空气源热泵热回收新风净化机组性能研究

作者

杨彩青，单明，李元哲

（北京市建筑设计研究院有限公司，清华大学建筑技术科学系）

摘要

建筑自然通风对去除室内污染物，改善室内空气品质非常重要，尤其是在雾霾天气下。但是，冬季增加自然通风会增加建筑的采暖负荷。为此，本文研发了一种空气源热泵回收新风机组。该机组不但可以减少建筑供暖负荷和运行费用，而且可以对进入室内的新风进行处理改善室内空气品质。

关键词

空气源热泵；热回收；新风净化机

1. 建筑通风的作用及重要性

建筑通风一般是指以室外新风置换室内被污染的空气，在公共建筑尤其是人员密集的建筑，如教室、会议室等，污染物主要是人体生理活动引起的二氧化碳、不良气味、粉尘及室内装修污染，人体二氧化碳的排放约15L/h人，由此形成了对室外新风的需求量，以所需新风量置换室内排风就可以同时去除不良气味及粉尘，使二氧化碳日平均值达到1000PPm限值《GB/T18883-2002室内环境质量标准》。

但是，北方冬季雾霾天气时有发生，新风直接进入室内为不可行，必须加以净化，当前实践证明用物理的过滤方法并在一定时间加以清洗或更换，使pm2.5等降低至35mg/m³，最高至75mg/m³，再送入室内是可行的，《CJJ/T309-2013建筑通风效果测试与评价标准》；此外，党的十九大提出要满足人民生活日益增长的美好需要，还必须重视建筑内的热舒适度，把温度过低的新风直接引入室内或夏季温湿度过高的新风直接引入室内，也是不可取的。总之，在有人员活动尤其是人员密集的建筑内，供给适量的经过净化的有适当温湿度的新风对保证人体健康有重要意义，在当今社会应该引起足够的重视，也是目前一般空气调节不能实现的。

2. 新风量与新风负荷

对于居住建筑，一般规定每小时最低换气次数为0.5次，即换气量为与使用面积相应的建筑内体积的一半。对于以北京为代表的北方寒冷地区，冬季最冷天形成的新风热负荷占一般建筑采暖热负荷的20%，占节能建筑的40%左右，而在人员密集 的 公 共 建 筑 如 会 议 室 等 ， 规 范（GB50736-2012）规定每人所需最小新风量为 22~24m³/h·人[1]，对于中小学教室，由于学生有课间活动，新风量可以减少至15~20m³/h人，当雾霾天门窗紧闭时，该新风量是必须的。假设小学教室的建筑内使用面积为60m²，内部坐有40人听课，则平均新风换气量为 600~800m³/h，按采暖室温为20℃，假设早晨上课时室外温度为 -2℃，如新风出风温度定为20℃，则新风负荷为4400~5860W，折合每平米建筑面积 82~110W/m2；又假设该教室属于中等节能建筑，单位面积基本采暖设计热负荷为60W，则新风换气热负荷与基本采暖负荷之比高达1.3~1.8：1，新风耗热量占总采暖负荷的 57~64%，由此可见，为保证新风换气量，供暖能耗增量是比较大的，如果不采取措施，就大大增加了设备的初投资和运行费。值得注意的是，新风负荷不是时刻都存在的，在公共建筑中没有人无需送新风，所以，它应该与建筑的基本负荷区别对待、单独处理，特别是在间歇使用的建筑中没有人员在时，时常以较低的值班负荷运行，这时就更不应该带有新风负荷。此外，根据作者的经验，在大型多功能公共建筑中不易设置集中的送新风系统，否则，不仅新风被沿途风道污染，而且不是按需要的房间供给，从而造成浪费。所以，研究、发展节能、高效的局部的小型新风装置是经济合理的。

3. 新风净化系统的技术发展

3.1 室内空气净化装置

由前述，一般居住建筑所需新风量及新风负荷都不大，尤其是建筑面积大居住人少的民用房屋，靠卫生间和厨房的机械排风和开窗或渗透的自然通风就可以满足要求，有的还加用新风进化器。如图 1所示：所以这类建筑加装全面的机械通风系统尚不多。

3.2 热交换器式的热回收空气净化装置

这类装置中安装有空气净化过滤网，由于室外空气较多的低于或高于室温，为了节约能量，引进室外空气时利用内排出空气所具有的剩余热量或冷量与其进行交换，统称为热回收技术，其装置称为热回收装置。空气净化热交换器式的热回收装置分为显热和全热回收两大类，即通过显热或全热交换器回收排风中的显热（冷）或全热（热、冷、湿），改善新风送风的温、湿度条件的装置，当排风中含有害气体的时候，这类装置要注意有气流渗漏，当新风露点低于室温时，要防止这类装置中产生凝露。又由于全热交换器价格昂贵，以及北方寒冷地区冬季室内的湿度普遍不高，因此，冬季是交换的作用不大，所以，当前热回收装置多为板式或板翅式显热交换器。如图2所示，其系统及原理见图3。根据国标“空气-空气能量回收装置”（GB/21087-2007）[2] 中对无结露的装置规定了如下的冬季试验工况：即制热工况下的新风干球温度 5℃，湿球温度 2℃，排风干球温度 22℃，湿球 17℃。

 

 

当新风和排风量相等时，热回收装置的效率定义为：

 

式中：tx1——新风进口干球温度，℃；

tx2——新风出口干球温度，℃；

tp1——排风进口干球温度，℃。

该效率的含义是：新风经过热交换器后其温度接近排风温度的程度，合格值的上限为60%，（实际中排风量应当约为送风量的90%，所以效率比上式值低些）目前不少企业经过改进达到70%。

根据上述规定由上式计算出制热工况的新风出口干球温度为tx2= tx1+(tp1-tx1)×70%，以北京为代表的北方寒冷地区为例，早晨上八点课时外干球温度为2℃，室内温度为 18℃，则根据上式，新风送风温度为 2℃+（18-2）℃ ×70%=13.2℃，该温度远低于规范 GB5736-2012规定的热舒适度要求。据社会有代表性的调查，某教室送入较低温的新风时，“送风10分钟室内温度下降 3.5℃，”[4] ，因此，使用这种装置还需要在建筑的供暖设备中增加部分新风负荷，如基本采暖负荷50%的供热量。

3.3 热泵式热回收新风净化装置

热泵是一种很好的节能装置，第一可以把低品位热能提升为可用的高品位热，第二可以以输入少量高品位电能获取比它高几倍的热能，例如，在以北京地区为代表的寒冷地区全冬季供暖平均能效比可达到 2.5~3左右，夏季能效比可达3.7以上[5]，遗憾的是，目前普通的分体式空调热泵还普遍不能处理新风，而本文所指的热泵是采用创新的技术，将送入室内的新风达到室内空调的温湿度，其技术难度在于冬季要把室外温度低的新风一次性处理为合格的送风温度，夏季可将室外的热湿风一次性处理为室内空调的温度和湿度，例如冬季从0℃加热到20℃，提升20℃，而一般空调只能将室内的循环风加热5~10℃，夏季送风温湿度可以达到24℃、60%左右。因为上述的装置利用了室内排风的余热、冷，如冬季利用室内20~22℃的排风，供给热泵的吸热端，以提高放热端的温升和热量；夏季利用排风中的冷量，如30℃左右，去冷却热泵高温端，增大放热量，使热泵高压下降，以实现低温端将室外新风降温降湿的目的，这种技术称为热泵热回收新风处理装置，其中再加装三级过滤器构成新风净化装置，以消音风道送入室内。该产品通过了清华大学建筑环境监测中心“空气净化器除细颗粒颗性能评估”。

 

 

图4给出了该装置的原理，由于室内需要维持正压以阻挡室外有污染物的空气从门窗缝隙渗入室内，本装置控制排风量为送风量的90%。这种处理过程不是简单的热交换式热回收，而是将回收热、冷用在逆卡诺循环中完成的，因此它可以用少量的电能提高其处理空气的品位，因而，不需要在建筑的采暖空调装置中再增加新风或部分新风负荷，形成独立承担负荷的新风装置，这是简单的热交换却不能做到的，它的用电量是只出现在使用时。

4. 技术经济分析

 

4.1 系统设备安装与售后维修等

热交换式热回收新风净化装置，无论是安装在天花板上还是作为柜式机组落地安装，不但占用了建筑室内空间，而且装在天花板位置施工复杂、维修困难、也难免有噪声；而空气源热泵热回收新风净化机组，所有部件都在室外机内，仅有送风道和分布式出风口、回风口，与室内装饰配合，因而，清洗、更换过滤器、维修电器件都在室外完成，安装、维修便捷。

 

4.2 两种产品送风温湿度及能耗的对比

如前述，热交换式热回收新风机组的机理可知，送入室内新风的热舒适度永远低于室内环境的热舒适状态，即冬季温湿度较多的低于室内，如果说如前述送新风时人们用穿羽绒服来抵挡的话，夏季虽然至今没有见到测试数据，但送出比室内温湿度还要高的新风对室内造成了怎样的影响？可想而知，有人说冬季送新风可以加电补热（夏季则不可能），那么我们对比一下两种新风机组耗电的情况：

我们用数据来说话，2017年至2018年冬季空气源热泵热回收新风机组分别在北京清华附小昌平校区教室和天津宝坻某中学教室进行了实测，机组风量皆为556m³/h，在2017年至2018冬季最冷四天的早晨实测数据如下：

北京地区，外温-5℃，室温15.4℃，新风送风 15.3℃，新风与送风温差20.3℃，排风进口 16.8℃，排风出口-5.4℃，机组总耗电量1106w，cop3.4；

天津宝坻，外温-4.5℃，室温13℃，新风送风20.3℃，新风与送风温差20.8℃，排风进口 15℃，排风出口-4.6℃，机组总耗电量1410.5w，cop3.25。

从比较发现，北京地区机组充氟量不足，高低压偏低，是安装时造成的，今后要注意改进。

以下以同样的室温和外温数据，与热交换式热回收装置的效果进行对比：

如天津地区外温-4.5℃，室温13℃，相同风量556m³/h，假设热交换效率70%，新风送风温度等于-4.5+（13+4.5）×0.7%=16.15-4.5=11.65℃，以这个温度吹风是人体难以接受的，清华大学李兆基楼某实验室内工作人员用这样的话语形容这一感受“一送新风大家立即穿上棉外衣”，该温度比天津热泵热回收机组送风温度低9.12℃，如果用电加热在热交换式热回收送风口加热到与天津宝坻机组同等的送风温度，则所需要电加热的功率是 556m³/h×9.12℃×1.3kg/m³/3.6/0.9=2034.5w， 对于两种送风机组使用的交换器送排风机电功率应当差不多，则在送风温度相同的情况下，热交换式热回收机组就比天津宝坻的压缩机耗电多2034.5w-1323w=711.5w，即711.5/1323=53%，何况二者相比还有其它因素差异。

夏季工况对比，以北京地区为例，热交换式热回收装置，向空调房间送新风，设室内温度26~28℃，相对湿度60~55%，绝对湿量是 12.7g/kg，室外空调设计干球温度33.4℃，湿球 26.4℃，相对湿度58.44%，绝对湿量19g/kg，设热交换式热回收是显热交换，效率为70%，则送风温度是33.4+（26-33.4）℃ ×0.7=28.22℃，而湿度是基本不变的，也就是说新风向室内加湿是19g-12.7g=6.3g/kg，因此，对于一般民用建筑，如教室等，热交换式新风热回收装置未见对于夏季工况的报导。

对于热泵热回收新风净化装置，2017年7月，进行过初步试验，室外干球温度33.2~34.3℃，相对湿度56~63%，送风温度23~26℃，相对湿度80%（直膨式），高压21~22kg/cm²，低压4.4kg/cm²，压缩机功率1994w，送排风机187.5w，新风送风焓差等于86kj/kg-64kj/kg=22kj/kg，新风送风冷量是556m³/h×1.157kg/m³×22kj/kg=14152kj/h=3931w，机组总耗电是1994+187.5=2181w，cop=1.8，新风送风绝对含湿量15.5g/kg，新风降湿量20.2-15.5=4.7g/kg，新风总降湿量 556m³/h×1.157kg/m³×4.7g/kg=3023g/h。

2018年6月下旬就出现了高温天气，6月30日在北京昌平清华附小教室内再次24小时测定新风机组的效果，现取14、15、16点进行分析，结果如表1所示。

由于该天气是温度高湿度不是很高，所以对于直膨式机组cop略低，节电30%左右，但是，新风降温达11.5℃是客观的；同时降湿2.5g/kg，总降湿量是每小时1.44kg。

5. 结论

空气源热泵热回收新风净化装置，是一种全新的供新风装置，它是能做空调用的新风装置，它是将进入热交换器中进行热交换的排风中的能量作为热泵的低温（冬季）、高温热源（夏季），从而实现在冬季将新风温度提高 20多度送入室内，并节电近 55% 左右；对于北方寒冷地区在不开窗通风的雾霾天气下，由于人体健康的需求使用是十分必要的，尤其是对于教室、会议室、办公室一类的人员密集型建筑，在这类建筑中，新风负荷比建筑基本负荷要大得多，冬季占到70%左右，且不是全天候需要新风，使用这种装置可以负担自身的负荷，从而减少了建筑供暖负荷的初投资和运行费。此外，这种装置是装在室外的，不占用室内空间，室内只有送、排风管道，因而大大简化了工程量，也减少了噪音，便于维护和管理。由于这类建筑主要是白天使用，所以，本文在统计以北京为代表的寒冷地区白天室外温湿度气象条件的基础上，进行了节能性分析，表明在冬季冷天使用时达到舒适性的送风温度有很好的节能效果；夏季，起到了良好的降温、降湿、节能的效果。 

 

参考文献

[1] 中国建筑科学研究院主编. 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 (GB50736-2012). 中国建筑工业出版社，2012. 

[2] 中国建筑科学研究院主编. 空气 - 空气能量回收装置（GB/21087-2007）. 中国标准出版社，2007. 

[3] 陆耀庆主编. 暖通空调设计指南. 中国建筑工业出版社，1996. 

[4] 取自2016年九华山庄会议的有关调查报告 6 

[5] 李元哲. 空气源热泵散热器采暖在北方寒冷地区的应用. 供热制冷，2016.4. 

[6] 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系. 中国建筑热环境分析专用气象数据集. 中国建筑工业出版社，2005. 

第一作者简介：

杨彩青，女，1979年 10 月，博士

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