预冷式热回收新风除湿机组性能的实验研究

孙银，张春路

（1-同济大学机械与能源工程学院制冷与低温工程研究所，上海 201804；2-靖江市产品质量综合检验检测中心，江苏靖江 214500）

0 引言

现代经济的发展使人们对室内空气品质的要求也越来越高，但是建筑物的密闭性随着技术的发展也越来越高，想要通过渗透新风改变室内空气品质这个方法已不可行，所以现代建筑开始引入空调新风系统，同时增加了排风系统[1-2]。然而，新风引入的同时也增加了空调能耗，同时排风直接排出至室外，浪费了排风中的冷（热）量。如果能充分利用排风中的冷（热）量来处理新风，将会有效降低处理新风的能耗[3]。ANSI/ASHRAE/IESNA 90.1-2007[4]和GB 50189-2015公共建筑节能设计标准[5]规定了对于设有集中排风的空调系统，在技术经济比较合理时使用排风热回收装置。目前热回收装置主要有以下5种[6-15]：转轮式热回收、板翅式热回收、热管式热回收、热泵式热回收、溶液吸收式热回收。

一种合理的方案是室内排风用以冷却除湿机冷凝器，回收排风中的冷量，机组可以在较低的冷凝温度下工作，提高机组性能系数，其原理如图1所示。除湿工况下，室内低温排风经过2#冷凝器，回收排风中的冷量。新风先经过板翅式热回收装置被处理后的新风预冷除湿，再经过2#蒸发器进一步降温除湿，再经过1#蒸发器深度除湿，最后通过板翅式热回收装置被加热。新风流路上设置了旁通风口并设置了风量调节阀，用以满足机组在运行中对空气不同状态参数的需要。在此过程中新风流路和排风流路是两个独立的空气流路，互不干扰，所以空气不存在交叉污染的现象。本文设计了一台实验样机，通过对实验样机的测试并分析测试数据，用以分析不同旁通风量对机组制冷量、能效比、单位输入功率除湿量等重要参数的影响。

图1 预冷式热回收新风除湿机组原理示意图

1 实验样机和实验内容

1.1 预冷式热回收新风除湿机的组成

如图1所示，预冷式热回收新风除湿机的组成主要是由压缩机、冷凝器、蒸发器、板翅式显热回收装置、电子膨胀阀、风机和辅助配件等组成。

机组设置了两台蒸发器，1#蒸发器设计风量为3,000 m3/h，蒸发器采用铜管套铝片，铜管直径为9.52 mm，管间距为25 mm，排间距为22 mm，有效长为670 mm，管排数为8排，每排20孔，翅片间距为2.1 mm，翅片厚度为0.11 mm。2#蒸发器设计风量为3,000 m3/h，蒸发器采用铜管套铝片，铜管直径为9.52 mm，管间距为25 mm，排间距为22 mm，有效长为670 mm，管排数为4排，每排20孔，翅片间距为2.1 mm，翅片厚度为0.11 mm。

机组设置了一台水冷式冷凝器和一台风冷式冷凝器。水冷冷凝器采用板式冷凝器，设计冷凝温度40 ℃，进水温度30 ℃，出水温度35 ℃，冷却水流量6.2 m3/h。风冷冷凝器设计风量为2,700 m3/h，采用铜管套铝片，铜管直径为9.52 mm，管间距为25 mm，排间距为22 mm，有效长为670 mm，管排数为8排，每排20孔，翅片间距为2.1 mm，翅片厚度为0.11 mm。

板翅式显热回收装置采用亲水铝箔制成单元体；单元体的波纹板交叉叠积，并用胶使其峰谷与隔板粘结而成，两股气流呈交叉形流过换热器。其中波状翅片既起辅助传热的作用，又起支撑和导流作用。

1.2 实验内容

本次实验的主要目的是为了研究机组在相同的进口空气状态下，不同的旁通风量对机组性能的影响，实验设定新风参数为35 ℃/28 ℃，排风参数为27 ℃/19.5 ℃。实验在标准焓差室内完成，如图2，实验室包括室内侧和室外侧两个环境模拟间及测量和控制系统等，测试过程中所有测试参数均通过自动采集保存至计算机中，并由预先设置的算法进行计算并输出。图3为实验室测试的样机，表1为主要仪表的测量精度。

图2 实验室原理图

图3 测试样机

表1 主要仪表精度

2 实验结果与分析

在保持室内排风风量为2,700 m3/h，排风参数为27 ℃/19.5 ℃，新风风量保持3,000 m3/h，新风参数为35 ℃/28 ℃，改变新风通过板翅式显热回收装置的风量，通过对样机的压缩机排气温度、排气压力、吸气温度、吸气压力、制冷量、输入功率、单位功率除湿量、能效比等参数的变化，研究机组在改变旁通风量时的运行性能。实验结果如图4～图8所示。

随着通过板翅式显热回收装置的新风量的减少，换热量减少，进入蒸发器的空气温度上升，导致蒸发器中的制冷剂压力升高，进而使得压缩机吸气温度和吸气压力升高，这从图4和图5中曲线的变化趋势可以看出。如图4所示，随着旁通风量从0增加至3,000 m3/h，压缩机吸气温度从0.7 ℃上升到5.2 ℃，吸气压力从500.2 kPa上升至578.5 kPa。

图4 压缩机排气、吸气温度变化趋势

图5 压缩机排气、吸气压力变化趋势

从图6中可以看出，随着旁通风量从0增加至3,000 m3/h，制冷量和输入功率都增加，制冷量从34,957 W上升至40,564 W，上升了16.0%，主要是因为，本文采用的测试方法是空气焓差法，随着旁通风量的增加，通过板翅式热回收装置的空气流量降低，使得处理后的新风与室外未处理新风的换热量下降，出口空气的温度从29.84 ℃降低至17.57 ℃，出口空气焓值从53.17 kJ/kg降低至48.74 kJ/kg，进出口空气焓差增大，制冷量也随之增大。机组输入功率从9,538 W上升至9,900 W，上升了3.8%。

图6 制冷量与输入功率变化趋势

图7表明，随着旁通风量从0增加至3,000 m3/h，出口空气的干球温度从29.84 ℃降低至17.57 ℃，但是出口空气的露点温度却从12.45 ℃上升至17.07 ℃，主要是由于随着旁通风量的增加，进入蒸发器的空气温度会升高，制冷系统增加了一部分的显热负荷，使得去除的潜热负荷降低，空气含湿量增加，空气露点温度也会随之上升。另外由于通过板翅式热回收装置的室外新风流量的降低，换热量下降，导致出口空气的温度降低。

图7 出口空气干球温度和露点温度变化趋势

图8表明，随着旁通风量从0增加至3,000 m3/h，单位输入功率除湿量会随着旁通风量的增加而降低，这是由于室外新风通过板翅式热回收装置回收了处理后新风中的冷量，用于冷却室外新风，低干球温度高相对湿度的空气通过蒸发器，机组大部分冷量用于去除空气中的潜热负荷，降低空气含湿量，除湿量增大。从名义工况数据反应，室外新风全部通过热回收装置和不通过热回收装置，单位输入功率除湿量从3.23 kg/(h⋅kW)上升至4.39 kg/(h⋅kW)，增大了35.8%。

图8 机组能效比与单位输入功率除湿量变化趋势

在温湿度独立控制系统中，新风的主要目的是去除室内的湿负荷，而不是用来控制室内温度的，因此理论上来说新风出口温度的高低不需要由室内温度的变化而发生改变。但是新风出口温度也不应过低，如果过低并低于室内空气露点温度，就会发生结露现象，另外由于送风温度变低风口空气的扩散性变差，会形成局部过冷的现象，对室内人员产生不适感，因此新风出口温度不宜过低。就本文系统来说，按名义工况新风出口温度在17.57 ℃～29.84 ℃，出口含湿量在0.00904 (kg/kg(a))～0.01224 (kg/kg(a))。如按室内空气状态参数干球27 ℃、湿球19.5 ℃，此时室内空气的含湿量为0.01117 (kg/kg(a))，如若新风出口的空气含湿量比此值大，新风就不能去除室内湿负荷，还会给室内增加湿负荷。如若新风出口空气干球温度大于27 ℃，室内空调器不仅要承担室内的显热负荷，还需要承担一部分新风的显热负荷。因此实际旁通风量的大小应取决于房间内湿负荷的大小和外界环境参数。

3 结论

本文在对预冷式热回收新风除湿机进行了性能测试，得出以下结论：

1）当压缩机吸气温度过低时，通过旁通一部分新风不经过热回收装置可提高压缩机吸气温度，改善机组的运行工况，提高机组运行稳定性；

2）改变旁通风量的大小对机组出口温度影响很大，在名义工况时，机组无旁通风量时出口温度为29.84 ℃，机组全旁通时，即所有的新风均不经过热回收装置，此时出口温度为17.57 ℃。

[1]康艳兵. 建筑节能的挑战与机遇[J]. 环境经济, 2005,2(11): 16-20.

[2]刘宇宁, 李永振. 不同地区采用排风热回收装置的节能效果和经济性探讨[J]. 暖通空调, 2008, 38(9): 15-19.

[3]江亿. 我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J]. 暖通空调, 2005, 35(5): 30-40.

[4]ASHRAE. Energy Efficient Design of New Buildings Except Low-Rise Residential Buildings: ANSI/ASHRAE/IESNA 90.1-2007[S]. USA: ASHRAE Inc.,2007.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部. 公共建筑节能设计标准: GB 50189-2015[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.

[6]陆耀庆. 实用供热空调设计手册[M]. 2版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

[7]邓翰云. 节能健康的独立式新风系统——能量回收装置简介(一)[J]. 制冷技术, 2003, 23(3): 60-61.

[8]温新华. 空气热回收装置的分类与应用[J]. 建筑节能,2011, 39(1): 9-12.

[9]罗绒, 黄翔, 罗柏青, 等. 转轮式两级蒸发冷却空调的运行费用分析[J]. 制冷技术, 2012, 32(3): 54-57.

[10]蔡思维, 邵亮亮, 张春路, 等. 排风热回收对地铁空调机组性能提升的仿真分析[J]. 制冷技术, 2016, 36(2):52-56.

[11]徐伟. 应用于新排风系统的热泵热回收装置的研究[J].制冷技术, 1996, 16(4): 13-16.

[12]刘云祥. 排风热回收系统应用的探讨[J]. 暖通空调,2012, 42(7): 72-77.

[13]段飞, 廖胜明, 曹小林. 居住建筑夜间排风热回收运行性能[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2015, 46(3):1110-1117.

[14]袁旭东, 柯莹, 王鑫. 空调系统排风热回收的节能性分析[J]. 制冷与空调, 2007, 7(1): 76-81.

[15]杨开篇, 刁彦华, 赵耀华, 等. 热管式通风换热器热回收的实验研究[J]. 化学工程, 2009, 37(7): 17-20.