新型混风热泵热回收新风机性能分析

卢玥明，常萌萌，孙钊，邵亮亮，张春路

（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）

0 引言

随着人民生活水平日渐提高，对空气品质的要求也越来越高，因此现代许多建筑开始引入新风空调系统，来改进室内空气品质。据统计，新风负荷已经占空调总负荷的30%以上，供暖季节更是高达60%，其中新风湿负荷占建筑总湿负荷的68%[1-3]。直接蒸发制冷或热泵制热系统运行时，排风不经过任何处理便直接排到了室外，浪费了大量的冷热量。将建筑排出的冷（热）量转移到需要冷（热）量的地方，可以减少能源的浪费[4-7]。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[8-10]。所以《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）[11]提出应该在空调系统中采用排风热回收技术。

排风热回收技术常用的装置主要有平板式、热管式、板翅式、溶液吸收式、液体循环式、转轮式等形式[6,12-13]。其中平板式、热管式、液体循环式只能回收显热部分。在全热回收装置中，转轮式换热器可以适应不同的室外气温，但是存在空气的交叉污染。板翅式换热器与板式显热换热器相似，都是通过水蒸汽的分压力差进行传热和传质交换，热回收效率会低于转轮式热交换器[14]。

热泵式排风全热回收是一种新型的有源热回收技术，它使用有限的电能，通过制冷剂热泵循环来回收排风的冷量和热量。热泵换热器初投资略高，但能回收大量能量，热效率高且无需担心交叉污染，尤其是在冬季低温工况下，性能优势更为突出。李景丽等[15]介绍了冷凝排风热回收技术的系统原理、系统的控制方法和系统的运行注意事项，指出排风热回收机组具有良好的发展前景。VINCENZO 等[16]发现热泵式排风热回收新风机组承担了较大比例的空调负荷，且平均季节能效系数高，经济性好。

但热泵式排风热回收新风机组也存在着一些缺陷。夏季，冷凝散热量全部由室内排风承担，由于室内需要保持正压，排风风量会小于送风风量，造成排风风量偏小。排风风量偏小会导致该机组的冷凝温度较高，送风温度偏高，效率较低。魏季宁等[17]通过在排风道与新风道之间增加可调节风量的旁通风道，来解决夏季冷凝温度过高导致热泵性能降低的问题。曹祥等[18]发现引入室外新风增大冷凝风量，可提高机组夏季能效。然而这些研究都是直接将新风与室内排风混合后通过冷凝器，虽然通过增大风量的方式降低了冷凝温度，但是这无疑浪费了回风所携带的高品质冷量。

本文提出了一种混风冷凝加回风过冷的新系统。在不改变排风盘管内容积的前提下，将过冷部分独立出来，使得室内较低温度的回风先经过过冷盘管，充分利用其冷量后，再与新风混合经过排风盘管。仿真分析表明，新系统解决了冷凝温度过高的问题，提高了系统的性能系数（Coefficient of Performance，COP），同时回风过冷使得过冷度更大，单位制冷量提高，能够有效降低送风温度，达到等焓送风甚至等含湿量送风，可完全消除新风热湿负荷。

1 机组原理

1.1 普通热泵热回收机组

普通热泵热回收新风机的工作原理如图1所示。制冷工况下，送风盘管作为蒸发器，吸收新风中的热量，将低温空气送入室内，而排风盘管作为冷凝器，回收室内回风的冷量。制热工况下，送风盘管作为冷凝器，加热低温新风，将高温空气送入室内，而排风盘管作为蒸发器，回收室内回风的热量和湿量。

图1 普通热泵热回收机组原理示意图

1.2 基于混风冷凝的热泵热回收机组

基于混风冷凝的热泵热回收新风机的工作原理如图2所示。制冷工况下，送风侧，送风盘管作为蒸发器，吸收新风中的热量，将低温空气送入室内。排风侧，新风风道开启，吸入的新风和室内回风混合后，共同经过作为冷凝器的排风盘管，带走冷凝热。制热工况下新风通道关闭，工作原理与普通热泵热回收机组相同。

图2 基于混风冷凝的热泵热回收机组原理示意图

1.3 基于混风冷凝加回风过冷的热泵热回收机组

基于混风冷凝加回风过冷的热泵热回收新风机的工作原理如图3所示。制冷工况下风口开启，送风侧，吸入的新风一部分通过作为蒸发器的送风盘管降温除湿送入室内，另一部新风从风口进入排风通道。排风侧，室内回风先经过过冷盘管，然后与从风口进入的新风混合，共同经过作为冷凝器的排风盘管，带走冷凝热。制热工况下风口关闭，工作原理与普通热泵热回收机组相同。

图3 基于混风冷凝加回风过冷的机组原理示意图

2 机组性能仿真分析

2.1 仿真模型

根据运行原理示意图，在制冷空调系统通用仿真平台GREATLAB 中建立基于混风冷凝加回风过冷的热泵式排风热回收新风机组模型[19-20]。机组送风风量200 m3/h，送排风盘管采用翅片管换热器，节流元件为电子膨胀阀，制冷工质R410A。仿真使用的结构参数和数学模型如表1所示。

表1 仿真模型信息

2.2 结果分析

本文在标准制冷工况下（室外35 ℃/28 ℃，室内27 ℃/19 ℃）比较了3 种不同热泵热回收新风机组的性能，结果如表2所示。表中Ⅰ型指普通热泵热回收新风机组，Ⅱ型指基于混风冷凝的热泵热回收新风机，Ⅲ型为基于混风冷凝加回风过冷的热泵热回收新风机组。表2所示分6 种情况：第1～3 种是在相同的送风温度下、3 种新风机组的性能对比，第4～5 种是在等焓送风的情况下、两种新风机组的性能对比，第6 种是在达到等含湿量送风时、基于混风冷凝加回风过冷的热泵热回收新风机组的具体性能。在冬季，因为风口均关闭，所以3种热泵热回收新风机性能相同，表3给出了其在2 种制热工况下机组的性能数据。

从表2可以看出，在相同的送风温度下，普通热泵热回收机组的COP只有2.69，带混风冷凝的热泵热回收机组COP有3.45。这是因为加入新风后，冷凝风量增大，所以冷凝温度降低，能效提高。对比只混风冷凝的机组，混风冷凝加回风过冷的机组COP为3.68，比只混风冷凝的机组高6.7%，这是由于回风过冷使得系统过冷度更大，单位制冷量提高，所以压缩机转速降低，功耗降低，COP升高。

同时可以看出，送风温度为22 ℃时，普通的热泵热回收机组冷凝温度已经接近60 ℃，难以通过压缩机的升频使得送风温度进一步降低。采用混风冷凝后，冷凝风量增大，冷凝温度降低，所以此机组可以通过压缩机的升频来降低送风温度，达到等焓送风。但是送风温度若想要进一步再降低、达到等含湿量送风时，压缩机已经超过了允许的运行范围。

然而对于混风冷凝加回风过冷的机组，不仅可以达到等焓送风，而且由于系统单位制冷量的提高，使得压缩机在不超过其允许的运行范围内达到等含湿量送风，完全消除新风热湿负荷。

表2 制冷工况下3 种机组性能对比

从表3可以看出，制热工况下机组的能效非常高，制热性能强劲。制热工况Ⅰ时，压缩机以其下限频率运行，送风温度仍有26.5 ℃，机组的COP为5.53。制热工况Ⅱ时，在不给室内增加额外热负荷的情况下，即送风温度为20 ℃时，COP仍然高达5.25。此时，蒸发器表面温度高于0 ℃，蒸发器可以保持不结霜状态。这是因为，热泵热回收机组的蒸发器是从室内高温排风中吸收热量，故蒸发温度远高于从室外空气吸收热量的普通空气源热泵，蒸发器不易结霜。但是在室外温度进一步降低时，就要通过压缩机降频或者其他手段来防止结霜。

表3 制热工况下机组性能

3 结论

本文通过仿真分析，对3 种不同机组在标准制冷工况下的性能进行了分析，得出以下结论。

1）同一送风温度下，3 种机组相比，采用基于混风冷凝加回风过冷的热泵热回收新风机组COP最高。

2）基于混风冷凝加回风过冷的热泵热回收新风机组可以达到等焓送风以及等含湿量送风，完全消除新风热湿负荷。