金洪文，高 杲，畢見勝

（1.長春工程學(xué)院；2.吉林省建筑能源供應(yīng)及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心，長春130012；3.鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑行業(yè)的裝修材料也應(yīng)運(yùn)而生出多種合成材料。隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)密閉性的提高和為了達(dá)到保溫效果盡量減少室外冷風(fēng)的侵入等措施的采用，造成室內(nèi)污染物排放或稀釋不及時(shí)，這種環(huán)境中的人們表現(xiàn)出嚴(yán)重的因缺少新風(fēng)的病態(tài)反應(yīng)，如“呼吸道系統(tǒng)、胸悶、過敏等癥狀［1］”。這些問題通過自然通風(fēng)解決不了，就迫使專業(yè)技術(shù)人員想辦法采用強(qiáng)制通風(fēng)解決此類問題。強(qiáng)制通風(fēng)通常在公共建筑中使用，隨著人們進(jìn)一步提高了對(duì)健康的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)在部分高端住宅也安裝了戶式新風(fēng)換氣機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)換氣。

采用新風(fēng)換氣機(jī)保證了室內(nèi)新風(fēng)換氣，但新風(fēng)量的大小也直接影響著熱損失。在這方面各個(gè)國家對(duì)新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的要求不盡相同，我國對(duì)建筑物內(nèi)新風(fēng)量的規(guī)范要求不如國外制定得早，如英國、日本以及美國規(guī)定每人每小時(shí)的新風(fēng)量或每平方米的新風(fēng)量，見表1。這對(duì)正確評(píng)價(jià)和計(jì)算新風(fēng)能耗提供了幫助。

新風(fēng)量越大對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)越有利，但是隨之而來的是能量的過高消耗。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，新風(fēng)負(fù)荷占到房間熱負(fù)荷總的30%［2］左右。因此新風(fēng)量的大小對(duì)建筑能耗影響很大，我們既要考慮室內(nèi)空氣品質(zhì)，又要考慮能耗，所以采用具有熱回收功能的新風(fēng)換氣機(jī)保證新風(fēng)量是目前普遍采用的辦法，但效率普遍不高，仍然有一部分排風(fēng)廢熱沒有被回收。盡管這部分能量數(shù)值不是很大，但全國住宅面積基數(shù)較大，因此該部分能量損失匯總數(shù)值不可忽略。尤其是在寒冷地區(qū)，這種熱損失就會(huì)更大，本文設(shè)計(jì)的空調(diào)型新風(fēng)換氣系統(tǒng)能夠更多地回收新風(fēng)換氣中排風(fēng)的廢熱。

表1 各個(gè)國家對(duì)新風(fēng)量的標(biāo)準(zhǔn)［2］

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新風(fēng)換氣機(jī)原理如圖1所示，新風(fēng)和排風(fēng)進(jìn)行間接換熱，在此過程中室內(nèi)排風(fēng)經(jīng)過換熱后溫度有所下降并排出室外，此時(shí)排風(fēng)溫度一定高于（冬季）室外溫度。這部分排風(fēng)還存有部分廢熱沒有回收。而熱泵空調(diào)原理是從低溫環(huán)境吸收熱量轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境，相對(duì)而言經(jīng)過換氣機(jī)的排風(fēng)環(huán)境就是低溫環(huán)境，進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)是高溫環(huán)境，這恰好為風(fēng)冷式熱泵空調(diào)工作提供便利條件，因?yàn)轱L(fēng)冷式熱泵空調(diào)在寒冷地區(qū)不適合低溫啟動(dòng)且制熱效果受環(huán)境溫度影響，即溫度越低制熱效果越差，反之越好，熱泵空調(diào)原理如圖2所示。

圖1 新風(fēng)換氣機(jī)原理

圖2 熱泵空調(diào)工作原理

空調(diào)型新風(fēng)換氣系統(tǒng)是結(jié)合新風(fēng)換氣機(jī)和風(fēng)冷式熱泵空調(diào)2種設(shè)備的特點(diǎn)，集二者功能于一體的節(jié)能型新風(fēng)換氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。圖中設(shè)備2是低溫環(huán)境中的蒸發(fā)器，吸收排風(fēng)熱交換后的廢熱，設(shè)備3是在高溫環(huán)境中放熱的冷凝器，向新風(fēng)管路中釋放熱量。在圖中有2處釋放熱量的位置，虛線框中設(shè)備3的位置是在熱量釋放給熱交換后的新風(fēng)出口，前者是在熱交換前的新風(fēng)入口。哪種位置對(duì)吸熱和放熱效果更好、更有利廢熱回收需要通過能量分析來確定。

圖3 空調(diào)型新風(fēng)換氣系統(tǒng)原理圖

2 能量分析

空調(diào)型新風(fēng)換氣機(jī)的能量分析包括新風(fēng)換氣機(jī)的能量分析和熱泵空調(diào)的能量分析，二者的能量分析應(yīng)分別包括冬季和夏季的，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)地點(diǎn)在寒冷地區(qū)，冬季更具有地域的代表性，故此以下論述都圍繞冬季設(shè)備能量分析進(jìn)行。

2.1 新風(fēng)換氣機(jī)能量分析

目前常用的新風(fēng)換氣機(jī)能量回收效率一般為60%～80%［3－6］，這就意味著有20%～40%的熱量沒有被回收。描述新風(fēng)換氣機(jī)回收能量的多少可以用顯熱效率、全熱效率、濕熱效率等，因?yàn)楸敬窝芯康牡攸c(diǎn)是長春地區(qū)，新風(fēng)和排風(fēng)的相對(duì)濕度變化不大，吸收排風(fēng)廢熱和釋放這部分熱量都屬于定壓換熱過程，故采用顯熱效率計(jì)算方法，新風(fēng)換氣機(jī)選用的是國產(chǎn)品牌，新風(fēng)和排風(fēng)量都為2 000m3／h，制熱顯熱交換效率為78%，電機(jī)功率為0.41kW。

新風(fēng)換氣機(jī)顯熱回收能量計(jì)算公式為：

式中：Qx為新風(fēng)換氣機(jī)顯熱得熱量，W；cp為空氣定壓質(zhì)量比熱容，kJ／kg·K；ρ為空氣密度，kg／m3；Lx為新風(fēng)換氣機(jī)的交換新風(fēng)量，m3／h；t1、t2為新風(fēng)換氣機(jī)排風(fēng)側(cè)進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)溫度，℃。

2014年12月29日連續(xù)記錄數(shù)據(jù)如圖4所示。室外平均溫度為－6℃，經(jīng)過新風(fēng)換氣機(jī)后的平均送風(fēng)溫度為14℃，室內(nèi)排風(fēng)平均溫度為20.5℃，經(jīng)新風(fēng)換氣機(jī)后平均溫度為11.5℃。則顯熱回收量為：將數(shù)值帶入公式計(jì)算有

排風(fēng)損失掉的熱量為

折合每立方米的風(fēng)量熱損失的量為

圖4 監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)新風(fēng)和排風(fēng)溫度變化情況

2.2 熱泵空調(diào)能量分析

本次實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的熱泵型空調(diào)是一臺(tái)分體式房間空調(diào)機(jī)，額定制熱功率770W，標(biāo)定制熱量為2 600W?？照{(diào)的使用與室外環(huán)境有較大關(guān)系，一般正常工作環(huán)境為－5～40℃。室外機(jī)的環(huán)境溫度越低，空調(diào)的制熱效率就越低。熱泵型空調(diào)器的制熱輸出能力會(huì)隨外氣溫下降而衰減，且這一衰減的幅度是相對(duì)較大的。部分熱泵型空調(diào)器當(dāng)室外機(jī)在環(huán)境溫度為0℃時(shí)，其制熱能力只相當(dāng)于外氣溫7℃標(biāo)準(zhǔn)測試工況的60%左右；當(dāng)外氣溫再下降到－5℃時(shí)，其制熱能力只有標(biāo)準(zhǔn)工況時(shí)的45%左右。因此，本次實(shí)驗(yàn)時(shí)室外機(jī)放在排風(fēng)出口位置，這大大提高了室外機(jī)工作環(huán)境溫度（實(shí)測是11.5℃），也提高了制熱效果。

空調(diào)機(jī)制熱系數(shù)公式為

式中：Q1為熱泵高溫?zé)嵩传@得熱量，W；Q2為熱泵在低溫?zé)嵩次盏臒崃?，W。這里Q2的值是排風(fēng)損失掉的熱量Qs。

本次采用的空氣源熱泵制熱系數(shù)為4，吸收熱交換過程中排風(fēng)損失熱量3.8kW，在實(shí)際工況下該熱泵空調(diào)能夠獲得的熱量是

熱泵空調(diào)能夠從排風(fēng)環(huán)境中吸收廢熱3.8kW的熱量，經(jīng)過熱泵提升其品質(zhì)獲得5.1kW的熱量，這部分熱量對(duì)于進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)來說是非常有益的。如果給新風(fēng)再次加熱，提高進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)溫度，就能解決因新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)而多消耗的熱量問題。

新風(fēng)獲取熱量后，能夠使得新風(fēng)獲得溫升的計(jì)算式為

式中Δt為新風(fēng)獲得的溫升，℃。其他符號(hào)意義同前。

將數(shù)值帶入公式計(jì)算新風(fēng)溫升為

但是新風(fēng)從室外到室內(nèi)管路分為進(jìn)入新風(fēng)換氣機(jī)的進(jìn)風(fēng)段和出風(fēng)段。將這部分熱量釋放在新風(fēng)進(jìn)入新風(fēng)換氣機(jī)入口段還是出口段位置，需要通過分析才能得出結(jié)果。

3 新風(fēng)加熱位置分析

3.1 加熱位置在新風(fēng)換氣機(jī)入口段

加熱位置如圖5（a）所示，啟動(dòng)空調(diào)后新風(fēng)入口段換熱器與新風(fēng)是屬于間接接觸換熱，且在此過程中空氣變化屬于定壓過程，所以空氣保持等含濕量線進(jìn)行再熱溫度升高，過程變化如圖5（b）所示，實(shí)驗(yàn)期內(nèi)室外平均溫度為－6℃，入口新風(fēng)獲得5.1kW后溫度升高值為：

此時(shí)經(jīng)過新風(fēng)換氣機(jī)的新風(fēng)送風(fēng)溫度為

圖5 加熱在新風(fēng)入口段

計(jì)算出的溫度與沒有設(shè)置熱泵時(shí)候的交換后溫度差3.5℃，且與室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度相差很大。說明盡管將這部分熱量釋放給了新風(fēng)，但是再次經(jīng)過新風(fēng)換氣機(jī)時(shí)有熱損失，因此這部分熱量的供熱效果就不明顯。這說明新風(fēng)入口溫度對(duì)結(jié)果影響很大。那么加熱新風(fēng)位置如果放置在新風(fēng)出口段結(jié)果又如何呢？

3.2 加熱在新風(fēng)出口段

加熱位置點(diǎn)如圖6（a）所示，空氣加熱過程如圖6（b）所示。此時(shí)空氣相對(duì)濕度變低，是因?yàn)榻?jīng)過新風(fēng)換氣機(jī)一次換熱，空氣被干燥了，在獲得相同熱量的條件下，加熱的起點(diǎn)是14℃，將這部分熱量釋放給經(jīng)過新風(fēng)換氣機(jī)后段的新風(fēng)獲得的送風(fēng)溫度為

在等含濕量不變的情況下將溫度提升到21.6℃送入室內(nèi)，比采暖設(shè)計(jì)溫度高3.6℃。這時(shí)新風(fēng)不但不會(huì)消耗室內(nèi)熱量，反而會(huì)為室內(nèi)提供一部分熱量。這說明將加熱位置放在新風(fēng)出口段比入口段效果好。

圖6 加熱在新風(fēng)出口段

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

分析得出，加熱位置在新風(fēng)出口段效果非常明顯，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于入口段獲得的效果，該溫度已經(jīng)滿足室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)的溫度要求。如果不采用熱泵技術(shù)，送入室內(nèi)的空氣溫度為14℃，而通常室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18℃，如果沒有熱泵系統(tǒng)工作，這樣的空氣送入室內(nèi)需要消耗室內(nèi)熱量計(jì)算公式為

式中：Qxh為新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)需要消耗的熱量，W；Lx為新風(fēng)換氣機(jī)的交換風(fēng)量，m3／h；tN為室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度，℃；其他同前。

將數(shù)據(jù)帶入計(jì)算這部分耗熱量為

如果需要維持室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，在沒有啟用熱泵空調(diào)系統(tǒng)時(shí)需要多消耗2.7kW。排風(fēng)損失的熱量為3.8kW，如果將這部分熱量直接補(bǔ)充到室內(nèi)，從量上能滿足新風(fēng)消耗掉的熱量，但是3.8kW廢熱為低品位能源，不通過熱泵技術(shù)提高不了能源品質(zhì)，直接應(yīng)用是不可行的。且采用熱泵技術(shù)將廢熱品質(zhì)提升，能夠獲得5.1kW熱量，這樣不但滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度要求，保證室內(nèi)舒適程度，還能節(jié)約很多能量，在寒冷地區(qū)一個(gè)采暖季節(jié)每立方米風(fēng)量能夠節(jié)約的標(biāo)煤量為

在2 000m3／h的實(shí)驗(yàn)風(fēng)量下，空調(diào)型新風(fēng)換氣系統(tǒng)一個(gè)采暖季節(jié)省標(biāo)煤轉(zhuǎn)換電量為3 868（kw·h）／a，同時(shí)減少污染物CO2的排放1.85kg／（a·m3）。對(duì)環(huán)境效益的價(jià)值是不可估量的。

在經(jīng)濟(jì)效益方面，因?yàn)椴捎脽岜每照{(diào)型新風(fēng)換氣系統(tǒng)與常規(guī)新風(fēng)換氣機(jī)相比，以1匹的熱泵空調(diào)為例，增加的設(shè)備費(fèi)用為1 000元左右，實(shí)驗(yàn)風(fēng)量下的空調(diào)新風(fēng)換氣機(jī)節(jié)省因回收排風(fēng)廢熱加熱新風(fēng)而節(jié)省燃煤轉(zhuǎn)換電量為3 868（kW·h）／a，因熱回收需要增加的熱泵空調(diào)運(yùn)行電量為：

這樣每年運(yùn)行節(jié)省電量為726（kW·h）／a，按當(dāng)下電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，即節(jié)省費(fèi)用為378元／a。

以實(shí)驗(yàn)設(shè)備為參照對(duì)象，計(jì)算增加設(shè)備投資回收年限，目前國內(nèi)外最簡單的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析方法為靜態(tài)投資回收年法［7］，這種方法又稱簡單經(jīng)濟(jì)分析法，這種方法不考慮資金的時(shí)間價(jià)值。按靜態(tài)投資回收期法計(jì)算其系統(tǒng)回收年限公式為

計(jì)算靜態(tài)投資回收年限為

盡管每立方米風(fēng)量在一個(gè)采暖季節(jié)省0.7kg標(biāo)煤，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用不多，但系統(tǒng)投資回收年限短，在寒冷的采暖地區(qū)因建筑面積的基數(shù)比較大，節(jié)省費(fèi)用的總量非?？捎^，同時(shí)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的效益是不可忽視的。

5 結(jié)語

在目前應(yīng)用的新風(fēng)換氣機(jī)基礎(chǔ)上，利用熱泵技術(shù)回收熱交換后排風(fēng)中廢熱，用來解決新風(fēng)耗能問題。經(jīng)過分析得到如下結(jié)論：回收的廢熱通過熱泵空調(diào)提升能量品質(zhì)，釋放給進(jìn)入室內(nèi)新風(fēng)，加熱位置在新風(fēng)出口段比入口段效果顯著；每個(gè)采暖季節(jié)每立方米風(fēng)量節(jié)省0.7kg標(biāo)準(zhǔn)煤，對(duì)環(huán)境效益作用不可忽視。

利用熱泵技術(shù)吸收廢熱提升能源品質(zhì)，加熱新風(fēng)，提高室內(nèi)舒適程度，節(jié)約能量，空調(diào)型新風(fēng)換氣系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的推廣應(yīng)用具有很大的可行性。

［1］夏向群.新風(fēng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響［J］.中外建筑，2001（2）：87－88.

［2］毛俊俊.空氣能量回收裝置在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用效果研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011：58－62.

［3］李敏，于蕾，林豹，等.淺析住宅用能量回收新風(fēng)換氣機(jī)的應(yīng)用［J］.制冷與空調(diào)，2005（4）：64－65.

［4］魏向利，劉曉偉，高福彬，等.改善住宅室內(nèi)空氣品質(zhì)必要新風(fēng)量的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國住宅設(shè)施，2005（2）：32－34.

［5］金偉力.新風(fēng)換氣機(jī)用于新風(fēng)換氣系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［Z］.株式會(huì)社西部技研，2013：200.

［6］王丹，溫周平，關(guān)典，等.住宅用新風(fēng)換氣機(jī)的研究［J］.節(jié)能，2004（5）：28－29.

［7］殷平.新型板式全熱交換器研制——經(jīng)濟(jì)分析［J］.暖通空調(diào)，2006，36（3）：53－58.