空氣源熱泵回收空調系統排風能量的應用

劉坡軍

廣東省建筑設計研究院

0 引言

據統計空調能耗作為大型公共建筑的主要能耗之一，已占總能耗的40%～60%[1]。排風熱回收作為一項節能技術在建筑節能方面潛力巨大。采用各類熱回收裝置回收排風能量，可使供暖空調能耗降低約10%～20%[2]。

對于排風熱回收在GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》第7.3.23中規定：設有集中排風的空調系統，且技術經濟合理時，宜設置空氣—空氣能量回收裝置；在第7.3.24中規定：空氣能量回收裝置的設計，應符合下列要求：1）能量回收裝置的類型，應根據處理風量、新排風中顯熱和潛熱的構成以及排風中污染物種類等選擇；2）能量回收裝置的計算，應考慮積塵的影響，并對是否結霜和結露進行核算。

在GB 50189-2015《公共建筑節能設計標準》第4.3.25中規定：設有集中排風的空調系統經技術經濟比較合理時，宜設置空氣—空氣能量回收裝置。嚴寒地區采用時，應對能量回收裝置的排風側是否出現結露或結露現象進行核算。當出現結露或結露時，應采取預熱等保溫防凍措施。在第4.3.26里規定：有人員長期停留且不設置集中新風、排風系統的空氣調節區域或空調房間，宜在各空氣調節區或空調房間分別安裝帶熱回收功能的雙向換氣裝置。

在GB/T 50378-2014《綠色建筑評價標準》第5.2.13中規定：排風熱量回收系統設計合理并運行可靠，評價分值為3分。

1 空氣源熱泵回收空調系統排風能量

將空調排風引到空氣源熱泵室外換熱器處，在通過室外機換熱器自帶的風扇自動調節風量。系統原理圖見圖1，某辦公樓空氣源熱泵回收空調平面接管圖見圖2。

圖1 空氣源熱泵回收空調系統排風能量圖

圖2 某辦公樓空氣源熱泵回收空調平面接管圖

室外空氣溫度和濕度對于熱泵的功率和性能系數（制冷系數和制熱系數）都有很大的影響，一般來說，在蒸發溫度不變的條件下，熱泵的制冷量和制冷系數是隨著冷凝溫度的下降（升高）而增加（減小）；在冷凝溫度不變的條件下，熱泵的制熱量和制熱系數是隨著蒸發溫度的下降（升高）而減?。ㄔ黾樱?。表1為某風冷式熱泵機組在不同室外空氣溫度條件下的性能參數。

表1 某風冷式熱泵機組在不同室外氣溫下的性能參數

由表1可知，在制冷工況下，以室外空氣溫度為35℃做基準，在蒸發溫度不變的條件下，室外空氣溫度每降低或升高1℃，制冷系數增加或減少約2.2%；在制熱工況下，以室外空氣溫度為7℃做基準，在冷凝溫度不變的條件下，室外空氣溫度每降低或升高1℃，制熱系數減少或約增加1.3%左右。引入空調排風熱，即可實現降低空氣源熱泵冷凝器的冷凝溫度（夏季）或提高空氣源熱泵的蒸發器的蒸發溫度（冬季），從而提高制冷系統的制冷系數或供熱系統的制熱系數，增加制冷和供熱效率，減少電力消耗。同時，在設計選擇空氣源熱泵機組容量的時候就能降低機組的規格和型號，減少機組設備投資和運行費用。

2 幾種常見的空調熱回收設備

常見的熱回收設備有轉輪式、板翅式全熱換熱器和熱管式、液體循環式。其中根據熱量回收方式分為全熱回收和顯熱回收。所謂全熱換熱器是用具有吸濕作用的材料制作的，它既能傳熱又能傳濕，可同時回收顯熱和潛熱。顯熱換熱器用沒有吸濕作用的材料制作，只有傳熱，沒有傳濕能力，只能回收顯熱。

1）轉輪式。轉輪熱回收分顯熱回收以及全熱回收兩種方式分。顯熱回收轉輪的材質一般為鋁箔，全熱回收轉輪材質為具有吸濕表面的鋁箔材料或其他蓄熱吸濕材料。轉輪作為蓄熱芯體，新風通過轉輪的一個半圓，而同時排風通過轉輪的另一半圓，新風和排風以相反的方向交替流過轉輪。新風和排風間存在著溫度差和濕度差，轉輪不斷地在高溫高濕側吸收熱量和水分，并在低溫低濕側釋放，來完成全熱交換。

2）板式（板翅式）。顯熱類型板式（板翅式）熱回收裝置多以鋁箔為間質，全熱類則以紙質等具有吸濕作用的材料為間質。這類熱回收裝置使用效果的好壞主要取決于換熱間質的類型和結構工藝水平的高低。隨著材料技術和工藝的進步，現在有些板式全熱回收裝置采用了納米氣體分離復合膜作為熱質交換材料，全熱交換效率更高，空氣阻力大幅度下降，熱質交換材料的孔徑更小，延長了換熱器壽命。

3）熱管式。熱管是依靠自身內部工作液體相變來實現傳熱的高效傳熱元件，它可以將大量熱量通過其很小的截面積長距離地傳輸而無需外加動力。熱管以其構思巧妙、傳輸溫差小、適用溫度范圍廣、可調控管內熱流密度等眾多優良特性。在能量回收和余熱利用方面已顯示出其獨特的作用。熱管換熱器屬于冷熱流體互不接觸的表面式換熱器，它具有的占地小、無轉動部件、運行安全可靠、換熱效率高等優良特性。熱管一端為蒸發端，另一端為冷凝端，熱管一端受熱時，液體迅速蒸發，蒸汽在微小壓力差作用下流向另一端，并且快速釋放熱量，而后重新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細作用流回蒸發端。如此循環，熱量可以源源不斷地進行傳遞。

4）液體循環式。又稱為中間熱媒式，即通過泵驅動熱媒工質的循環來傳遞冷熱端的熱量，具有新風與排風不會產生交叉污染和布置方便靈活的優點。但是需配備循環泵來輸送中間熱媒，因此傳遞冷熱量的效率相對要低，不回收潛熱，本體動力消耗較大。

上述熱回收裝置的一個共同特點是體積較大、投資較大，并且需要把排風和新風管道引到建筑物內同一區域才能實現，在具體的工程設計當中，需要解決機房的面積相對較大、管道系統復雜等技術問題。目前實際工程中對于空調系統排風能量的回收很不充分，雖按照標準的規定處理，也只回收了大部分排風的能量。各種排風熱回收裝置特點[6]見表2：

表2 排風熱回收裝置的特點

3 排風熱回收裝置節能量的計算

3.1 排風熱回收回收裝置節能量計算方法

以夏季采用顯熱回收裝置回收空調系統排風中的冷量為例來計算系統的節能量。通過換熱裝置可回收的能量：

式中：Q為換熱器回收的總冷量，kW；ρ為空氣的密度，取 1.2 kg/m3；Lo為新風量，m3/s；cp為空氣的比定壓熱容，取1.01 kJ/(kg℃)；tw和tn分別為室外和室內的空氣溫度，℃；ηr為換熱器的相應效率。當tw＜tn時，Q為負值，給系統帶來的是負收益。

運行裝置需要消耗能量，對于非溶液循環式和熱泵型裝置，可用下式來計算：

式中：Nz為風機所消耗的軸功率，kW；Le為系統的排風量，m3/s；p為風機的風壓，Pa；對于不配備風機的熱回收裝置，p則為裝置的阻力，下標o，e分別表示新風側和排風側；η，ηm分別為風機的效率和傳動效率。

將回收的冷熱量換算為需要消耗的能源如電能：

式中：COPs為未安裝熱回收裝置的系統運行過程中的能效比。

增加熱回收裝置后，系統的節能量E通過下式計算：

式中：δ1，δ2根據運行時的天氣情況和系統形式確定，取0或 1。

計算某時段安裝熱回收裝置后系統總能量的節省量ET

式中：Π為系統的運行時段。

對于冬季采用顯熱回收裝置的系統，其熱回收量計算可直接將上述各式中的室外溫度tw與室內溫tn交換位置；對于應用全熱回收裝置的系統，將上述各式中的cptw，cptn，ηr換成室外空氣比焓hw，室內空氣比焓hn和全熱交換器的效率ηrq即可。

3.2 排風熱回收回收裝置節能量分析

排風熱回收裝置運行需要消耗能量，常見的排風熱回收裝置除了克服風管的壓力損失，還需克服產品自身的壓力損失（從表1可知，產品壓力損失為100～1000 Pa不等）。由式（2）、～（5）可知，排風熱回收系統引起的空調通風系統附加阻力越高，系統消耗的能量越大，系統總能量的節省量ET越小，熱回收的意義也就越小。

利用空氣源熱泵回收空調系統排風能量的熱回收方式時，只需要增加克服從排風口到空氣源熱泵處的輸送排風的管道阻力的能量，該部分阻力較小，系統消耗的能量小，系統總能量的節省量ET大，熱回收的效果明顯。

4 結束語

對熱回收裝置在空調系統中的應用進行了初步的探討，分析了幾種常見的空調熱回收設備特點。采用何種排風熱回收形式，應結合項目實際情況，根據當地地理、氣候條件，需處理的空氣特性等條件綜合考慮，并結合空調熱回收設備特點，進行全年運行經濟性分析后確定。

利用空氣源熱泵回收空調系統排風能量，是一種系統簡單，節能效果好的一種熱回收方式，是空調系統節能設計的一種思路。