新型转轮全热回收新风机组实验研究与节能分析

严卫东 童 矗 韩 旭 张雨潇



新型转轮全热回收新风机组实验研究与节能分析

严卫东1童 矗2韩 旭2张雨潇2

（1.江苏经贸职业技术学院 南京 211100；2.解放军理工大学 南京 210007）

提出一种新型转轮全热回收新风机组，利用恒温恒湿小室，改变室内排风参数，测试夏季工况下该机组的冷回收性能。实验数据表明，室内排风相对湿度对转轮的温度交换效率影响较小；在一定范围内提高室内排风相对湿度，转轮的焓交换效率有明显的上升趋势，但室内排风相对湿度提高到60%时，转轮的焓交换效率有急剧下降的趋势，尤其在排风温度较高的情况下更为明显；提高室内排风温度，转轮的温度交换效率有所提高，增幅在2%-4%，转轮的焓交换效率也有所提高，但增幅不大；联合运行工况下，制冷系统冷凝温度降低，输入功率减小，能效比提高，蒸发负荷大大降低；随室内排风温度的提高，转轮回收能量与设备能耗之比逐渐降低，由室内排风温度为24℃时的3.5降为室内排风温度为30℃的1.6。

转轮；热泵；新风；全热回收；焓交换效率；温度交换效率

0 引言

近年来，我国经济快速发展，人们生活水平日益提高，然而各种空气质量问题引发的疾病（如病态建筑综合症、军团菌、SARS）甚是严重，人们对室内空气品质要求不断提高。为提高室内空气品质，空调系统需要从室外引入大量与室内空气状态相差很大的新风，大大增加了新风处理能耗，新风处理能耗约占空调系统总能耗的20%～30%[1]，新风负荷约占整个空调系统总负荷的30%～50%[2]。同时，空调系统需排出室内部分污浊空气，造成大量冷（热）量的浪费，如何充分合理利用排风能量得到相关专业人士的关注。文献[3]对空调系统的排风热回收的可行性进行了分析，认为排风热回收是一种有效的节能方式，有较大的推广价值；文献[4]分析了设置排风能量回收装置的必要条件，指出新风量和送风量不能作为设置热回收的必要条件。文献[5]分析了空调系统漏风量对热回收效率的影响因素，指出在评价能量回收指标中，应考虑风机的能耗指标。文献[6]分析了常用的转轮全热交换器、板翅式换热器、热管换热器等热回收设备的特点，重点介绍了热质循环能量回收方式，展望这一技术的发展。目前，小型新风处理方式一般采用的是板式显热交换器[7]，首先热回收效率比较低，其次，在夏季工况下热回收后的新风仍然比室内的设计温湿度要高，为实现既能节能又能改善室内空气品质的目的，本文提出了一种新型转轮全热回收新风机组。

1 机组结构与热工参数

1.1 机组内部结构及工作原理

机组内部结构设计如图1所示，机组外形尺寸为3500mm×1250mm×1440mm，机组额定风量为800m3/h。

1-排风机；2（8）-换热器；3-全热回收转轮；4-四通阀；5-压缩机；6-粗效过滤器；7-高效过滤器；9-加湿器；10-送风机

从新风侧方向看，室外新风先经过粗效过滤器进行过滤，然后经过全热回收转轮进行全热交换，再经过换热器（蒸发器）加热（冷却除湿），最后由送风机送入房间；从回风侧方向看，室内回风先经过粗效过滤器进行过滤，然后经过全热回收转轮进行热（冷）湿回收，再经过换热器（冷凝器）对制冷系统进行冷却，最后由排风机排出室外。

1.2 系统主要性能参数

系统主要性能参数如表1所示。

表1 系统主要性能参数

2 样机性能的实验研究

2.1 测试的理论依据

根据文献[8]《空气-空气能量回收装置》（GB/T 21087-2007）规定，机组的性能测试名义工况如表2所示。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。

表2 空气-空气能量回收装置测试名义工况

本实验对实验工况做了一定的调整，利用夏季高温时段自然工况进行测试，室外温度控制在35℃，相对湿度未做严格控制；室内利用先进的恒温恒湿实验室，模拟12种不同的室内排风工况测试机组的交换效率和新风送风温度，如表3所示。

表3 实验工况

该新风全热回收机组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，在三种不同运行模式下进行测试：（1）单独运行制冷系统；（2）单独运行转轮；（3）转轮、制冷系统联合运行。本实验主要以测试夏季该机组热回收性能来研究其可行性和节能潜力。

2.2 测试方法

实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，室内排风温度误差 ±0.3℃，湿度误差±2%；新风直接引入室外新风，新风参数与测试名义工况参数误差控制在±3℃。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，实验台如图2所示。

图2 实验台示意图

测试不同室内排风温湿度参数、不同运行模式下该机组的热回收效率。实验采用的温湿度传感器温度范围0-50℃，精度±0.3℃；湿度范围0-100%，精度±2%。本次测试的主要参数有机组的送风量G、排风量G，新风进口温度1、相对湿度1，新风出口温度2、相对湿度2，排风进口温度3、相对湿度3。机组内各温湿度传感器布置点如图3所示。

图3 机组内传感器布置图

3 测试结果与分析

3.1 室内温湿度变化对新风送风温度的影响

图4表示不同运行工况下室内温湿度变化对新风送风温度的影响。

图4 室内温湿度变化对新风送风温度的影响

实验过程中，室外新风送风温度变化不大，温度维持在35±0.5℃，由图4可知，保持室内排风温度不变，改变室内排风相对湿度，在三种运行模式下，室内排风温度波动在±1℃，表明室内排风相对湿度对新风送风温度的影响不大。保持室内排风相对湿度不变，改变室内排风温度，在三种运行模式下，新风送风温度也相应提高，表明新风送风温度受室内排风温度的影响较大。

由图4（a）可知，转轮单独运行工况下，新风送风温度高于室内温度，随着室内排风温度的提高，送风温差由2℃减小到0.5℃左右。由图4（b）可知，在单独制冷运行工况下，新风送风温度都低于房间温度，随着室内排风温度的提高，送风温差由3.5℃增加到6.5℃左右；只有在室内排风温度为30℃时，新风送风温度高于文献[9]《直接蒸发式全新风空气处理机组》（GBT 25128-2010）规定的23℃，其他工况下，其新风送风温度均低于23℃。由图4（c）可知，在联合运行工况下，新风送风温度低于房间温度，随着室内排风温度的提高，联合工况下送风温差由6.5℃增加到8℃左右；新风送风温度均低于23℃。

3.2 转轮对热泵系统能效的影响分析

夏季联合运行工况下，热泵系统的冷凝温度对应为排风侧转轮后的排风温度（即传感器2所读数据），蒸发温度对应为新风侧转轮后的新风温度（即传感器5所读数据），如图5所示。

图5 热泵系统蒸发器、冷凝器进口侧空气温度变化

《单元式空气调节机》（GBT17758-2010）规定，对机组的名义制冷量的测试，要求室外侧冷空气进风温度为35℃。由图6（a）可知热泵进口侧温度为29～32℃，低于35℃，即冷凝温度降低，输入功率减小，能效比提高[10]；同时由图6（b），对蒸发器而言，进风温度由35℃降低至24～30℃，蒸发负荷大大降低。

3.3 室内温湿度变化对转轮热回收效率影响分析

图6表示转轮运行工况下不同室内排风温度下改变室内排风相对湿度时转轮热交换效率的变化。

图6 转轮运行工况下转轮热交换效率的变化

由图6（a）可知，随着室内排风温度从24℃升高到30℃，转轮的温度交换效率有所提高；排风温度从24℃升高到27℃，转轮的温度交换效率增加1%-3%，排风温度从27℃升高到30℃，转轮的温度交换效率增加4%左右，增幅有所增大。在保持室内排风温度恒定的条件下，改变室内排风相对湿度从45%提高到60%，转轮的温度交换效率没有明显的变化；排风温度恒定为24℃时，转轮温度交换效率在78%左右波动，排风温度为27℃时，转轮温度交换效率在80%左右波动，排风温度恒定为30℃时，转轮温度交换效率在84%左右波动。

由图6（b）可知，在室内排风相对湿度恒定的条件下，随着室内排风温度从24℃升高到30℃，转轮的焓交换效率有所提高，但增幅不大。在保持室内排风温度恒定的条件下，改变室内排风相对湿度从45%提高到55%，转轮的焓交换效率有明显的上升趋势；但室内排风相对湿度提高到60%时，转轮的焓交换效率有急剧下降的趋势，尤其在排风温度较高的情况下更为明显。这说明在一定范围内提高室内排风相对湿度可以适当提高转轮焓交换效率。

3.4 节能分析

转轮运行工况下，计算热回收主要考虑：排风回收能量、转轮系统能耗（包括转轮和风机能耗），将排风热回收的能量折合成制冷用电量。

排风回收能量E计算公式如下：

图7为转轮运行工况下排风回收能量与设备能耗的对比柱状图。随室内排风温度的提高，转轮回收能量与设备能耗之比逐渐降低，由室内排风温度为24℃时的3.5降为室内排风温度为30℃的1.6。

4 结论

（1）保持室内排风温度恒定的条件下，改变室内排风相对湿度从45%提高到60%，转轮的温度交换效率没有明显的变化；随着室内排风温度从24℃升高到30℃，转轮的温度交换效率有所提高。

（2）在室内排风相对湿度恒定的条件下，随着室内排风温度从24℃升高到30℃，转轮的焓交换效率有所提高，但增幅不大；在保持室内排风温度恒定的条件下，改变室内排风相对湿度从45%提高到55%，转轮的焓交换效率有明显的上升趋势；但室内排风相对湿度提高到60%时，转轮的焓交换效率有急剧下降的趋势，尤其在排风温度较高的情况下更为明显。这说明在一定范围内提高室内排风相对湿度可以适当提高转轮焓交换效率。

（3）联合运行工况下，热泵进口侧温度为29～32℃，温度低于35℃，制冷系统冷凝温度降低，输入功率减小，能效比提高；蒸发器的进风温度由35℃降低至24～30℃，蒸发负荷大大降低。

（4）随室内排风温度的提高，转轮回收能量与设备能耗之比逐渐降低，由室内排风温度为24℃时的3.5降为室内排风温度为30℃的1.6。

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Research of New Wheel Full Heat Recovery Fresh Air Unit Experiment and Energy Saving Analysis

Yan Weidong1Tong Chu2Han Xu2Zhang Yuxiao2

( 1.Jiangsu Institute of Economic&Trade Technology, Nanjing, 211100; 2.School of Defence Engineering, PLA University of Science & Technology, Nanjing, 210007 )

Put forward a new kind of wheel total heat recovery fresh air units, using constant temperature and humidity chamber, and changing indoor ventilation parameters, test cold recycling performance of the unit under the condition of the summer. Experimental data show that, the influence of indoor exhaust air relative humidity on temperature exchange effectiveness of wheel. Within a certain range, with the increase of the indoor relative humidity of exhaust air, the enthalpy exchange effectiveness of wheel has an obvious rising trend. But when the indoor exhaust air relative humidity increase to 60%, the enthalpy exchange effectiveness of the wheel has a tendency to fell sharply, especially in the case of higher exhaust temperature. Improve the indoor exhaust temperature, the temperature exchange effectiveness of the wheel is improved from 2% to 4%, the enthalpy exchange effectiveness of the wheel is improved, but the increase is small. In the combined operation condition, the condensing temperature of the refrigeration system and the input power are reduced, evaporation load is greatly reduced. With the increase of indoor exhaust air temperature, the ratio of the wheel recycling energy and equipment energy consumption reduce gradually, which reduced from 3.5 to 1.6.

heel; heat pump; fresh air; total heat recovery; enthalpy exchange effectiveness; temperature exchange effectiveness

TU831.5

B

1671-6612（2018）02-183-06

严卫东（1966.8-），男，本科，副教授，E-mail：445296397@163.com

2017-07-13