热泵热回收新风机组和热管热泵低温热能回收机组的节能比较

Vol.14，No.6Nov.，2012POWERDSM|热泵热回收新风机组和热管热泵低温热能回收机组的节能比较李杨（吉林建筑工程学院,长春130021）Energy⁃savingcomparisonbetweenthelow⁃temperatureheatrecoveryunitsofheatpipe&heatpumpandtherecoveryfreshairheatpumpunitsLIYang（JilinArchitecturalandCivilEngineeringInstitute，Changchun130021，China）文章编号：1009-1831（2012）06-0019-03Abstract：Thefreshairunitsareoftenharmedbyfrostbite,runninginthewinterofthecoldandseverecoldregionsinourcountry;itbringsonthedeclineofindoorairquality.Inordertosolvetheaboveproblems,thepaperadvancedthemethodofthefreshairhandlingunitsincombinationwiththeheatpumpunitsandthelow⁃temperatureheatrecoveryunitsofheatpipe&heatpump.Itcomparedtheenergy⁃savingandrecoveryperiodofthetwomethodthroughexperimentalresearch.Keywords：coldregions;theair⁃sourceheatpump;heatpipeheatpump;energysavingcomparison中图分类号：F407.61;TK018文献标志码：C摘要：在我国严寒地区，空调机组在冬季工况运行时经常发生冻损现象，以至于不能保证室内空气品质。为解决上述问题，提出了利用空调新风机组分别与热泵和热管相结合的方式，即热泵热回收新风机组和热管热泵低温热能回收机组。通过实验研究对2种结合方式的节能性、回收年限进行了分析比较。关键词：严寒地区；空气源热泵；热管热泵；节能比较我国的建筑能耗已占全国总能耗的30%以上[1]。在建筑能耗中，暖通空调能耗约占85%，能源利用水平和利用率与发达国家还有一定差距。为了提高能源利用水平和利用率，必须采取相应的节能措施[2]。热泵热回收新风机组和热管热泵低温热能回收机组利用热能回收装置，有效回收排风的热量，预热新风，降低机组负荷，提高系统的经济性和节能性。1实验系统组成为方便叙述，将热泵热回收新风机组简称为实验一，将热管热泵低温热能回收机组简称为实验二。选取朝向相同、均带有北向钢窗的、面积和层高基本相同的2个房间作为实验房间。实验一设备由空调室内机、空调室外机、新风通道、排风通道、阀门、静压箱、数据采集仪、计算机等组成。实验二是在实验一的基础上加装热管换热器。2实验部分2.1实验原理实验一的原理是机组在冬季工况下，利用热泵机组的冷凝器预热引入室内的新风，从而可避免严寒地区室外冷空气对传统新风机组中水加热盘管的冻损；利用热泵新风机组的蒸发器回收建筑排风热量，实现热回收作用，同时可以提高热泵机组在严寒地区冬季工况的性能。实验二的原理是在实验一原理的基础上，首先采用热管的冷凝段对新风进行预热，之后通过冷凝器再对预热过的新风进行二次加热。热管由中间的加热段和两端的冷却段组成。在冬季工况运行时，空调的冷凝器停止工作，排风侧成为加热段，另外两段为冷却段，新风流经换热器时被预热。2.2实验结构图实验一和实验二的结构图如图1和图2所示。实验二即在排风管和新风管之间加装了热管􀃊􀁉􀁔。2.3实验方法2.3.1实验理论根据实验一机组的实际制热量为Q1=M0cp(t0-ts)（1）式中:Q1为空气源热泵的制热量，kW；M0为新风量，kg/s；cp为空气的定压比热，kJ/(kg·℃)；t0为冬季空调室外空气计算温度，℃；ts为送风温度，℃。实验二机组的实际制热量为◆能效与负荷管理◆收稿日期：2012-06-25作者简介：李杨(1983)，女，吉林长春人，在读博士，从事建筑环境控制系统节能研究。19|电力需求侧管理第14卷第6期2012年11月Q2=M0cp(ts-tH)（2）式中：Q2为热管热泵新风机组实际制热量，kW；tH为混风后的温度，℃。实验二热泵实际的制热量为Q3=M0cp(tw″-tw′)（3）式中：Q3为热泵实际的制热量，kW；tw″为新风经过热泵加热后温度，℃；tw′为新风出热管的温度，℃。实验二热管的实际制热量为Q4=M0cp(tw′-tw)（4）式中：Q4为热管的实际制热量，kW；tw为冬季室外新风的温度，℃。新风通过实验二机组吸收的总的热量为QZ=Q3+Q4（5）2.3.2测试期间系统的运行结果与分析实验一和实验二均在我国东北严寒地区最冷月进行实验实测，利用实验分析法对20天的测试期间以及测试期间最冷日的数据进行分析。图3为实验一测试期间温度变化折线图。当室外温度在-18.05～-29.10℃之间变化，平均气温为-22.97℃时，从图3中可以看出，系统运行期间送风温度在2.86～15.67℃之间变化，平均温度为10.87℃。排风温度在-17.52～-8.14℃之间变化，平均排风温度为-13.65℃。图4为实验二测试期间温度变化折线图。当室外温度在-18.05～-29.10℃之间变化，平均气温为-22.97℃时，从图4中可以看出，系统运行期间送风温度在3.72～16.53℃之间变化，平均温度为11.73℃。排风温度在-18.39～-9.01℃之间变化，平均排风温度为-14.52℃。2.3.3最冷日系统的运行结果与分析选取测试期间最冷日作为典型性实验，分析在最冷日条件下，温度变化和系统运行状况。图5为实验一测试期间最冷日温度变化折线图。图1实验一结构图-40.00-30.00-20.00-10.000.0010.0020.0030.0040.00N#N&1!#EN#NE&1: ! #N### 
122612271228122912301231111213141516171819110111112113114图4实验二测试期间温度变化折线图①压缩机；②翅片管蒸发器；③翅片管冷凝器；④节流装置；⑤四通换向阀；⑥液体分离器；⑦排风机；⑧新风机；⑨、⑩电动保温风阀；􀃊􀁉􀁓联动自控调节风阀；􀃊􀁉􀁔热管图2实验二结构图XFPFHP9'1')19'1')19'1')1图3实验一测试期间温度变化折线图    
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图6实验二最冷日温度变化折线图-40.00-30.00-20.00-10.000.0010.0020.008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:000:002:004:006:00N#EN#N## 
图5实验一最冷日温度变化折线图从图5可以看出，新风温度在-24.1～-33.9℃之间变化，平均温度为-29.7℃。送风温度变化范围为1.97～12.07℃之间变化，运行期间日平均送风温度为6.15℃。在最冷时刻（4：00），送风温度保持在1.97℃。图6为实验二测试期间最冷日温度变化折线图。从图6可以看出，新风温度在-24.1～-33.9℃之间变化，平均温度为-29.7℃。送风温度变化范围为2.1～12.2℃之间变化，运行期间日平均送风温度为6.2℃。在最冷时刻（4：00），送风温度保持在2.1℃。2个实验在测试期间和最冷日均满足新风预热温度需求，有效的解决严寒地区冬季新风机组冻损问题，延长严寒地区新风机组运行时间。排风温度被降低，证明系统有效地回收了排风的热量，真正起到了节能减排的目的。3节能分析比较3.1制热量、能效比（COP）值和热回收效率的比较根据实验数据，整理绘制出2个实验系统在实验测试期间的制热量、COP值和热回收效率的折线图，如图7所示。从图7中可以看出，实验一的系统制热量在3.27～3.9kW之间变化，平均值是3.63kW；系统的COP在2.75～3.28之间变化，平均值为3.05；热回收效率在0.72～0.87之间变化，平均值是0.79。实验二的系统制热量在3.79～3.99kW之间变化，平均值是3.79kW；系统的COP在3.16～3.33之间变化，平均值为3.24；热回收效率在0.72～0.91之间变化，平均值是0.81。3.2最冷日制热量、COP值和热回收效率的比较根据实验数据，整理绘制出2个实验系统在实验测试期间最冷日的制热量、COP值和热回收效率的折线图，如图8所示。从图8中可以看出，在最冷日里，实验一的系统制热量在3.15～3.78kW之间变化，平均值是3.54kW；系统的COP在2.63～3.15之间变化，平均值为2.95；热回收效率在0.67～0.82之间变化，平均值是0.73。实验二的系统制热量在3.70~3.90kW之间变化，平均值是3.76kW；系统的COP在3.08～3.25之间变化，平均值为3.17；热回收效率在0.70～0.89之间变化，平均值是0.76。从图7和图8对比可以看出，由于实验二的新风经过热管的冷凝段预热之后，又通过热泵的冷凝器$01$01$01图7制热量、COP值和热回收效率折线图
$01$01$01图8最冷日制热量、COP值和热回收效率折线图21|电力需求侧管理第14卷第6期2012年11月对引入室内的新风进行二次加热，因此，实验二在整个测试期间和最冷日的系统制热量、COP值和热回收效率均高于实验一。3.3两组实验的投资回收年限比较对热泵、热管进行经济效益评价时，常选用投资回收年限法[3]，利用公式（6）计算β=CFh(CB-CH)（6）式中：β为投资回收期，年；CF为热泵、热管热回收新风机组的单位初投资，元/kW；CB为传统供热方式单位供热量价格，元/kWh；CH为热泵、热管热回收新风机组单位供热量价格，元/kWh；h为热泵、热管热回收新风机组年运行小时，h。实验一的初投资为3280元，由式（6）可以算出β=3280元/k