一種基于四換熱器構(gòu)型的整體式熱泵熱回收型新風(fēng)除濕機(jī)

阿曼古麗·開恩斯 成家豪 曹 祥 張春路 朱建華

(1 同濟(jì)大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 201804；2 浙江歆風(fēng)空調(diào)有限公司 嘉興 314000)

隨著人們家居條件的日益改善，室內(nèi)空氣品質(zhì)問題備受關(guān)注，越來越多的建筑引入了新風(fēng)除濕系統(tǒng)[1]。新風(fēng)除濕系統(tǒng)是改善空氣質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備[2-3]，一方面將新鮮空氣通過過濾殺菌后排除室內(nèi)污濁的空氣，另一方面可將經(jīng)熱濕處理的新風(fēng)送入房間[4]。

基于蒸氣壓縮式熱泵原理[5-6]的冷卻除濕型[7]新風(fēng)機(jī)，因維護(hù)簡單、運(yùn)行可靠及初投資較低的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于住宅建筑中。該類型的新風(fēng)機(jī)按結(jié)構(gòu)形式可分為分體式[8]和整體式[9]，其中，分體式新風(fēng)機(jī)組換熱器面積大、除濕效率高，但安裝復(fù)雜；整體式新風(fēng)機(jī)組[10]因結(jié)構(gòu)緊湊，安裝便利等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，但緊湊的整體式新風(fēng)除濕熱泵存在傳熱面積受限、空氣流動阻力大、除濕能力不足、能效偏低等問題。因此，如何在緊湊結(jié)構(gòu)的約束下提升系統(tǒng)的除濕能力和能效成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。熱回收技術(shù)[11-13]為解決該類問題提供了方案，可采用雙風(fēng)道系統(tǒng)[14-16]，回收回風(fēng)冷能用于熱泵散熱，避免制冷劑冷凝熱進(jìn)入室內(nèi)，降低了系統(tǒng)功耗。F. Fucci等[17]采用全熱交換器，回收回風(fēng)冷能預(yù)冷新風(fēng)，使蒸發(fā)器換熱中無用顯熱的占比減少。Cao Xiang等[18]提出采用三換熱器構(gòu)型的新風(fēng)除濕系統(tǒng)，通過回收回風(fēng)過冷熱和混風(fēng)冷凝熱，提升了除濕能效。上述方法在一定程度上改善了系統(tǒng)能效，但仍存在送風(fēng)溫度較低、運(yùn)行模式有限等缺陷。

本文在三換熱器構(gòu)型的基礎(chǔ)上提出一種基于四換熱器構(gòu)型的熱泵熱回收型新風(fēng)除濕系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)夏季制冷除濕、冬季制熱、過渡季節(jié)內(nèi)循環(huán)等多種運(yùn)行模式，滿足各種應(yīng)用場景下的新風(fēng)除濕需求，同時進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的除濕能力和能效。

1 系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)單風(fēng)道新風(fēng)除濕系統(tǒng)運(yùn)行時，制冷劑冷凝熱和回風(fēng)直接排至室外，造成冷能損失，系統(tǒng)能效較低，難以達(dá)到9.5 g/(kg干空氣)的送風(fēng)含濕量要求。而采用雙風(fēng)道的二換熱器系統(tǒng)[15]，在制冷工況下，送風(fēng)側(cè)，蒸發(fā)器吸收新風(fēng)中的熱量，將低溫空氣送入室內(nèi)。排風(fēng)側(cè)，室內(nèi)回風(fēng)經(jīng)過冷凝器，帶走少部分冷凝熱。二換熱器系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

DB干球溫度；WB濕球溫度。

三換熱器構(gòu)型的新風(fēng)除濕系統(tǒng)[18]，在制冷工況下，送風(fēng)側(cè)，吸入的新風(fēng)一部分通過蒸發(fā)器降溫除濕送入室內(nèi)，另一部新風(fēng)從風(fēng)口進(jìn)入排風(fēng)通道。排風(fēng)側(cè)，室內(nèi)回風(fēng)先經(jīng)過過冷盤管，再與新風(fēng)混合，共同經(jīng)過冷凝器，帶走冷凝熱。三換熱器系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 三換熱器構(gòu)型的系統(tǒng)

本文提出的四換熱器系統(tǒng)(表1圖示)由風(fēng)路和制冷劑環(huán)路構(gòu)成：1)風(fēng)路包括送風(fēng)和回風(fēng)風(fēng)道，送風(fēng)風(fēng)道設(shè)有新風(fēng)和送風(fēng)風(fēng)口，回風(fēng)風(fēng)道設(shè)有回風(fēng)和排風(fēng)風(fēng)口，送風(fēng)和回風(fēng)風(fēng)道間設(shè)有將二者連通的混風(fēng)風(fēng)門，各風(fēng)口均設(shè)置伺服驅(qū)動的風(fēng)門。2)制冷劑環(huán)路由壓縮機(jī)、四通換向閥、排風(fēng)風(fēng)管、過冷盤管、第一膨脹閥、再熱盤管、第二膨脹閥、送風(fēng)盤管順次連接而成。再熱盤管前后分別設(shè)置膨脹閥，用于不同模式間的切換。制冷劑環(huán)路中還設(shè)置旁通支路，采用可調(diào)三通閥調(diào)節(jié)進(jìn)入再熱盤管制冷劑的狀態(tài)，滿足夏季制冷除濕下不同負(fù)荷的需求。

通過調(diào)節(jié)風(fēng)門和閥件，該系統(tǒng)具有不同運(yùn)行模式，如表1所示。

表1 四換熱器系統(tǒng)各模式運(yùn)行原理

2 仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)四換熱器構(gòu)型系統(tǒng)的運(yùn)行原理，在制冷空調(diào)系統(tǒng)通用仿真平臺GREATLAB[19]中建立的新風(fēng)除濕機(jī)組的部件及系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3 基于GREATLAB的系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)國標(biāo)GB/T 40397—2021《戶式新風(fēng)除濕機(jī)》[20]中對新風(fēng)除濕機(jī)組送風(fēng)狀態(tài)的要求，并基于GREATLAB仿真模型完成了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。各部件選型及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 部件選型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 模型驗(yàn)證

基于仿真設(shè)計(jì)，制作完成四換熱器新風(fēng)除濕樣機(jī)并投入現(xiàn)場測試運(yùn)行。以風(fēng)量300 m3/h為例，樣機(jī)如圖4所示，由風(fēng)路和制冷劑環(huán)路構(gòu)成。風(fēng)路包括新風(fēng)、送風(fēng)、回風(fēng)、排風(fēng)和混風(fēng)5個風(fēng)口。制冷劑環(huán)路主要包括4個盤管和壓縮機(jī)等部件。

圖4 四換熱器新風(fēng)除濕機(jī)樣機(jī)

實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，制冷/熱量測量的不確定度為±5%。利用熱電偶、壓力傳感器及溫濕度傳感器測量制冷側(cè)和空氣側(cè)的測點(diǎn)。各測點(diǎn)所用測量儀表的精度如表3所示。

表3 測點(diǎn)類型及儀表精度

根據(jù)新國標(biāo)[20]的規(guī)定，測得各運(yùn)行模式下樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并按下式計(jì)算得到機(jī)組的性能參數(shù)。樣機(jī)實(shí)測性能和仿真結(jié)果對比如表4所示。由表4可知，對于送風(fēng)溫度、除濕量、總功耗等性能參數(shù)，仿真誤差不超過±5%，從而驗(yàn)證了GREATLAB仿真平臺的仿真精度。

表4 樣機(jī)模擬和實(shí)測數(shù)據(jù)的對比

制冷/制熱量：

Qa=ρiL(h2-h1)

(1)

式中：Qa為機(jī)組空氣測的換熱量，kW；h1、h2分別為機(jī)組新風(fēng)、送風(fēng)焓值，kJ/(kg干空氣)；ρi為噴嘴處空氣密度，kg/m3；L為噴嘴的風(fēng)量，m3/s。

除濕量：

G=3.6ρiL(d2-d1)

(2)

式中：G為實(shí)測的除濕量理論計(jì)算值，kg/h；d1、d2分別為機(jī)組新風(fēng)、送風(fēng)含濕量，g/(kg干空氣)。

單位能耗除濕量SMER(kg/(kW·h))：

SMER=G/W

(3)

式中：W為系統(tǒng)總功耗，包括風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的功耗，kW。

機(jī)組COP：

COP=Qa/W

(4)

4 性能分析

本文在新國標(biāo)規(guī)定[20]的名義制冷工況下(室外35/28 ℃,室內(nèi)27/19.5 ℃)，對二換熱器、三換熱器和四換熱器構(gòu)型的新風(fēng)除濕系統(tǒng)的效率進(jìn)行了綜合對比，為保證結(jié)果的合理性，各構(gòu)型系統(tǒng)在排風(fēng)風(fēng)道使用相同的總傳熱面積，結(jié)果如表5所示。由表5可知，二換熱器系統(tǒng)的冷凝溫度已經(jīng)超過壓縮機(jī)允許最高冷凝溫度(65 ℃)，難以通過升高壓縮機(jī)頻率進(jìn)一步降低送風(fēng)含濕量至9.5 g/(kg干空氣)。且二換熱器系統(tǒng)的SMER僅為1.32 kg/(kW·h)，而三換熱器系統(tǒng)的SMER為2.12 kg/(kW·h)，相比二換熱器系統(tǒng)提升37.7%，這是因?yàn)槿龘Q熱器系統(tǒng)通過回收回風(fēng)過冷熱和混風(fēng)冷凝熱，使系統(tǒng)過冷度增大，制冷量升高，同時降低了冷凝溫度，從而提升了整個制冷循環(huán)的除濕能效。但三換熱器系統(tǒng)的送風(fēng)溫度較低，為13.8 ℃，不能滿足新國標(biāo)中送風(fēng)溫度大于22 ℃的要求。四換熱器系統(tǒng)的SMER為3.27 kg/(kW·h)，相比三換熱器系統(tǒng)提升了35.2%，相比二換熱器系統(tǒng)提升了59.6%，這是因?yàn)樗膿Q熱器系統(tǒng)進(jìn)一步回收了新風(fēng)再熱過程的冷能和低溫冷凝熱，降低了冷凝溫度，提升了系統(tǒng)除濕能力。此外，因四換熱器系統(tǒng)增加了再熱盤管，使送風(fēng)溫度提升，解決了三換熱器送風(fēng)溫度不能滿足新國標(biāo)要求的問題。

表5 不同構(gòu)型機(jī)組性能對比

從經(jīng)濟(jì)性角度，四換熱器系統(tǒng)比二、三換熱器系統(tǒng)傳熱面積增加約14%，而換熱器約占系統(tǒng)總材料成本的20%，則總材料成本僅增加約3%。從控制復(fù)雜性角度，由于四換熱器系統(tǒng)的制冷劑側(cè)依然是一個單回路制冷系統(tǒng)，空氣側(cè)也僅增加了風(fēng)門等少量部件，所以控制硬件并不復(fù)雜?？刂扑惴ǖ膶?shí)際調(diào)試表明控制效果良好。

本文還對各構(gòu)型系統(tǒng)在變工況下的性能進(jìn)行了對比。在各構(gòu)型機(jī)組送風(fēng)風(fēng)量為300 m3/h，室內(nèi)干球溫度為27 ℃，室內(nèi)濕球溫度為19.5 ℃，室外相對濕度為60%的工況下，保持送風(fēng)含濕量為13.8 g/(kg干空氣)，仿真計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示?？芍诔凉褙?fù)荷較小的情況下，二換熱器系統(tǒng)的性能較三換熱器系統(tǒng)和四換熱器系統(tǒng)更好。但隨著室外除濕負(fù)荷的增加，三換熱器系統(tǒng)和四換熱器系統(tǒng)的性能優(yōu)勢逐漸顯著，其除濕能效遠(yuǎn)高于二換熱器系統(tǒng)。原因是三換熱器系統(tǒng)和四換熱器系統(tǒng)充分回收了回風(fēng)過冷熱和混風(fēng)冷凝熱，具備更好的散熱條件，所以這兩種系統(tǒng)在較高的除濕負(fù)荷下性能更佳，而二換熱器系統(tǒng)在較低的除濕負(fù)荷下表現(xiàn)更好。在極端情況下，新風(fēng)無除濕負(fù)荷，系統(tǒng)冷凝溫度較低，無需混風(fēng)。此時，應(yīng)關(guān)閉三換熱器系統(tǒng)和四換熱器系統(tǒng)的混風(fēng)風(fēng)門，降低排風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以提升系統(tǒng)能效。

圖5 不同工況下系統(tǒng)制冷COP的對比

圖6 不同工況下系統(tǒng)SMER的對比

在加熱模式下，保持室內(nèi)干球溫度為21 ℃，室內(nèi)濕球溫度為13 ℃，仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示?？芍?，四換熱器系統(tǒng)具有良好的制熱性能。當(dāng)室外溫度較低、送風(fēng)溫度較高時會導(dǎo)致較高的熱負(fù)荷，熱負(fù)荷的增加會降低蒸發(fā)溫度，從而使系統(tǒng)性能下降，結(jié)霜風(fēng)險(圖7陰影區(qū))上升。因此，在冬季氣候不是很寒冷的地區(qū)(如上海)，只要保持送風(fēng)溫度低于35 ℃，即可有效避免結(jié)霜問題。

圖7 不同工況下系統(tǒng)制熱COP的對比

5 結(jié)論

本文提出一種基于四換熱器構(gòu)型的熱泵熱回收型新風(fēng)除濕系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能通過全面回收內(nèi)外部冷能，提升系統(tǒng)的除濕能力和能效，同時滿足新國標(biāo)中對送風(fēng)溫度和送風(fēng)含濕量的要求。又能通過流路轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)夏季制冷除濕、冬季制熱、過渡季節(jié)內(nèi)循環(huán)等多種運(yùn)行模式，滿足各種應(yīng)用場景下的新風(fēng)除濕需求。經(jīng)樣機(jī)測試驗(yàn)證和仿真對比分析，得到如下結(jié)論：

1)四換熱器構(gòu)型的新風(fēng)除濕系統(tǒng)仿真與樣機(jī)測試結(jié)果吻合良好，關(guān)鍵性能參數(shù)的誤差在±5%以內(nèi)。

2)四換熱器構(gòu)型的新風(fēng)除濕系統(tǒng)在名義制冷工況下除濕能效SMER達(dá)3.27 kg/(kW·h)，相比三換熱器構(gòu)型提升35.2%，相比二換熱器構(gòu)型提升59.6%；在變工況下，隨著室外除濕負(fù)荷的增加，四換熱器構(gòu)型的系統(tǒng)能效優(yōu)于二換熱器和三換熱器構(gòu)型的系統(tǒng)。