阿曼古麗·開恩斯 成家豪 曹 祥 張春路 朱建華

(1 同濟大學制冷與低溫工程研究所 上海 201804；2 浙江歆風空調(diào)有限公司 嘉興 314000)

隨著人們家居條件的日益改善，室內(nèi)空氣品質(zhì)問題備受關(guān)注，越來越多的建筑引入了新風除濕系統(tǒng)[1]。新風除濕系統(tǒng)是改善空氣質(zhì)量的關(guān)鍵設備[2-3]，一方面將新鮮空氣通過過濾殺菌后排除室內(nèi)污濁的空氣，另一方面可將經(jīng)熱濕處理的新風送入房間[4]。

基于蒸氣壓縮式熱泵原理[5-6]的冷卻除濕型[7]新風機，因維護簡單、運行可靠及初投資較低的優(yōu)勢被廣泛應用于住宅建筑中。該類型的新風機按結(jié)構(gòu)形式可分為分體式[8]和整體式[9]，其中，分體式新風機組換熱器面積大、除濕效率高，但安裝復雜；整體式新風機組[10]因結(jié)構(gòu)緊湊，安裝便利等特點得到廣泛應用，但緊湊的整體式新風除濕熱泵存在傳熱面積受限、空氣流動阻力大、除濕能力不足、能效偏低等問題。因此，如何在緊湊結(jié)構(gòu)的約束下提升系統(tǒng)的除濕能力和能效成為該領域的研究熱點。熱回收技術(shù)[11-13]為解決該類問題提供了方案，可采用雙風道系統(tǒng)[14-16]，回收回風冷能用于熱泵散熱，避免制冷劑冷凝熱進入室內(nèi)，降低了系統(tǒng)功耗。F. Fucci等[17]采用全熱交換器，回收回風冷能預冷新風，使蒸發(fā)器換熱中無用顯熱的占比減少。Cao Xiang等[18]提出采用三換熱器構(gòu)型的新風除濕系統(tǒng)，通過回收回風過冷熱和混風冷凝熱，提升了除濕能效。上述方法在一定程度上改善了系統(tǒng)能效，但仍存在送風溫度較低、運行模式有限等缺陷。

本文在三換熱器構(gòu)型的基礎上提出一種基于四換熱器構(gòu)型的熱泵熱回收型新風除濕系統(tǒng)，可實現(xiàn)夏季制冷除濕、冬季制熱、過渡季節(jié)內(nèi)循環(huán)等多種運行模式，滿足各種應用場景下的新風除濕需求，同時進一步提升了系統(tǒng)的除濕能力和能效。

1 系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)單風道新風除濕系統(tǒng)運行時，制冷劑冷凝熱和回風直接排至室外，造成冷能損失，系統(tǒng)能效較低，難以達到9.5 g/(kg干空氣)的送風含濕量要求。而采用雙風道的二換熱器系統(tǒng)[15]，在制冷工況下，送風側(cè)，蒸發(fā)器吸收新風中的熱量，將低溫空氣送入室內(nèi)。排風側(cè)，室內(nèi)回風經(jīng)過冷凝器，帶走少部分冷凝熱。二換熱器系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

DB干球溫度；WB濕球溫度。

三換熱器構(gòu)型的新風除濕系統(tǒng)[18]，在制冷工況下，送風側(cè)，吸入的新風一部分通過蒸發(fā)器降溫除濕送入室內(nèi)，另一部新風從風口進入排風通道。排風側(cè)，室內(nèi)回風先經(jīng)過過冷盤管，再與新風混合，共同經(jīng)過冷凝器，帶走冷凝熱。三換熱器系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 三換熱器構(gòu)型的系統(tǒng)

本文提出的四換熱器系統(tǒng)(表1圖示)由風路和制冷劑環(huán)路構(gòu)成：1)風路包括送風和回風風道，送風風道設有新風和送風風口，回風風道設有回風和排風風口，送風和回風風道間設有將二者連通的混風風門，各風口均設置伺服驅(qū)動的風門。2)制冷劑環(huán)路由壓縮機、四通換向閥、排風風管、過冷盤管、第一膨脹閥、再熱盤管、第二膨脹閥、送風盤管順次連接而成。再熱盤管前后分別設置膨脹閥，用于不同模式間的切換。制冷劑環(huán)路中還設置旁通支路，采用可調(diào)三通閥調(diào)節(jié)進入再熱盤管制冷劑的狀態(tài)，滿足夏季制冷除濕下不同負荷的需求。

通過調(diào)節(jié)風門和閥件，該系統(tǒng)具有不同運行模式，如表1所示。

表1 四換熱器系統(tǒng)各模式運行原理

2 仿真設計

根據(jù)四換熱器構(gòu)型系統(tǒng)的運行原理，在制冷空調(diào)系統(tǒng)通用仿真平臺GREATLAB[19]中建立的新風除濕機組的部件及系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3 基于GREATLAB的系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)國標GB/T 40397—2021《戶式新風除濕機》[20]中對新風除濕機組送風狀態(tài)的要求，并基于GREATLAB仿真模型完成了系統(tǒng)的優(yōu)化設計。各部件選型及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 部件選型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 模型驗證

基于仿真設計，制作完成四換熱器新風除濕樣機并投入現(xiàn)場測試運行。以風量300 m3/h為例，樣機如圖4所示，由風路和制冷劑環(huán)路構(gòu)成。風路包括新風、送風、回風、排風和混風5個風口。制冷劑環(huán)路主要包括4個盤管和壓縮機等部件。

圖4 四換熱器新風除濕機樣機

實驗在標準焓差實驗室內(nèi)進行，制冷/熱量測量的不確定度為±5%。利用熱電偶、壓力傳感器及溫濕度傳感器測量制冷側(cè)和空氣側(cè)的測點。各測點所用測量儀表的精度如表3所示。

表3 測點類型及儀表精度

根據(jù)新國標[20]的規(guī)定，測得各運行模式下樣機的實驗數(shù)據(jù)，并按下式計算得到機組的性能參數(shù)。樣機實測性能和仿真結(jié)果對比如表4所示。由表4可知，對于送風溫度、除濕量、總功耗等性能參數(shù)，仿真誤差不超過±5%，從而驗證了GREATLAB仿真平臺的仿真精度。

表4 樣機模擬和實測數(shù)據(jù)的對比

制冷/制熱量：

Qa=ρiL(h2-h1)

(1)

式中：Qa為機組空氣測的換熱量，kW；h1、h2分別為機組新風、送風焓值，kJ/(kg干空氣)；ρi為噴嘴處空氣密度，kg/m3；L為噴嘴的風量，m3/s。

除濕量：

G=3.6ρiL(d2-d1)

(2)

式中：G為實測的除濕量理論計算值，kg/h；d1、d2分別為機組新風、送風含濕量，g/(kg干空氣)。

單位能耗除濕量SMER(kg/(kW·h))：

SMER=G/W

(3)

式中：W為系統(tǒng)總功耗，包括風機和壓縮機的功耗，kW。

機組COP：

COP=Qa/W

(4)

4 性能分析

本文在新國標規(guī)定[20]的名義制冷工況下(室外35/28 ℃,室內(nèi)27/19.5 ℃)，對二換熱器、三換熱器和四換熱器構(gòu)型的新風除濕系統(tǒng)的效率進行了綜合對比，為保證結(jié)果的合理性，各構(gòu)型系統(tǒng)在排風風道使用相同的總傳熱面積，結(jié)果如表5所示。由表5可知，二換熱器系統(tǒng)的冷凝溫度已經(jīng)超過壓縮機允許最高冷凝溫度(65 ℃)，難以通過升高壓縮機頻率進一步降低送風含濕量至9.5 g/(kg干空氣)。且二換熱器系統(tǒng)的SMER僅為1.32 kg/(kW·h)，而三換熱器系統(tǒng)的SMER為2.12 kg/(kW·h)，相比二換熱器系統(tǒng)提升37.7%，這是因為三換熱器系統(tǒng)通過回收回風過冷熱和混風冷凝熱，使系統(tǒng)過冷度增大，制冷量升高，同時降低了冷凝溫度，從而提升了整個制冷循環(huán)的除濕能效。但三換熱器系統(tǒng)的送風溫度較低，為13.8 ℃，不能滿足新國標中送風溫度大于22 ℃的要求。四換熱器系統(tǒng)的SMER為3.27 kg/(kW·h)，相比三換熱器系統(tǒng)提升了35.2%，相比二換熱器系統(tǒng)提升了59.6%，這是因為四換熱器系統(tǒng)進一步回收了新風再熱過程的冷能和低溫冷凝熱，降低了冷凝溫度，提升了系統(tǒng)除濕能力。此外，因四換熱器系統(tǒng)增加了再熱盤管，使送風溫度提升，解決了三換熱器送風溫度不能滿足新國標要求的問題。

表5 不同構(gòu)型機組性能對比

從經(jīng)濟性角度，四換熱器系統(tǒng)比二、三換熱器系統(tǒng)傳熱面積增加約14%，而換熱器約占系統(tǒng)總材料成本的20%，則總材料成本僅增加約3%。從控制復雜性角度，由于四換熱器系統(tǒng)的制冷劑側(cè)依然是一個單回路制冷系統(tǒng)，空氣側(cè)也僅增加了風門等少量部件，所以控制硬件并不復雜?？刂扑惴ǖ膶嶋H調(diào)試表明控制效果良好。

本文還對各構(gòu)型系統(tǒng)在變工況下的性能進行了對比。在各構(gòu)型機組送風風量為300 m3/h，室內(nèi)干球溫度為27 ℃，室內(nèi)濕球溫度為19.5 ℃，室外相對濕度為60%的工況下，保持送風含濕量為13.8 g/(kg干空氣)，仿真計算結(jié)果如圖5和圖6所示?？芍?，在除濕負荷較小的情況下，二換熱器系統(tǒng)的性能較三換熱器系統(tǒng)和四換熱器系統(tǒng)更好。但隨著室外除濕負荷的增加，三換熱器系統(tǒng)和四換熱器系統(tǒng)的性能優(yōu)勢逐漸顯著，其除濕能效遠高于二換熱器系統(tǒng)。原因是三換熱器系統(tǒng)和四換熱器系統(tǒng)充分回收了回風過冷熱和混風冷凝熱，具備更好的散熱條件，所以這兩種系統(tǒng)在較高的除濕負荷下性能更佳，而二換熱器系統(tǒng)在較低的除濕負荷下表現(xiàn)更好。在極端情況下，新風無除濕負荷，系統(tǒng)冷凝溫度較低，無需混風。此時，應關(guān)閉三換熱器系統(tǒng)和四換熱器系統(tǒng)的混風風門，降低排風風機的轉(zhuǎn)速，以提升系統(tǒng)能效。

圖5 不同工況下系統(tǒng)制冷COP的對比

圖6 不同工況下系統(tǒng)SMER的對比

在加熱模式下，保持室內(nèi)干球溫度為21 ℃，室內(nèi)濕球溫度為13 ℃，仿真計算結(jié)果如圖7所示。可知，四換熱器系統(tǒng)具有良好的制熱性能。當室外溫度較低、送風溫度較高時會導致較高的熱負荷，熱負荷的增加會降低蒸發(fā)溫度，從而使系統(tǒng)性能下降，結(jié)霜風險(圖7陰影區(qū))上升。因此，在冬季氣候不是很寒冷的地區(qū)(如上海)，只要保持送風溫度低于35 ℃，即可有效避免結(jié)霜問題。

圖7 不同工況下系統(tǒng)制熱COP的對比

5 結(jié)論

本文提出一種基于四換熱器構(gòu)型的熱泵熱回收型新風除濕系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能通過全面回收內(nèi)外部冷能，提升系統(tǒng)的除濕能力和能效，同時滿足新國標中對送風溫度和送風含濕量的要求。又能通過流路轉(zhuǎn)換實現(xiàn)夏季制冷除濕、冬季制熱、過渡季節(jié)內(nèi)循環(huán)等多種運行模式，滿足各種應用場景下的新風除濕需求。經(jīng)樣機測試驗證和仿真對比分析，得到如下結(jié)論：

1)四換熱器構(gòu)型的新風除濕系統(tǒng)仿真與樣機測試結(jié)果吻合良好，關(guān)鍵性能參數(shù)的誤差在±5%以內(nèi)。

2)四換熱器構(gòu)型的新風除濕系統(tǒng)在名義制冷工況下除濕能效SMER達3.27 kg/(kW·h)，相比三換熱器構(gòu)型提升35.2%，相比二換熱器構(gòu)型提升59.6%；在變工況下，隨著室外除濕負荷的增加，四換熱器構(gòu)型的系統(tǒng)能效優(yōu)于二換熱器和三換熱器構(gòu)型的系統(tǒng)。