during wintertime was simulated by TRNSYS in this paper, and it was compared with conventional air source heat pump and single stage heat recovery heat pump. The result showed that the COP of the double stage heat recovery heat pump unit decreased with the increase of heat recovery efficiency an it was between the COP of single stage heat recovery heat pump and conventional air source heat pump unit. But the COP of the double stage heat recovery heat pump system increased with the increase of heat recovery efficiency. When the heat recovery efficiency is 0.6, the COP of the double stage heat recovery heat pump system is 5.262, and it respectively increased 31.29% and 83.22% than single stage heat recovery heat pump and conventional air source heat pump unit.

Heat recovery heat pump; Double stage heat recovery; Heat recovery efficiency; The coefficient of performance

TU831.7

A

1671-6612（2020）01-006-04

石峰豪（1995.01-），男，在讀碩士研究生，E-mail：1964951277@qq.com

盧 軍（1966.10-），男，博士，教授，E-mail：1181367768@qq.com

2019-06-11