預冷式熱回收新風除濕機組性能的實驗研究

孫銀，張春路

（1-同濟大學機械與能源工程學院制冷與低溫工程研究所，上海 201804；2-靖江市產品質量綜合檢驗檢測中心，江蘇靖江 214500）

0 引言

現代經濟的發展使人們對室內空氣品質的要求也越來越高，但是建筑物的密閉性隨著技術的發展也越來越高，想要通過滲透新風改變室內空氣品質這個方法已不可行，所以現代建筑開始引入空調新風系統，同時增加了排風系統[1-2]。然而，新風引入的同時也增加了空調能耗，同時排風直接排出至室外，浪費了排風中的冷（熱）量。如果能充分利用排風中的冷（熱）量來處理新風，將會有效降低處理新風的能耗[3]。ANSI/ASHRAE/IESNA 90.1-2007[4]和GB 50189-2015公共建筑節能設計標準[5]規定了對于設有集中排風的空調系統，在技術經濟比較合理時使用排風熱回收裝置。目前熱回收裝置主要有以下5種[6-15]：轉輪式熱回收、板翅式熱回收、熱管式熱回收、熱泵式熱回收、溶液吸收式熱回收。

一種合理的方案是室內排風用以冷卻除濕機冷凝器，回收排風中的冷量，機組可以在較低的冷凝溫度下工作，提高機組性能系數，其原理如圖1所示。除濕工況下，室內低溫排風經過2#冷凝器，回收排風中的冷量。新風先經過板翅式熱回收裝置被處理后的新風預冷除濕，再經過2#蒸發器進一步降溫除濕，再經過1#蒸發器深度除濕，最后通過板翅式熱回收裝置被加熱。新風流路上設置了旁通風口并設置了風量調節閥，用以滿足機組在運行中對空氣不同狀態參數的需要。在此過程中新風流路和排風流路是兩個獨立的空氣流路，互不干擾，所以空氣不存在交叉污染的現象。本文設計了一臺實驗樣機，通過對實驗樣機的測試并分析測試數據，用以分析不同旁通風量對機組制冷量、能效比、單位輸入功率除濕量等重要參數的影響。

圖1 預冷式熱回收新風除濕機組原理示意圖

1 實驗樣機和實驗內容

1.1 預冷式熱回收新風除濕機的組成

如圖1所示，預冷式熱回收新風除濕機的組成主要是由壓縮機、冷凝器、蒸發器、板翅式顯熱回收裝置、電子膨脹閥、風機和輔助配件等組成。

機組設置了兩臺蒸發器，1#蒸發器設計風量為3,000 m3/h，蒸發器采用銅管套鋁片，銅管直徑為9.52 mm，管間距為25 mm，排間距為22 mm，有效長為670 mm，管排數為8排，每排20孔，翅片間距為2.1 mm，翅片厚度為0.11 mm。2#蒸發器設計風量為3,000 m3/h，蒸發器采用銅管套鋁片，銅管直徑為9.52 mm，管間距為25 mm，排間距為22 mm，有效長為670 mm，管排數為4排，每排20孔，翅片間距為2.1 mm，翅片厚度為0.11 mm。

機組設置了一臺水冷式冷凝器和一臺風冷式冷凝器。水冷冷凝器采用板式冷凝器，設計冷凝溫度40 ℃，進水溫度30 ℃，出水溫度35 ℃，冷卻水流量6.2 m3/h。風冷冷凝器設計風量為2,700 m3/h，采用銅管套鋁片，銅管直徑為9.52 mm，管間距為25 mm，排間距為22 mm，有效長為670 mm，管排數為8排，每排20孔，翅片間距為2.1 mm，翅片厚度為0.11 mm。

板翅式顯熱回收裝置采用親水鋁箔制成單元體；單元體的波紋板交叉疊積，并用膠使其峰谷與隔板粘結而成，兩股氣流呈交叉形流過換熱器。其中波狀翅片既起輔助傳熱的作用，又起支撐和導流作用。

1.2 實驗內容

本次實驗的主要目的是為了研究機組在相同的進口空氣狀態下，不同的旁通風量對機組性能的影響，實驗設定新風參數為35 ℃/28 ℃，排風參數為27 ℃/19.5 ℃。實驗在標準焓差室內完成，如圖2，實驗室包括室內側和室外側兩個環境模擬間及測量和控制系統等，測試過程中所有測試參數均通過自動采集保存至計算機中，并由預先設置的算法進行計算并輸出。圖3為實驗室測試的樣機，表1為主要儀表的測量精度。

圖2 實驗室原理圖

圖3 測試樣機

表1 主要儀表精度

2 實驗結果與分析

在保持室內排風風量為2,700 m3/h，排風參數為27 ℃/19.5 ℃，新風風量保持3,000 m3/h，新風參數為35 ℃/28 ℃，改變新風通過板翅式顯熱回收裝置的風量，通過對樣機的壓縮機排氣溫度、排氣壓力、吸氣溫度、吸氣壓力、制冷量、輸入功率、單位功率除濕量、能效比等參數的變化，研究機組在改變旁通風量時的運行性能。實驗結果如圖4～圖8所示。

隨著通過板翅式顯熱回收裝置的新風量的減少，換熱量減少，進入蒸發器的空氣溫度上升，導致蒸發器中的制冷劑壓力升高，進而使得壓縮機吸氣溫度和吸氣壓力升高，這從圖4和圖5中曲線的變化趨勢可以看出。如圖4所示，隨著旁通風量從0增加至3,000 m3/h，壓縮機吸氣溫度從0.7 ℃上升到5.2 ℃，吸氣壓力從500.2 kPa上升至578.5 kPa。

圖4 壓縮機排氣、吸氣溫度變化趨勢

圖5 壓縮機排氣、吸氣壓力變化趨勢

從圖6中可以看出，隨著旁通風量從0增加至3,000 m3/h，制冷量和輸入功率都增加，制冷量從34,957 W上升至40,564 W，上升了16.0%，主要是因為，本文采用的測試方法是空氣焓差法，隨著旁通風量的增加，通過板翅式熱回收裝置的空氣流量降低，使得處理后的新風與室外未處理新風的換熱量下降，出口空氣的溫度從29.84 ℃降低至17.57 ℃，出口空氣焓值從53.17 kJ/kg降低至48.74 kJ/kg，進出口空氣焓差增大，制冷量也隨之增大。機組輸入功率從9,538 W上升至9,900 W，上升了3.8%。

圖6 制冷量與輸入功率變化趨勢

圖7表明，隨著旁通風量從0增加至3,000 m3/h，出口空氣的干球溫度從29.84 ℃降低至17.57 ℃，但是出口空氣的露點溫度卻從12.45 ℃上升至17.07 ℃，主要是由于隨著旁通風量的增加，進入蒸發器的空氣溫度會升高，制冷系統增加了一部分的顯熱負荷，使得去除的潛熱負荷降低，空氣含濕量增加，空氣露點溫度也會隨之上升。另外由于通過板翅式熱回收裝置的室外新風流量的降低，換熱量下降，導致出口空氣的溫度降低。

圖7 出口空氣干球溫度和露點溫度變化趨勢

圖8表明，隨著旁通風量從0增加至3,000 m3/h，單位輸入功率除濕量會隨著旁通風量的增加而降低，這是由于室外新風通過板翅式熱回收裝置回收了處理后新風中的冷量，用于冷卻室外新風，低干球溫度高相對濕度的空氣通過蒸發器，機組大部分冷量用于去除空氣中的潛熱負荷，降低空氣含濕量，除濕量增大。從名義工況數據反應，室外新風全部通過熱回收裝置和不通過熱回收裝置，單位輸入功率除濕量從3.23 kg/(h?kW)上升至4.39 kg/(h?kW)，增大了35.8%。

圖8 機組能效比與單位輸入功率除濕量變化趨勢

在溫濕度獨立控制系統中，新風的主要目的是去除室內的濕負荷，而不是用來控制室內溫度的，因此理論上來說新風出口溫度的高低不需要由室內溫度的變化而發生改變。但是新風出口溫度也不應過低，如果過低并低于室內空氣露點溫度，就會發生結露現象，另外由于送風溫度變低風口空氣的擴散性變差，會形成局部過冷的現象，對室內人員產生不適感，因此新風出口溫度不宜過低。就本文系統來說，按名義工況新風出口溫度在17.57 ℃～29.84 ℃，出口含濕量在0.00904 (kg/kg(a))～0.01224 (kg/kg(a))。如按室內空氣狀態參數干球27 ℃、濕球19.5 ℃，此時室內空氣的含濕量為0.01117 (kg/kg(a))，如若新風出口的空氣含濕量比此值大，新風就不能去除室內濕負荷，還會給室內增加濕負荷。如若新風出口空氣干球溫度大于27 ℃，室內空調器不僅要承擔室內的顯熱負荷，還需要承擔一部分新風的顯熱負荷。因此實際旁通風量的大小應取決于房間內濕負荷的大小和外界環境參數。

3 結論

本文在對預冷式熱回收新風除濕機進行了性能測試，得出以下結論：

1）當壓縮機吸氣溫度過低時，通過旁通一部分新風不經過熱回收裝置可提高壓縮機吸氣溫度，改善機組的運行工況，提高機組運行穩定性；

2）改變旁通風量的大小對機組出口溫度影響很大，在名義工況時，機組無旁通風量時出口溫度為29.84 ℃，機組全旁通時，即所有的新風均不經過熱回收裝置，此時出口溫度為17.57 ℃。

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