Fcnki_排风热回收装置的优化

大比例，一般 大 于 ３０％，因 此，充 分 回 收 建 筑 排 风 中 的 能 量 ，可 以 有 效 降 低 建 筑 能 耗 。
近年来暖通空调工作者在排风热回收方面做
为 了 充 分 回 收 排 风 中 能 量 ，本 文 提 出 综 合 采 用 全 热 回 收 与 热 泵 热 回 收 措 施 ，回 收 排 风 中 的 余 热 及 余湿用于处理新风。该设备可根据室外气象条件
＊
０ 引 言
调排风品位相对 室 外 空 气 较 高 且 稳 定，因 此，有 学
随着城市建筑业的蓬勃发展和人们居住条件 者提出将其作为空气源热泵的热源以回收其中的
的改善，建筑能耗增长很快，据统计，民用建筑能耗 能量，研究表明其 具 有 较 好 的 节 能 效 果，但 没 有 说
占社会总能 耗 的 比 例 从 ２００５ 年 的 １４．９％ 上 升 到 明空气源热泵 的 处 理 对 象 是 新 风 还 是 循 环 风 。 ［６－７］
关键词 转轮换热器 热泵 能量回收 优化 混风比
Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｆｒｏｍ ｅｘｔｒａｃｔ ａｉｒ
Ｂｙ Ｗｅｉ Ｊｉｎｉｎｇ★ ，Ｔａｎ Ｃｈｕａｎ，Ｙａｎｇ Ｇｅｎｓｈｅｎｇ，Ｘｉｅ Ｑｉａｏ，Ｘｉｅ Ｙｕ，Ｈａｎ Ｚｏｎｇｗｅｉ ａｎｄ Ｄｉｎｇ Ｈｕｉｔｉｎｇ
＊☆ 魏季宁，男，１９５７年４月生，大学，高级工程师，主任 △ 谢峤（通讯作者） １０００８６ 北京海 淀 区 西 三 旗 桥 东 上 奥 世 纪 中 心 Ｂ２ 座 １００６ 室
（０）１３９１１７２６９８８ Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｅｑｉａｏ５５５＠１６３．ｃｏｍ 收 稿 日 期 ：２０１１－１１－０１ 修 回 日 期 ：２０１２－０６－１４
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｗｉｔｈ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ，ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ａｎ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ａｉｒ ｖｏｌｕｍｅ ｂｙｐａｓｓ ｄｕｃｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｏｕｔｄｏｏｒ ａｉｒ ｄｕｃｔ ａｎｄ ｅｘｔｒａｃｔ ａｉｒ ｄｕｃｔ ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｏ ａｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｃｈａｒｔ ａｎｄ ａｉｒ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｗｉｎｔｅｒ ａｎｄ ｓｕｍｍｅｒ．Ｄｅｖｅｌｏｐｓ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｒｅｖｅａｌｓ，ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｙｐａｓｓ ｄｕｃｔ ｃａｎ ｍａｒｋｅｄｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｍｉｘｔｕｒｅ ｒａｔｉｏ ｉｓ ０．１５，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ＣＯＰ ｉｓ ５．４ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｕｎｉｔ，ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ １１，ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔｓ ａｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｍｉｘｔｕｒｅ ｒａｔｉｏ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｕｔｄｏｏｒ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．
行混风调节。
２ 排 风 多 级 能 量 回 收 装 置 优 化 数 学 模 型 为 了 计 算 最 佳 的 混 风 量 ，使 得 排 风 多 级 能 量 回
收 系 统 性 能 最 佳 ，进 行 轮 换 热 后 的 排 风 进 行 混 风 时 ，假 定 排 风 机 风 量 可 以 任 意 调 节 使 得 通 过 转 轮 换
图 ５ 夏 季 工 况 改 进 后 多 级 能 量 回 收 装 置 换热过程在焓湿图上的表示
２０１２（１１）
魏 季 宁 ，等 ：排 风 热 回 收 装 置 的 优 化
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工况，压缩机的耗 电 量 用 于 加 热 新 风，使 得 最 终 的
排 风 温 度 高 于 室 外 新 风 ，因 此 冬 季 工 况 下 不 需 要 进
了大量的工作，为 降 低 建 筑 能 耗 作 出 了 重 要 贡 献，
目前多采用通过显热交换器或全热交换器回收排 风 能 量 处 理 新 风 ，由 于 这 种 能 量 回 收 方 式 是 在 室 内 外空气温差或焓 差 驱 动 下 进 行 的，因 此，能 量 回 收 效 率 受 气 候 条 件 影 响 很 大 ，全 年 排 风 能 量 回 收 效 果 与气候和运 行 情 况 息 息 相 关 。 ［２－５］ 此 外，考 虑 到 空
本文拟采用转轮全热回收和热泵热回收复合 的 多 级 能 量 回 收 装 置 ，其 原 理 图 及 冬 夏 热 湿 处 理 过 程 如 图 １～３ 所 示 。
图 １ 多 级 能 量 回 收 装 置 原 理 图
Ｏ 室 外 新 风 状 态 点 Ｓ 转 轮 换 热 后 新 风 状 态 点 Ｓ１ 蒸 发 器 冷 却 除 湿 后 送 风 状 态 点 Ｒ 回 风 状 态 点 Ｅ 转 轮 换 热 后 排 风 状 态 点 Ｅ１ 排 风 状态点
暖通空调 ＨＶ＆ＡＣ ２０１２年第４２卷第１１期
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排风热回收装置的优化
国电环境保护研究院 魏季宁☆ 谭 川 杨根生 北京水木泽清能源科技有限公司 谢 峤△ 谢 宇 东北大学 韩宗伟 丁慧婷
摘要 该装置将全热回收与热 泵 热 回 收 相 结 合，通 过 在 排 风 道 与 新 风 道 之 间 增 加 可 调 节 风量旁通风道的措施来解决冷凝 温 度 过 高、热 泵 性 能 降 低 的 问 题。 介 绍 了 其 原 理 图 和 冬 夏 季 热湿处理过程。建立了该装置的数学模型，并对其主要运行参数进行了 优 化。 结 果 表 明，增 加 旁通风道的措施 可 显 著 降 低 热 泵 冷 凝 温 度，设 计 工 况 下 最 优 混 风 比 为 ０．１５，对 应 热 泵 机 组 ＣＯＰ 为５．４，热回收装置的性能系数为１１，在不同室外气象条件下存在最优混风比。
了２００９ 年 的 １７．１％。 其 中 增 长 最 为 迅 速 的 是 公 文献［８］利用排风热泵热回收处理新风，研究表明，
共建筑，单位面积能耗指标远高于居住建 筑 。 ［１］ 而 热泵和新风机在 北 方 寒 冷 地 区 冬 季 运 行 性 能 大 大
公共建筑中新风空调负荷在总空调负荷中占有很 改善。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｒｏｔａｒｙ ｗｈｅｅｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ｈｅａｔ ｐｕｍｐ，ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｍｉｘｔｕｒｅ ｒａｔｉｏ
★ Ｓｔａｔｅ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ
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暖通空调 ＨＶ＆ＡＣ ２０１２年第４２卷第１１期
设备开发
的变化随时改变 工 况，减 少 运 行 能 耗；新 风 通 过 排 风热湿回收后，空 调 末 端 除 湿 要 求 大 大 降 低，可 采 用高蒸发温度的冷水机组以提高空调冷源的运行 性能。 １ 排 风 多 级 能 量 回 收 装 置 原 理 及 其 改 进
图 ３ 冬 季 工 况 多 级 能 量 回 收 装 置 换 热 过 程 在 焓 湿 图 上 的 表 示
来自建筑内部的排风与室外新风首先通过转 轮换热器交换显 热 和 潜 热，进 行 第 一 级 能 量 回 收， 夏 季 空 调 工 况 时 ，新 风 通 过 全 热 交 换 被 冷 却 、除 湿 ， 在全热交换器后分别设置热泵装置的蒸发器和冷 凝 器 ，通 过 蒸 发 器 采 用 直 接 蒸 发 式 进 一 步 使 新 风 降 温、降湿处理到与 室 内 等 比 焓 的 饱 和 状 态 点，同 时
热器的新风量固定为额定新风量。
２）在 不 同 室 外 新 风 参 数 下，假 定 热 泵 热 回 收
装置可以通过调节使得送风状态点为室内状态点
Ｒ 的等比焓线与相对湿度９５％的交点。
在图５中室内状态点Ｒ 与室外状态点Ｏ 的状 态参数为已知条 件，基 于 上 述 假 设 可 知，送 风 状 态
点Ｓ１ 也 是 已 知 状 态 点，其 中，Ｒ，Ｓ１ 为 已 知 固 定 状 态点，Ｏ 为已知变化状态点。
由 于 排 风 不 仅 需 带 走 新 风 多 余 的 热 量 ，还 需 带 走压缩机的耗电 量，使 得 排 风 温 度 较 高，经 计 算 在 南京 地 区 夏 季 额 定 计 算 参 数 （ｔＯ ＝３４．８ ℃，ｄＯ ＝ ２１．８９ｇ／ｋｇ）下，经 过 冷 凝 器 后 的 排 风 温 度 可 达 ５０．７ ℃，热泵性能相对较差，必须采用其他措施提 高多级能量回收装置性能。为了改善热泵机组的 冷 却 状 况 ，考 虑 在 多 级 排 风 能 量 回 收 装 置 中 的 排 风 通道全热交换器与冷凝器之间增加一个与新风通 道进行混风的通道，如 图 ４ 所 示，并 在 该 通 道 中 设 置风量调 节 阀，以 根 据 进 风 参 数 的 变 化 调 节 混 风 量 ，同 时 排 风 机 设 置 变 频 调 速 装 置 以 确 保 固 定 的 新 风量 和 最 佳 的 新、排 风 混 风 量。 由 图 ５ 可 以 看 出， 混风后的排风温度较混风前显著降低。对于冬季
图 ２ 夏 季 工 况 多 级 能 量 回 收 装 置 换 热 过 程 在 焓 湿 图 上 的 表 示
将这部分热量连同压缩机的耗电量通过冷凝器排 放 到 排 风 中 。 与 显 热 交 换 和 全 热 交 换 不 同 ，由 于 采 用 热 泵 装 置 ，新 风 的 送 风 状 态 点 温 湿 度 可 以 低 于 室 内状态点，排风状 态 点 高 于 室 外 空 气 状 态 点，因 此 从 某 种 意 义 上 说 ，该 方 式 不 仅 仅 是 一 种 排 风 能 量 回 收 ，还 是 以 排 风 作 为 热 源 的 空 气 源 热 泵 系 统 。 由 于 新 风 被 处 理 到 与 室 内 等 比 焓 的 状 态 点 ，因 此 相 对 于 室 内 负 荷 来 说 ，总 负 荷 不 变 ，但 增 加 了 除 湿 负 荷 ，减 少了显热负荷；在 冬 季 工 况 时，新 风 通 过 全 热 交 换 器被加热加湿后，被 热 泵 装 置 冷 凝 器 （夏 季 工 况 时 为蒸发器）等湿升 温 到 室 内 温 度，之 后 通 过 加 湿 器 等 温 加 湿 至 室 内 状 态 点 湿 度 ，由 于 冬 季 工 况 可 以 将 新 风 处 理 至 室 内 状 态 点 ，因 此 对 于 室 内 热 湿 负 荷 特 性没有影响。