间接蒸发冷却技术对热回收式热泵性能影响研究*

四川省建筑科学研究院有限公司 张 红 石峰豪

一次修回：2020- 08- 24

二次修回：2020- 12- 16

0 引言

在全球能源危机的大背景下，如何在保障室内空气质量的前提下更好地实现节能成为暖通空调领域特别关注的课题。特别是对于具有人员流动性大和密度大等特点的公共建筑，由于其新风需求量特别大，导致新风处理设备在整个空调设备中能耗占比非常高[1]。所以，降低新风能耗对节能减排意义重大。排风热回收技术由于能够回收利用室内空气的能量，对新风进行预冷或预热，从而减小新风冷热负荷，逐渐成为解决确保室内空气质量和减少建筑能耗之间矛盾的有效途径[2]。

近几年来，人们在排风热回收的基础上开发了排风热回收式热泵系统。根据是否采用热回收装置，排风热回收式热泵主要分为2类：单热回收式热泵和双热回收式热泵，如图1所示。

注：tf1为入口新风温度；tf2为经热回收装置处理后的新风温度；tf3为经热泵系统处理后的新风温度；te1为入口排风温度；te2为经热回收装置处理后的排风温度；te3为经热泵系统处理后的排风温度。图1 排风回收式热泵结构示意图

排风热回收式热泵的基本工作原理为回收利用排风中的高品位能量来提升热泵的性能系数。以冬季为例，单热回收式热泵的原理为：热泵和通风系统集成在一个单元中，室外新风进入热泵机组的冷凝器中，吸收冷凝器制冷剂的热量温度升高后送入室内，与此同时，室内排风进入热泵机组的蒸发器中，吸收蒸发器中制冷剂的冷量温度降低后排向室外环境。而对于双热回收式热泵，其工作原理与单热回收式热泵的主要区别在于：新风和排风进入热泵机组之前要通过热回收装置换热[3]。以冬季为例，在较少能量输入的情况下，热回收装置可以有效提升新风温度，从而降低热泵机组所承担的热负荷，从整体上看，热泵系统的性能得到了较大的提升，显示出一定的节能优势[4]。加之双热回收式热泵具有结构紧凑和空气调节方便的优点，在美国、加拿大和北欧五国等国家得到了较为广泛的应用[5]。

国内外学者对单热回收式热泵和双热回收式热泵的运行情况进了对比，结果表明，双热回收式热泵的系统性能系数要优于单热回收式热泵，但是其热泵机组的性能系数却比单热回收式热泵小。这是因为双热回收式热泵与单热回收式热泵相比，它的排风与新风要先进行一次换热，从而使得排风中可利用的高品位能量减少，比如在夏季，会出现排风温度偏高的现象，从而恶化冷凝器的工作环境[6]。研究可知，间接蒸发冷却热回收技术在夏季一方面可以有效降低新风温度，另一方面还可以保证排风温度不至于过高[7]，所以本文将其与双热回收式热泵技术结合，提出一种新型的间接蒸发冷却排风热回收式热泵系统，并通过实验研究间接蒸发冷却技术对热回收式热泵夏季制冷性能的影响。

1 热回收式热泵的研发

1.1 基本构造

间接蒸发冷却热回收式热泵系统的基本构造如图2所示，该系统主要由间接蒸发冷却热回收装置和热泵机组构成。其中，间接蒸发冷却热回收装置主要由热回收装置和喷淋系统组成，热泵机组主要由热泵主机和风机等附属设备组成。

1.排风入口；2.新风入口；3.排水口；4.排风侧板式换热器；5.压缩机；6.排风侧风机；7.排风出口；8.新风侧出口；9.新风侧风机；10.新风侧板式换热器；11.节流阀；12.四通换向阀；13.热回收装置；14.喷头；15.水泵；16.水阀。图2 间接蒸发冷却热回收式热泵系统结构示意图

1.2 夏季运行模式

该机组夏季运行模式主要有2种：模式A(喷淋装置开启，间接蒸发冷却换热器和空气源热泵联合运行)和模式B(喷淋装置关闭，显热式热回收装置与传统空气源热泵联合运行)。

1.3 热回收式热泵的评价指标

为了更加准确、全面地描述热回收式热泵的运行特性，采用以下参数来描述其主要性能，具体可参考图1b。

1.3.1制冷量

热泵系统的制冷量Qt是以热回收式热泵整个系统的新风进出口焓差来计算的，其中还包括了从排风中回收的部分能量，具体计算式如下：

Qt=mf|hf3-hf1|

(1)

式中mf为新风质量流量，kg/s；hf3为经过热泵系统后的新风比焓，kJ/kg；hf1为入口新风的比焓，kJ/kg。

1.3.2热回收冷量

热回收冷量QI是热回收装置的重要指标，对于本文的热回收装置而言，其热回收冷量等于新风从排风中实际回收的能量，即

QI=mf|hf2-hf1|

(2)

式中hf2为经过热回收装置后的新风比焓，kJ/kg。

1.3.3热泵机组的性能系数

热泵机组的性能系数COPp作为衡量热泵机组性能的重要指标，其定义为新风通过热泵机组获得的冷量与热泵机组压缩机功率的比值，即

(3)

式中Qp为热泵机组制冷量，kW；Pc为压缩机功率，kW。

1.3.4热回收式热泵系统的性能系数

热回收式热泵系统的性能系数COPs等于新风通过整个系统得到的冷量与系统总功率之比，系统总功率主要包括压缩机功率和风机功率，热回收式热泵系统的性能系数定义式如下：

(4)

式中Pt为系统总功率，kW；Pf为风机功率，kW。

2 热回收式热泵的实验测试

2.1 实验平台

实验平台原理如图3所示，主要包含2个独立的人工气候室，分别用于模拟室外和室内环境。每个人工气候室各配备了一套温湿度独立控制设备，由表冷器、电加热器、蒸汽加湿器和风机构成，处理好的空气通过孔板送风的形式送入人工气候室内调控室内的温湿度，为了避免气流短路，新风和排风出口的空气均直接排向室外。

1.风机；2.蒸汽加湿器；3.电加热器；4.表冷器；5.送风孔板；6.喷淋水箱；7.喷淋水泵；8.喷淋水阀门；9.热回收式热泵；10.孔板流量计。图3 实验平台原理图

为了测试热回收式热泵的性能，实验需要测试的参数包括新风进出口温湿度、排风进出口温湿度、新风和排风风量、风机功耗、压缩机功耗、热泵机组的冷凝和蒸发压力、喷淋水温度与流量等，测试仪器及其主要参数如表1所示。

表1 测试仪器及其主要参数

由于新风和排风在该机组内部存在多个空气处理过程，因此需要在其内部相关的位置安装多个温湿度传感器，以便监测空气处理过程的中间状态，从而可以更加全面地研究该热回收式热泵的性能。测点布置位置主要包括：设备的新风和排风入口、热回收装置的新风和排风出口及设备的新风和排风出口，共6个位置，如图4所示。

1.设备排风入口；2.设备新风入口；3.热回收装置排风出口；4.热回收装置新风出口；5.设备排风出口；6.设备新风出口。图4 测点布置图

在实验过程中，除了热泵系统的冷凝、蒸发压力以外，其余参数均由计算机自动记录，实验中所采用DHT22温湿度一体化传感器和功率采集模块的读数分别通过单总线和电压模拟信号传送到Arduino采集板中，由采集板对采样数据进行解析，并通过通用串口总线(USB)上传至上位机。

2.2 夏季标准工况测试结果分析

在标准工况下，新风和排风的入口温度分别为35、27 ℃，相对湿度均为50%，风量均为300 m3/h。

图5给出了热回收式热泵在夏季标准工况2种运行模式下新风、排风的处理过程。在模式A下，由于喷淋装置开启，热回收装置起间接蒸发冷却热回收的作用，与模式B的显热回收装置相比，新风出风温度(测点4)更低。与此同时，由于间接蒸发冷却的排风处于湿通道，相较于模式B，模式A排风温度也更低，从而有利于排风对热泵机组冷凝器的冷却。总体而言，在夏季标准工况下，模式A的间接蒸发冷却热回收装置比模式B具有更佳的性能。

注：排风经冷凝器处理后温度较高，超出了现有焓湿图范围，仅给出温湿度参数。图5 夏季标准工况下热回收式热泵新风和排风处理过程

热回收式热泵在夏季标准工况2种运行模式下的详细运行参数如表2所示。由表2可以看出，模式A的蒸发压力和冷凝压力均比模式B的低。但是，模式A的蒸发压力降低的幅度相较于冷凝压力的降低幅度要小，因此模式A的热泵机组的压缩比比模式B的小，从而导致模式A的压缩机功率相对也小。一般情况下，双热回收式热泵与单热回收式热泵相比，由于增加了热回收装置，导致其热泵机组冷凝器的入口空气温度更高，而蒸发器的入口空气温度更低，进而恶化了热泵的工作环境，降低了热泵机组的性能。但是，间接蒸发冷却的引入，使得双热回收式热泵的热泵机组冷凝器入口处的排风温度降低，从而有利于排风对热泵机组冷凝器的冷却。通过表2可以看出，热泵机组的性能系数由1.98提升到2.57，能效提升达29.80%。

表2 夏季标准工况热回收式热泵在模式A和模式B下的主要运行参数

另外，根据表2可知，模式A热回收装置的热回收冷量达到了1.43 kW，是模式B热回收冷量的3.11倍。因此，从整个热回收式热泵系统而言，模式A系统的性能系数比模式B系统的性能系数有了非常大的提升，系统能效提升达66.36%。

2.3 夏季变工况测试结果分析

一般情况下，在室内空调的控制下，夏季室内空气参数即排风入口的温湿度通常较为恒定。实验测试中，在确保人工气候室2环境参数不变，即排风入口参数(温度为27 ℃、相对湿度为50%)不变的情况下，通过改变人工气候室1的环境参数，调节新风入口参数，使其温度在20～40 ℃、相对湿度在30%～95%之间变化。

由于实验所得测试数据较多，并且新风的进口温度和相对湿度都在变化，因此实验结果分析中选取新风入口湿球温度作为自变量，研究其对于机组制冷量和性能系数的影响。

1) 制冷量。

热回收式热泵在2种不同运行模式下的制冷量如图6a所示。由图6a可以看出：2种模式的新风入口湿球温度和制冷量呈现出接近线性的关系，变化趋势较为相似；模式A的制冷量比模式B的要大，两者之间制冷量的差距随着新风入口湿球温度的升高而增大，这是由于间接蒸发冷却一方面提升了热回收装置对排风冷量的吸收，另一方面优化了热泵的工作环境，降低了双热回收式热泵多次利用排风的不利影响，进而提高了热泵的制冷效果。

图6 不同新风入口湿球温度下模式A和模式B的制冷效果变化

2) 性能系数。

性能系数是衡量设备运行性能最重要的指标之一。由图6b可以看出：2种模式的系统性能系数随新风入口湿球温度的变化趋势与制冷量的变化趋势相似，整体上呈现出接近线性的关系，并且随着入口新风湿球温度的升高，系统性能系数增大；模式A和模式B的系统性能系数的差距随着新风入口湿球温度的升高而增大。根据统计，模式A平均系统性能系数相较于模式B提升了56%，从而表明间接蒸发冷却技术的应用对双热回收式热泵夏季制冷的能效提升具有一定的作用。

3 结论

由于双热回收式热泵相较于单热回收式热泵多利用了一次排风，从而使得排风中可利用的高品位能量减少，致使双热回收式热泵的热泵机组性能系数要小于单热回收式热泵。研究表明，间接蒸发冷却技术可以降低夏季制冷时双热回收式热泵多次利用排风所带来的不利影响，具体结论如下：

1) 通过间接蒸发冷却技术的应用，在标准工况下，热泵机组的性能系数由1.98提升到2.57，能效提升达29.80%，系统的性能系数由2.17提升到3.61，能效提升达66.36%。

2) 在变工况下，2种模式的制冷量和系统性能系数都随着新风入口湿球温度的升高而增大，其差距也随着新风入口湿球温度的升高而不断扩大。

3) 根据计算，在变工况下，间接蒸发冷却技术的引进使双热回收式热泵的平均系统性能系数提升了56%，从而表明间接蒸发冷却技术的应用对双热回收热泵的能效提升具有一定的作用。