复合型新风热回收系统初探及其对室内热湿环境的影响研究

严卫东， 童 矗， 韩 旭， 张雨潇

（1.江苏经贸学院，江苏 南京 211100；2.解放军理工大学，江苏 南京 210007）

复合型新风热回收系统初探及其对室内热湿环境的影响研究

严卫东1， 童 矗2， 韩 旭2， 张雨潇2

（1.江苏经贸学院，江苏 南京 211100；2.解放军理工大学，江苏 南京 210007）

目前新风热回收系统的能量回收率在50%-60%，夏季新风送入温度高于室内，冬季新风送入温度低于室内，干扰室内热环境的稳定性。为此，提出一种将转轮与热泵相结合的复合型新风热回收系统，并对该系统夏季工况下的基本性能进行测试。结果表明：与转轮单独运行模式相比，转轮与热泵联合运行模式下，室内排风与室外新风经转轮热交换后，冷凝器冷凝负荷降低，压缩机能耗减小，新风经转轮冷回收后，新风负荷大大降低，节能效益显著，并能有效降低新风送入温度，达到送风设计要求。两种运行模式下新风送风湿度与室内湿度相差都不大，对于室内湿度要求不高的空调房间来说，两种运行模式都具有可靠性；复合型新风热回收系统热回收能量与设备能耗之比较单独的转轮热回收系统要高，且受室内排风温湿度影响较小，具有很大的节能效益。

复合型； 新风； 热回收； 转轮； 热泵

0 引言

目前，对新风热回收的研究颇多，主要集中在新风热回收的形式、效率影响因素、传热传质数学模型、节能分析及应用等方面。如钟珂等[1]通过实验研究了热湿交换材料特性、通道长度和运行工况等因素对全热交换器热回收效率的影响；张寅平等[2]通过模拟分析了板翅式全热交换器交换膜的热质交换过程；杨开篇等[3]通过实验研究了热管式换热器在不同风量和新、排风温差条件下的热回收效率，以及新、排风的压力

损失随风速的变化情况；杨光[4]

针对住宅空调节能，设计开发了整体式热管热回收器，并通过实验研究了全热回收器的节能性；腊栋等[5-8]分别从不同方面研究了转轮热回收效率的影响因素；丁云飞等[9-12]分别建立了热回收转轮传热传质数学模型，并通过实验检验了模型的正确性；鲍华等[13]-[15]研究了热回收转轮在不同地区、不同场所的应用，并分析了其节能效果和潜力。

然而新风热回收形式的研究以单一技术为主要特征，如转轮式、板翅式、热管式等；且不同形式热回收技术的排风能量利用率低，且热回收后的新风入室参数偏离室内空气参数，对室内热湿环境扰动较大。针对以上研究的不足，提出将转轮热回收技术与热泵技术相结合，研究一种复合型新风热回收系统，并通过试验测试，研究其对室内湿热环境的影响。

图1 系统内部结构图

1 系统设计

空气-空气换热型新风空调机工作时，蒸发温度与冷凝温度均为室外空气温度，蒸发压力与冷凝压力均高，制冷效率偏低。该系统增加转轮后，大幅降低制冷负荷，缩小制冷压缩机选型负担，同时降低蒸发温度，降低蒸发压力。

1.1 系统内部结构

系统内部结构设计如图1所示。

1.2 工作原理

1.2.1 夏（冬）季工况

室外新风首先经过粗效过滤器（6）和中高效过滤器（7）进行净化处理；净化处理后的新风通过热回收转轮（3）进行热湿交换；热湿交换后的新风经过换热器（8）进行冷却减湿处理；加湿器（9）不工作；最后通过送风机（10）向房间送风。室内回风首先经过热回收转轮（3）进行热湿交换；热湿交换后的回风与换热器（2）的制冷剂进行热交换；最后通过排风机（1）排至室外。

夏季热泵系统开启制冷工况，制冷剂首先通过压缩机（5）和四通换向阀（4）排至换热器（2）与热湿交换后的回风进行热交换，对制冷剂进行降温处理；降温处理后的制冷剂经节流进入换热器（8）与热湿交换后的新风进行热交换；制冷剂蒸发后进四通换向阀（4）回到压缩机（5），完成制冷循环。

冬季热泵系统开启制热工况，制冷剂首先通过压缩机（5）和四通换向阀（4）排至换热器（8），热湿交换后的新风与制冷剂进行热交换，对制冷剂进行降温处理；降温处理后的制冷剂经节流进入换热器（2）与热湿交换后的回风进行热交换；制冷剂蒸发后进四通换向阀（4）回到压缩机（5），完成热泵循环。

1.2.2 过渡季节

过渡季节，热泵系统和转轮不工作，新风经过粗效过滤器（6）和中高效过滤器（7）进行净化处理，由送风机（10）向房间送风，回风由排风机（1）排至室外。

1.3 系统性能实验的实验台设计参数

按南京地区夏季室外工况对压缩机进行选型设计，南京地区夏季室外空调设计干球为34.8℃，湿球温度28.1℃；系统空气体积流量设计为800m3/h。热泵系统各系统设计参数见表1。

表1 系统主要性能参数

2 试验测试与结果分析

2.1 测试依据和方案

根据《空气-空气能量回收装置》（GB/T 21087-2007）规定，系统的性能测试名义工况见表2。

该复合型新风热回收系统采用热泵和转轮两种热回收形式，实验通过改变不同室内排风温湿度参数，在两种不同运行模式下进行测试：1）转轮单独运行；2）热泵、转轮联合运行。试验主要以测试该系统夏季工况下的热回收性能，来比较两种运行模式下的排风热回收效率及其对室内热湿环境的影响。

室内利用恒温恒湿实验室，模拟12种不同的室内排风工况测试系统对新风送风温湿度的影响，见表3。

2.2 测试方法

试验通过恒温恒湿机组来控制1个小室的温湿度，模拟室内排风参数；新风直接引入室外新风，利用南京市夏季高温时段自然工况进行测试，室外温度控制在35℃左右，相对湿度未做严格控制，新风参数与测试名义工况参数误差控制在±2℃。系统机组放置在实验室内，新风侧用风管从室外引进新风，排风侧通过风管与模拟室内温湿度的小室相连，试验台系统图如图2所示。

表2 空气-空气能量回收装置测试名义工况

表3 试验工况

图2 试验台系统图

3 测试结果与分析

3.1 复合系统对新风送风温度的影响

图3表示转轮运行模式下改变室内排风参数对新风送风温度的影响，图4表示转轮、热泵联合运行模式下改变室内排风参数对新风送风温度的影响。

由图3a）可知，测试范围内，转轮运行模式下，室内排风相对湿度对新风送风温度影响很小；室内排风温度每升高3℃，新风送风温度也相应升高2℃左右。由图3b）可知，新风送风温度均高于室内温度，且随室内排风温度的升高，新风送风温度与室内温度差值逐渐减小，由室内排风温度为24℃时的2.2℃减小到室内排风温度为30℃时的1℃。可见，随室内排风温度的提高，新风送风温度逐渐趋近于室内温度。

图3 转轮运行模式下改变室内排风参数对新风送风温度的影响a）新风送风温度变化 b）送排风温差变化

图4 转轮、热泵联合运行模式下改变室内排风参数对新风送风温度的影响a）新风送风温度变化 b）送排风温差变化

由图4a）可知，转轮、热泵联合运行模式下，随室内排风相对湿度的提高，新风送风温度有所上升，在相对湿度由55%提高为60%时上升幅度最大；室内排风温度每升高3℃，新风送风温度也相应升高2℃左右。由图4b）可知，新风送风温度均比室内温度低7℃左右。因此，与转轮单独运行模式相比，联合运行模式下能够有效调控新风送风温度，解决室内热环境的扰动问题，且能够承担室内部分热负荷，减少室内空调运行能耗。

3.2 复合系统对新风送风湿度的影响

图5表示在不同运行模式、不同室内排风参数下，新风送风含湿量与室内排风含湿量的对比变化图。

由图5a）可知，测试范围内，转轮运行模式，不同室内排风参数下，新风送风含湿量都普遍稍高于室内排风含湿量，因此，单独转轮系统对室内湿负荷有一定的扰动。由图5b）可知，测试范围内，转轮、热泵联合运行模式，不同室内排风参数下，新风送风含湿量都相近或低于室内排风含湿量，对室内湿负荷影响较小，在某些工况下能够承担室内部分湿负荷。由图5可知，两种运行模式下新风送风湿度与室内湿度相差都不大，对于室内湿度要求不高的空调房间来说，两种运行模式都具有可靠性；这是由于新风湿负荷主要由转轮承担，而转轮后的换热器（蒸发器）所承担的湿负荷较小。

3.3 系统节能性分析

图5 不同运行模式下改变室内排风参数对新风送风湿度的影响a）转轮运行模式 b）转轮、热泵联合运行模式

与转轮单独运行模式相比，转轮与热泵联合运行模式下，室内排风与室外新风经转轮热交换后，冷凝器冷凝负荷降低，压缩机能耗减小，新风经转轮冷回收后，新风负荷大大降低，节能效益显著，并能有效降低新风送入温度，达到送风设计要求。

复合系统联合运行模式下的能耗主要考虑转轮系统能耗（包括转轮和风机能耗）、热泵系统能耗（压缩机），转轮单独运行模式下只考虑转轮系统能耗（包括转轮和风机能耗）。排风回收能量Eh计算式如下:

图6 不同运行模式下排风回收能量与设备能耗的对比a）转轮运行模式 b）转轮、热泵联合运行模式

式中 Gp—排风空气质量流量，kg/s；

h1—室内排风空气焓值，kJ/kg；

h2—室外排风空气焓值，kJ/kg。

图6为不同运行模式下排风回收能量与设备能耗的对比柱状图。由图6a）可知，转轮运行模式下，转轮回收能量与设备能耗之比最高达到3.5，且受室内排风温湿度的影响较大，由室内排风温度24℃时的3.5降为室内排风温度30℃的1.6。而由图6b）可知，联合运行模式下，系统回收能量与设备能耗之比最高达到3.6，最低为2.5，受室内排风温湿度影响较转轮单独运行模式下要小。可见，复合型新风热回收系统热回收能量与设备能耗之比较单独的转轮热回收系统要高，且受室内排风温湿度影响较小，具有很大的节能潜力和可行性。

4 结语

（1）复合系统转轮单独运行模式下，新风送风温度普遍高于室内设计温度，达不到设计要求，热回收率低；复合系统联合运行模式下，室内排风与室外新风经转轮热交换后，冷凝器冷凝负荷降低，压缩机能耗减小，新风经转轮冷回收后，新风负荷大大降低，新风送风温度普遍比室内温度低7℃左右，新风送风可以适当承担室内部分热负荷，减少室内空调运行能耗，节能效益显著；

（2）由于新风湿负荷主要由转轮承担，而转轮后的换热器（蒸发器）所承担的湿负荷较小，两种运行模式下新风送风湿度与室内湿度相差都不大，对于室内湿度要求不高的空调房间来说，两种运行模式都具有可靠性；

（3）复合型新风热回收系统热回收能量较单独的转轮热回收系统要高，且复合型新风热回收系统热回收能量与设备能耗之比较单独的转轮热回收系统也要高，且受室内排风温湿度影响较小，具有很大的节能效益；

（4）复合新风热回收系统可以通过调节热泵系统来准确控制新风入室参数，对如何根据不同建筑进行系统选型和新风与室内热湿环境精确调控还有待进一步研究，本文对设计者有一定的参考意义。

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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

严卫东（1966-），男，江苏南通人，本科，副教授，副院长，访问学者，研究方向：制冷与空调技术。

2017-07-13

修回日期：2017-08-25