雙冷源新風機組多工況運行方式的研究

趙羽 張欽 張愛華

中國建筑科學研究院有限公司

0 引言

雙冷源新風機組，即采用兩種不同蒸發溫度的冷源，高溫冷源承擔系統大部分的室內顯熱負荷和新風負荷，低溫冷源為輔助冷源，主要承擔濕負荷和小部分新風負荷[1]。

本文采用的新風機組分為新風和排風通道，內部帶有直膨式冷源，新風先經過與高溫冷源供水的預冷表冷器初步降溫除濕，后經過蒸發器深度除濕，冷凝器排熱可再熱新風或通過有組織排風排至室外，送風溫度可通過兩個冷凝器的調節閥開度實現調節，機組內部構造如圖1：

圖1 新風機組原理圖

本文將采用地源熱泵機組作為高溫冷源和熱源，末端采用上述新風機組（新風量500 m3/h）和輻射空調系統，探討新風機組在不同運行模式下的運行策略和費用，并對比分析。新風機組主要參數見表1：

表1 新風機組相關參數

1 運行方式的劃分

1.1 氣象和運行模式的劃分

根據北京市近10 年全年室外氣象參數，以室外干球溫度DB（℃）和相對濕度RH（%）作為劃分依據，將其分為5 個氣象分區并對應5 種運行模式（見圖2和表2）：I 和II 區對應夏季工況，根據室外溫度的高低確定是否開啟輻射系統，熱泵和新風機組內置直膨機均運行；III 和IV 區對應過渡季工況，可自然通風、機械通風或在濕度高的“黃梅天”開啟新風機組除濕并再熱，無需開啟熱泵機組；V 區對應冬季制熱工況，熱泵機組開啟，新風機內置直膨機不啟動。

圖2 運行模式在焓濕圖上的劃分

表2 運行模式的劃分

1.2 不同運行模式下新風機組工況分析

1.2.1 I 區

該工況（圖3）適用于高溫高濕的天氣，由地源熱泵提供17 ℃高溫冷凍水，室外新風經過預冷表冷除濕和蒸發除濕后，溫度降為11.4 ℃，含濕量8 g/kg，一部分冷凝熱用于再熱新風送入室內，一部分冷凝熱通過排風排至室外。新風承擔室內潛熱和小部分顯熱負荷，大部分顯熱負荷由輻射末端平衡。

圖3 I 區運行工況示意

1.2.2 II 區

該工況（圖4）適用于室外溫度相對不高但相對濕度較高的天氣，新風處理過程同I 區一致，熱泵和機組內直膨冷源共同將新風處理至8 g/kg。由于室內顯熱負荷不高，因此不用開啟輻射末端，新風承擔室內顯熱和潛熱負荷，其再熱后的送風溫度可通過設定的室溫反饋調節，以滿足室內顯熱負荷需求。

圖4 II 區運行工況示意

1.2.3 III 區

該工況適用于溫濕度均不高的過渡季，室外空氣質量較差時開啟風機過濾新風保證室內衛生的需求即可。

1.2.4 IV 區

該工況（圖5）為室外溫度偏低但相對濕度較高的過渡季節，多發于夏末秋初，室內有除濕并供熱的需求，此時無需開啟風冷熱泵機組，新風機組內置冷源對新風除濕，冷凝熱全部或大部分用于再熱新風。

圖5 IV 區運行工況示意

1.2.5 V 區

圖6 為V 區運行工況示意。冬季新風加熱至送風狀態點20 ℃，40%的等焓點后，后接濕膜加濕裝置，室內熱負荷由輻射系統承擔，大部分時段無需開啟機組內部的直膨機，僅當出現極端天氣時，其可作為補充熱源。

圖6 V 區運行工況示意

雙冷源新風機組在輻射空調系統中的優勢在于：

1）高溫冷源的利用，提高蒸發溫度，供水由原來的7 ℃可提高至17 ℃左右，系統能效比顯著提高。

2）一套水系統，可同時解決溫、濕度的解耦處理，系統簡單。

3）內冷式機組無需外接冷凍水排放冷凝熱，降低系統容量和負荷，新風再熱溫度調節范圍較大。

2 全年運行能耗對比分析

將本文所述地源熱泵+雙冷源新風機組+輻射空調系統和傳統別墅中常見的多聯機空調+市政熱力地暖的方式進行對比。其中北京市現行能源計費標準為：

1）居民用電電價：0.48 元/kWh

2）市政熱力熱計量收費：采暖費用=基本熱費×建筑面積+計量熱費×用熱量。其中：市政熱力的基本熱費為12 元/m2，計量熱費為0.16 元/kWh。

2.1 研究對象

本文研究對象為一棟位于北京市的二層別墅建筑，套內面積210 m2，新風量500 m3/h，新風換氣次數0.78 次/h。運用動態負荷模擬軟件模擬出的逐時建筑負荷和新風負荷見表3：

表3 新風、輻射系統負荷統計

全年新風和輻射負荷不同負荷率下的時間占比如上圖7 所示：新風冷負荷率以25%為界，當新風負荷率大于25%時，對應氣象分區的I 或II 區應進行除濕降溫的處理。0～25%時段對應氣象分區的III 或IV區即過渡季節。

圖7 全年不同新風、輻射負荷率下的時間占比

通過調整新風再熱溫度可以承擔部分室內顯負荷，對應上表所示輻射冷負荷率約在60%以上的時段應開啟輻射末端，小于60%時段可由新風承擔。

2.2 方案1：地源熱泵+雙冷源新風機組+輻射空調的系統

冷熱源采用地源熱泵機組，室外設垂直地埋孔共4口，單U 管徑 ?32 mm，有效埋深為120 m。地源熱泵機組冷熱裝機容量為16.6/19.1 kW，額定輸入功率3.39/4.69 kW，夏季供回水溫度17/20 ℃，冬季供回水溫度40/37 ℃。水泵流量5 m3/h，揚程15 m，功率0.5 kW。空調水并聯兩路分別接入輻射分集水器和雙冷源新風機組。內置直膨機的能效比取為3.0。

全年能耗分項統計如表4：按北京市居民用電取費0.48 元/kWh 的標準，全年運行費用為5548 元，單位面積運行費用26.4 元/m2a。通過對夏季I、II 分區下分項能耗的對比發現：預冷表冷（即風冷機組）及蒸發除濕的能耗比基本為2:1，此能耗分配相對合理，原則上應盡量多的利用高溫冷源提高預冷表冷的比例，一方面其系統能效相對較高，另方面可降低直膨機出力過高造成的冷凝熱無法及時排放的問題。

表4 方案1 全年運行能耗統計

從表4 還可以看出，V 區能耗占比最大（59%），其主要原因是冬季新風負荷過高，若將原設計的新風量改為滿足人體衛生需求最低線的250 m3/h，則將節約能耗2540 kW，全年運行費用整體將降至20.6 元/m2，降幅達到22%。

2.3 方案2：多聯機空調+市政熱力地板采暖系統

設多聯機綜合部分負荷性能系數（IPLV）為規范[2]中的第3 等級3.2 W/W，則冬季無新風的前提下，全年能耗及運行費用如表5 所示，單位面積年運行費用29.3 元/(m2a)，較方案1 冬季250 m3/h 新風量的運行費用增加了29.6%。

表5 方案2 全年運行能耗統計

3 結論

1）雙冷源新風機組可以充分利用高溫冷源，特別適合于地源熱泵和溫濕度獨立控制系統中，系統能效比高，管路簡單，除濕可靠。

2）針對全年室外溫濕度，劃分了5 個不同的工況，給出了熱泵主機、新風機組、輻射末端的不同組合的運行模式。

3）將上述系統形式與傳統VRV+市政熱力的方式進行對比，一方面方案1 的全年運行費用較低，另一方面這種溫濕度解耦處理的方式其舒適度是傳統空調系統無法比擬的，具有一定的推廣意義。