熱泵熱回收新風(fēng)機(jī)組和熱管熱泵低溫?zé)崮芑厥諜C(jī)組的節(jié)能比較

李 楊

（吉林建筑工程學(xué)院,長春 130021）

熱泵熱回收新風(fēng)機(jī)組和熱管熱泵低溫?zé)崮芑厥諜C(jī)組的節(jié)能比較

李 楊

（吉林建筑工程學(xué)院,長春 130021）

在我國嚴(yán)寒地區(qū)，空調(diào)機(jī)組在冬季工況運(yùn)行時(shí)經(jīng)常發(fā)生凍損現(xiàn)象，以至于不能保證室內(nèi)空氣品質(zhì)。為解決上述問題，提出了利用空調(diào)新風(fēng)機(jī)組分別與熱泵和熱管相結(jié)合的方式，即熱泵熱回收新風(fēng)機(jī)組和熱管熱泵低溫?zé)崮芑厥諜C(jī)組。通過實(shí)驗(yàn)研究對(duì)2種結(jié)合方式的節(jié)能性、回收年限進(jìn)行了分析比較。

嚴(yán)寒地區(qū)；空氣源熱泵；熱管熱泵；節(jié)能比較

我國的建筑能耗已占全國總能耗的30%以上[1]。在建筑能耗中，暖通空調(diào)能耗約占85%，能源利用水平和利用率與發(fā)達(dá)國家還有一定差距。為了提高能源利用水平和利用率，必須采取相應(yīng)的節(jié)能措施[2]。熱泵熱回收新風(fēng)機(jī)組和熱管熱泵低溫?zé)崮芑厥諜C(jī)組利用熱能回收裝置，有效回收排風(fēng)的熱量，預(yù)熱新風(fēng)，降低機(jī)組負(fù)荷，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

為方便敘述，將熱泵熱回收新風(fēng)機(jī)組簡(jiǎn)稱為實(shí)驗(yàn)一，將熱管熱泵低溫?zé)崮芑厥諜C(jī)組簡(jiǎn)稱為實(shí)驗(yàn)二。選取朝向相同、均帶有北向鋼窗的、面積和層高基本相同的2個(gè)房間作為實(shí)驗(yàn)房間。實(shí)驗(yàn)一設(shè)備由空調(diào)室內(nèi)機(jī)、空調(diào)室外機(jī)、新風(fēng)通道、排風(fēng)通道、閥門、靜壓箱、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)等組成。實(shí)驗(yàn)二是在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上加裝熱管換熱器。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)一的原理是機(jī)組在冬季工況下，利用熱泵機(jī)組的冷凝器預(yù)熱引入室內(nèi)的新風(fēng)，從而可避免嚴(yán)寒地區(qū)室外冷空氣對(duì)傳統(tǒng)新風(fēng)機(jī)組中水加熱盤管的凍損；利用熱泵新風(fēng)機(jī)組的蒸發(fā)器回收建筑排風(fēng)熱量，實(shí)現(xiàn)熱回收作用，同時(shí)可以提高熱泵機(jī)組在嚴(yán)寒地區(qū)冬季工況的性能。

實(shí)驗(yàn)二的原理是在實(shí)驗(yàn)一原理的基礎(chǔ)上，首先采用熱管的冷凝段對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，之后通過冷凝器再對(duì)預(yù)熱過的新風(fēng)進(jìn)行二次加熱。熱管由中間的加熱段和兩端的冷卻段組成。在冬季工況運(yùn)行時(shí)，空調(diào)的冷凝器停止工作，排風(fēng)側(cè)成為加熱段，另外兩段為冷卻段，新風(fēng)流經(jīng)換熱器時(shí)被預(yù)熱。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。實(shí)驗(yàn)二即在排風(fēng)管和新風(fēng)管之間加裝了熱管○12。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 實(shí)驗(yàn)理論根據(jù)

實(shí)驗(yàn)一機(jī)組的實(shí)際制熱量為

式中：Q1為空氣源熱泵的制熱量，kW；M0為新風(fēng)量，kg/s；cp為空氣的定壓比熱，kJ/(kg·℃)；t0為冬季空調(diào)室外空氣計(jì)算溫度，℃；ts為送風(fēng)溫度，℃。

實(shí)驗(yàn)二機(jī)組的實(shí)際制熱量為

圖1 實(shí)驗(yàn)一結(jié)構(gòu)圖

①壓縮機(jī)；②翅片管蒸發(fā)器；③翅片管冷凝器；④節(jié)流裝置；⑤四通換向閥；⑥液體分離器；⑦排風(fēng)機(jī)；⑧新風(fēng)機(jī)；⑨、⑩電動(dòng)保溫風(fēng)閥；○11聯(lián)動(dòng)自控調(diào)節(jié)風(fēng)閥；○12熱管

圖2 實(shí)驗(yàn)二結(jié)構(gòu)圖

式中：Q2為熱管熱泵新風(fēng)機(jī)組實(shí)際制熱量，kW；tH為混風(fēng)后的溫度，℃。

實(shí)驗(yàn)二熱泵實(shí)際的制熱量為

式中：Q3為熱泵實(shí)際的制熱量，kW；tw″為新風(fēng)經(jīng)過熱泵加熱后溫度，℃；tw′為新風(fēng)出熱管的溫度，℃。

實(shí)驗(yàn)二熱管的實(shí)際制熱量為

式中：Q4為熱管的實(shí)際制熱量，kW；tw為冬季室外新風(fēng)的溫度，℃。

新風(fēng)通過實(shí)驗(yàn)二機(jī)組吸收的總的熱量為

2.3.2 測(cè)試期間系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二均在我國東北嚴(yán)寒地區(qū)最冷月進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)，利用實(shí)驗(yàn)分析法對(duì)20天的測(cè)試期間以及測(cè)試期間最冷日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖3為實(shí)驗(yàn)一測(cè)試期間溫度變化折線圖。

圖3 實(shí)驗(yàn)一測(cè)試期間溫度變化折線圖

當(dāng)室外溫度在-18.05～-29.10℃之間變化，平均氣溫為-22.97℃時(shí)，從圖3中可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行期間送風(fēng)溫度在2.86～15.67℃之間變化，平均溫度為10.87℃。排風(fēng)溫度在-17.52～-8.14℃之間變化，平均排風(fēng)溫度為-13.65℃。圖4為實(shí)驗(yàn)二測(cè)試期間溫度變化折線圖。

圖4 實(shí)驗(yàn)二測(cè)試期間溫度變化折線圖

當(dāng)室外溫度在-18.05～-29.10℃之間變化，平均氣溫為-22.97℃時(shí)，從圖4中可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行期間送風(fēng)溫度在3.72～16.53℃之間變化，平均溫度為11.73℃。排風(fēng)溫度在-18.39～-9.01℃之間變化，平均排風(fēng)溫度為-14.52℃。

2.3.3 最冷日系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果與分析

選取測(cè)試期間最冷日作為典型性實(shí)驗(yàn)，分析在最冷日條件下，溫度變化和系統(tǒng)運(yùn)行狀況。圖5為實(shí)驗(yàn)一測(cè)試期間最冷日溫度變化折線圖。

圖5 實(shí)驗(yàn)一最冷日溫度變化折線圖

從圖5可以看出，新風(fēng)溫度在-24.1～-33.9℃之間變化，平均溫度為-29.7℃。送風(fēng)溫度變化范圍為1.97～12.07℃之間變化，運(yùn)行期間日平均送風(fēng)溫度為6.15℃。在最冷時(shí)刻（4：00），送風(fēng)溫度保持在1.97℃。圖6為實(shí)驗(yàn)二測(cè)試期間最冷日溫度變化折線圖。

圖6 實(shí)驗(yàn)二最冷日溫度變化折線圖

從圖6可以看出，新風(fēng)溫度在-24.1～-33.9℃之間變化，平均溫度為-29.7℃。送風(fēng)溫度變化范圍為2.1～12.2℃之間變化，運(yùn)行期間日平均送風(fēng)溫度為6.2℃。在最冷時(shí)刻（4：00），送風(fēng)溫度保持在2.1 ℃。

2個(gè)實(shí)驗(yàn)在測(cè)試期間和最冷日均滿足新風(fēng)預(yù)熱溫度需求，有效的解決嚴(yán)寒地區(qū)冬季新風(fēng)機(jī)組凍損問題，延長嚴(yán)寒地區(qū)新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間。排風(fēng)溫度被降低，證明系統(tǒng)有效地回收了排風(fēng)的熱量，真正起到了節(jié)能減排的目的。

3 節(jié)能分析比較

3.1 制熱量、能效比（COP）值和熱回收效率的比較

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理繪制出2個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間的制熱量、COP值和熱回收效率的折線圖，如圖7所示。

圖7 制熱量、COP值和熱回收效率折線圖

從圖7中可以看出，實(shí)驗(yàn)一的系統(tǒng)制熱量在3.27～3.9 kW之間變化，平均值是3.63 kW；系統(tǒng)的COP在2.75～3.28之間變化，平均值為3.05；熱回收效率在0.72～0.87之間變化，平均值是0.79。實(shí)驗(yàn)二的系統(tǒng)制熱量在3.79～3.99 kW之間變化，平均值是3.79 kW；系統(tǒng)的COP在3.16～3.33之間變化，平均值為3.24；熱回收效率在0.72～0.91之間變化，平均值是0.81。

3.2 最冷日制熱量、COP值和熱回收效率的比較

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理繪制出2個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間最冷日的制熱量、COP值和熱回收效率的折線圖，如圖8所示。

圖8 最冷日制熱量、COP值和熱回收效率折線圖

從圖8中可以看出，在最冷日里，實(shí)驗(yàn)一的系統(tǒng)制熱量在3.15～3.78 kW之間變化，平均值是3.54 kW；系統(tǒng)的COP在2.63～3.15之間變化，平均值為2.95；熱回收效率在0.67～0.82之間變化，平均值是0.73。實(shí)驗(yàn)二的系統(tǒng)制熱量在3.70～3.90 kW之間變化，平均值是3.76 kW；系統(tǒng)的COP在3.08～3.25之間變化，平均值為3.17；熱回收效率在0.70～0.89之間變化，平均值是0.76。

從圖7和圖8對(duì)比可以看出，由于實(shí)驗(yàn)二的新風(fēng)經(jīng)過熱管的冷凝段預(yù)熱之后，又通過熱泵的冷凝器對(duì)引入室內(nèi)的新風(fēng)進(jìn)行二次加熱，因此，實(shí)驗(yàn)二在整個(gè)測(cè)試期間和最冷日的系統(tǒng)制熱量、COP值和熱回收效率均高于實(shí)驗(yàn)一。

3.3 兩組實(shí)驗(yàn)的投資回收年限比較

對(duì)熱泵、熱管進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)時(shí)，常選用投資回收年限法[3]，利用公式（6）計(jì)算

式中：β為投資回收期，年；CF為熱泵、熱管熱回收新風(fēng)機(jī)組的單位初投資，元/kW；CB為傳統(tǒng)供熱方式單位供熱量價(jià)格，元/kWh；CH為熱泵、熱管熱回收新風(fēng)機(jī)組單位供熱量價(jià)格，元/kWh；h為熱泵、熱管熱回收新風(fēng)機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)，h。

實(shí)驗(yàn)一無需另加動(dòng)力設(shè)備，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，初投資較小，投資回收期僅需1.7年。實(shí)驗(yàn)二的初投資為5 280元，由式（6）算出

在回收年限的比較上，由于實(shí)驗(yàn)二在新風(fēng)管道和排風(fēng)管道之間加裝了熱管裝置和保溫措施，使得初投資高于實(shí)驗(yàn)一，回收年限自然也長于實(shí)驗(yàn)一。

4 結(jié)論

兩組實(shí)驗(yàn)的不同結(jié)合方式都避免了新風(fēng)與建筑排風(fēng)交叉污染的現(xiàn)象，保證了嚴(yán)寒地區(qū)冬季建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)，與單純的熱泵機(jī)組運(yùn)行相比運(yùn)行效率大大提高。在整個(gè)測(cè)試期間2個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)均運(yùn)行穩(wěn)定，指標(biāo)正常。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的系統(tǒng)制熱量、COP值和熱回收效率的比較，2個(gè)實(shí)驗(yàn)均在不同程度上回收排風(fēng)的熱量，提高了新風(fēng)溫度。可以看出實(shí)驗(yàn)二的熱回收效果好于實(shí)驗(yàn)一。通過對(duì)投資回收年限比較，由于實(shí)驗(yàn)二的初投資高于實(shí)驗(yàn)一，因此系統(tǒng)的回收年限長。如果是初投資較大的工程，在對(duì)回收效果要求不是太高的情況下，實(shí)驗(yàn)一的系統(tǒng)形式也是不錯(cuò)的選擇。

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[1]李兆堅(jiān)，江億.我國房間空調(diào)器材料資源消耗狀況分析[J].暖通空調(diào)，2007(3)：12-15.

[2]鄭鋼.熱回收節(jié)能在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].能源技術(shù),2005，(6)：17-20.

[3]梁珍,沈恒根,郭建.火電廠冷凝熱回收利用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009(5)：91-95.

Energy?saving comparison between the low?temperature heat recovery units of heat pipe&heat pump and the recovery fresh air heat pump units

LI Yang
（Jilin Architectural and Civil Engineering Institute，Changchun 130021，China）

The fresh air units are often harmed by frostbite,running in the winter of the cold and severe cold regions in our country;it brings on the decline of indoor air quality.In order to solve the above problems,the paper advanced the method of the fresh air handling units in combination with the heat pump units and the low?temperature heat recovery units of heat pipe&heat pump.It compared the energy?saving and recovery period of the two method through experimental research.

cold regions;the air?source heat pump;heat pipe heat pump;energy saving comparison

F407.61;TK018

C?

1009-1831（2012）06-0019-04

2012-06-25

李楊(1983)，女，吉林長春人，在讀博士，從事建筑環(huán)境控制系統(tǒng)節(jié)能研究。