CN103925657A - 排风源热泵驱动新风系统 - Google Patents
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Abstract
排风源热泵驱动新风系统：由热泵机组蒸发器和冷凝器以制冷+制热联供方式，一方面驱动热源侧排风空调箱，深度回收排风全热，并处理排风至接近环境工况，减少环境热污染；另一方面驱动使用侧新风空调箱，深度处理新风至接近室内工况。从而解决提高新风量必然增加空调能耗的固有矛盾，高效率、大容量提升空调节能、减排效果；新风口与排风口分开布置避免新风接触排风造成交叉污染；可实现排风回热设备的标准化设计与制造。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种排风源热泵驱动新风系统，通过排风空调箱的表冷器中循环冷／热水回收排风显热与潜热，并由热泵机组提升其热／冷量品位，以实现冬季等含湿量加热新风，夏季除湿、冷却新风的空调新风节能技术。
(二)背景技术
(1)建筑消耗全球一半电能，空调与采暖消耗建筑一半电能，美国、日本的空调与采暖消耗其总电能的1／3，瑞典甚至消耗其总电能的45％；
(2)产生剧毒物质和病菌，以及散发放射性的建筑，由于存在严重污染而无法利用回风，只得采用直流式空调，因此随巨大排风量而损失巨大热量；
(3)机房、剧场、医院、超市等公共建筑的回风式空调中，由于新风量巨大；同时排风温、湿度最接近室内设计工况，是新风处理并混合后的目标值，因此排风中蕴藏大量可用热量；
(4)普通回风式空调中由于排风量较小，导致新风回收排风热量有限，因此可在回风处理室后段与新风风道间布置全热回热器，利用夏季37-40℃新风全热来加热12-14℃露点回风，既减少再热电耗又冷却处理新风；
(5)新风吸入室外空气，排风呼出室内空气，形成建筑的呼吸，通过换风维持室内空气品质；现有新风机组夏季通过电制冷除湿、冷却新风，冬季通过电热泵等含湿量加热新风；其新风负荷占空调负荷可达20-30％，因此利用新风回收排风热量以满足新风负荷，是空调系统有效节能措施。节约70-80％的新风处理电耗折合节省10-20％的空调运行电费，是降低空调电耗的重要途径。
而现有新风回收排风热量技术，主要分为下列几种形式：
1、平板式显热交换器：交错布置间距4-8mm的金属或塑料平行板，新风通过中间隔板回收另侧的排风显热，由于新风干球温度不能低于排风露点，否则排风会产生凝结水甚至结冰而增加排风阻力，影响其使用寿命。为避免排风结露，只能回收排风显热，因此调节风量只在40-60％范围改变其显热回收效率η，使无法作为机组而独立实现空调运行；此外新风与排风管道需集中布置，容易在新风进口与排风出口间串风；由于新风不接触排风，避免空气交叉污染；设备无转动部件使得运行可靠；平板式显热交换器可回收＞50kW的排风显热，由于成本低可用于大新风量空调。
2、板翅式全热交换器：控制温、湿度不同的新风与排风交替流经两组板翅式风道，模仿人体双肺吸入新风、呼出排风，形成有节奏的建筑呼吸，以更换室内空气；其中利用板翅的热容蓄热及表面吸湿作用而成为全热交换载体，在新风与排风间传递空气显热与潜热，维持室内空气的热、湿状态，可实现60-70％的全热回收效率η，但无法独立实现空调运行。
夏季依据板翅温度在新风露点和排风温度间切换进／出口风阀，使板翅作为全热载体周期性向干冷排风释放显热，并向表面水膜释放蒸发潜热，使得排风升温、增湿后排出室外；而板翅则被冷却降温到排风温度；依此切换进／出口风阀，以使板翅吸收湿热新风的显热和结露潜热，使得新风降温、除湿后送往室内，维持空气的干冷状态，降低新风负荷；而板翅表面则形成水膜并加热升温到新风露点。
冬季依据板翅温度在新风温度和排风露点间切换进／出口风阀，使板翅作为全热载体周期性向干冷新风释放显热，并向表面水膜释放蒸发潜热，使得新风升温、增湿后送入室内，维持空气的湿热状态，降低新风负荷；而板翅则被冷却降温到新风温度；依此切换进／出口风阀，以使板翅吸收湿热排风的显热和结露潜热，使得排风降温、除湿后排出室外；而板翅表面则形成水膜并加热升温到排风露点。
伴随板翅表面周期性凝结水膜及其蒸发，导致：(1)新风和排风中细菌、微生物、杂质等交叉污染；(2)机组全热回收效率的高、低，取决于新风与排风间焓差；(3)进／出口风阀等转动部件降低设备运行可靠性；(4)进／出口风阀切换周期设置不当，会导致板翅表面结霜；(5)新风与排风管道集中布置，易形成新风进口与排风出口串风；(6)板翅与进／出口风阀均需非标设计，因此提高设计开发成本，而设备容量较小，只回收＜50kW排风全热。
3、转轮式全热交换器：由石棉纸转轮、机体、传动、调速等四部分组成。转轮是全热交换载体，由平面和波形石棉纸板胶粘硫酸钠、氯化锂后再叠合、卷制成蜂窝状；机体外包铁板，内设隔板分成新风通道和排风通道；控制转轮转速可调节排风与新风接触转轮时间，获得60-70％的全热回收效率η，无法实现独立运行，以控制室内温、湿度；可回收＞50kW的排风全热，显著降低成本；用于新风量较大的建筑空调中。
利用转轮的蓄热、吸湿作用，在温、湿梯度作用下首先实现转轮交替与温、湿度不同的排风和新风进行热、湿交换，从而间接实现排风与新风间的热、湿交换。例如夏季温、湿度较高的新风向上部转轮放热、放湿后被冷却、干燥；而吸热、吸湿后的转轮转至下部，则放热、放湿给温、湿度较低的排风，使其升温、增湿后排出室外。转轮持续旋转促使新风中的热、湿含量连续而间接地传递给排风。而冬季则正好相反，转轮先吸收排风中的热、湿含量，再去加热、加湿新风，促使排风的热、湿含量连续而间接地传递给新风。如此这般，新风回收排风全热，以实现夏季冷却、干燥新风，冬季加热、加湿新风，以满足新风负荷需求。然而，由于新风与排风间接接触导致交叉污染；转动部件降低设备运行可靠性；新风与排风管道需集中布置，易在新风进口与排风出口串风。
七十年代发生世界能源危机以来，一些工业发达国家把它当成空调行业最佳节能措施而在工程上广泛应用，产品规格众多，风量为50-100000m3／h，转轮直径为300-3500mm，用于回收建筑排风全热。在风机盘管和诱导系统中，用其替代一次空调处理新风。而对改建工程，则不增加冷、热源，即可用其显著增加供冷、供热能力。
4、热管式全热交换器：热管内蒸汽流动压降很小，致使对应温降很小，及热管长度方向的导热热阻极小，从而使导热不再受热管长度限制。热管式全热交换器的蒸发段和冷凝段分开布置，既便于风道的联接和安装，也使新风和排风不接触，避免交叉污染。
冬季由排风加热热管蒸发段，再由热管冷凝段加热新风；而夏季则由新风加热热管蒸发段，再由热管冷凝段加热排风，亦即新风回收排风全热而被冷却、干燥。当热管采用对称结构时，则传热就具有可逆性，加热段与放热段可互换，以实现冬季新风从排风回收全热，而夏季新风从排风回收全热，而新风与排风管道则不必随季节换向，无需转动部件以使装置运行可靠。排风与新风通过热管翅片相互传递全热，以获得60-70％的全热回收效率η，无法实现独立空调运行。然而通过热管回收排风全热，将显著提高传热器件成本，加之需要非标设计，因此开发成本较高，且设备容量较小，只能回收＜50kW的排风全热，难以应用在大容量直流空调中。
(三)发明内容
本发明目的是综合现有各种新风回收排风热量技术的优势，改进其缺陷，设计出：(1)高效率、大容量回收排风全热设备；(2)新风口与排风口分开布置，避免新风与排风接触、串风、交叉污染；(3)实现标准化设计、制造回收排风全热设备。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，即排风源热泵驱动新风系统如附图1所示，其中：1-排风空调箱；2-热泵机组；3-新风空调箱；4-载冷剂；5-排风源循环泵；6-热源侧换热器；7-循环泵；8-使用侧换热器；9-冷媒10-四通换向阀；11-压缩机12-干燥过滤器；13-单向阀；14-膨胀阀15-过滤器；16-止回阀；17-卫生热水箱；18-电动两通阀。
按照附图1所示的排风源热泵驱动新风系统：其由作为热源侧的排风空调箱1、冷媒侧切换运行的热泵机组2、作为使用侧的新风空调箱3共同组成；所述排风空调箱1的盘管载冷剂4出口并联回水干管，再串联排风源循环泵5、热泵机组2的热源侧换热器6载冷剂4进口，而其载冷剂4出口通过供水干管并联排风空调箱1的盘管载冷剂4进口；所述新风空调箱3的盘管出水口并联回水干管，再串联循环泵7、热泵机组2的使用侧换热器8进水口，而其出水口通过供水干管并联新风空调箱3的盘管进水口；所述热泵机组2内设置热源侧换热器6和使用侧换热器8，其换热管的一侧充有冷媒9，并通过冷媒9的气管和液管连接成热泵机组2的冷媒9循环回路，其中冷媒9的气管通过四通换向阀10连接压缩机11、热源侧换热器6和使用侧换热器8的冷媒9气管接口；冷媒9液管的两端对称连接干燥过滤器12与单向阀13的并联组件，并与中间的膨胀阀14串联，而单向阀13的流向分别指向所连接热源侧换热器6和使用侧换热器8的冷媒9液管接口。
所述排风源循环泵5是多台循环泵并联组成；每台循环泵的吸液口串联过滤器15出液口，而循环泵的排液口串联止回阀16进液口。
所述循环泵7是多台循环泵并联组成；每台循环泵的吸水口串联过滤器15出水口，而循环泵的排水口串联止回阀16进水口。
所述作为热源侧的排风空调箱1是多台空调箱和／或多台风机盘管的盘管，与多台卫生热水箱17的加热盘管并联组成；其中每台空调箱、卫生热水箱17、风机盘管等盘管的进口或出口，各安装一只电动两通阀18。
所述作为使用侧的新风空调箱3是多台空调箱和／或多台风机盘管等盘管并联组成；其中每台空调箱、风机盘管等盘管的进口或出口，各安装一只电动两通阀18。
所述冷媒侧切换运行的热泵机组2是多台热泵机组2在其热源侧换热器6的载冷剂4侧并联，同时在其使用侧换热器8的水侧并联，以组成热泵机组2。
所述压缩机11为半封闭螺杆式压缩机、开启式螺杆压缩机、离心式压缩机、活塞式压缩机、涡旋式压缩机、转子式压缩机，或上述多台压缩机并联组成压缩机11。
所述热源侧换热器6和使用侧换热器8为壳管式换热器、钎焊板式换热器、板翅式换热器、套管式换热器、盘管式换热器等冷媒9与载冷剂4／水之间的换热器。
所述载冷剂4是CaCl2、NaCl、乙二醇、海水等防冻剂溶解于水后，形成浓度介于0ppm至190000ppm的水溶液。
本发明冬季系统制热运行回收排风热量为建筑提供新风加热处理，夏季系统制冷运行回收排风冷量为建筑提供新风降温、除湿处理，其工作原理具体说明如下：
1、冬季系统制热运行回收排风热量为建筑提供新风加热处理：如附图1所示，冬季20℃空调排风流经排风空调箱1，与其表冷器中的低温循环载冷剂4进行热、湿交换：被降温、除湿后排放环境；而提取排风降温显热、除湿潜热而升温的载冷剂4则经过滤器15、循环泵5、止回阀16进入热泵机组2热源侧换热器6的载冷剂侧进口，并向另侧冷媒9放热而降温，再经载冷剂侧出口和电动两通阀18送回排风空调箱1表冷器中；而另侧低温低压两相冷媒9则吸收载冷剂4放热而蒸发成低温低压的过热气态冷媒9，经四通换向阀10而被压缩机11压缩成高温高压的过热气态冷媒9，再经四通换向阀10进入使用侧换热器8的冷媒9侧，向另侧循环水释放冷凝潜热，而成为高温高压过冷液态冷媒9，再经干燥过滤器12后，被膨胀阀14节流成低温低压两相冷媒9，最后经单向阀13流入热源侧换热器6的冷媒9侧，以吸收另侧循环载冷剂4带来排风回热，以完成冷媒9的热泵循环。
使用侧换热器8的水侧因吸收另侧冷媒9的冷凝放热而升温的循环水，在循环泵7的驱动下经电动两通阀18流入新风空调箱3的盘管水侧进口，以向盘管气侧流经的新风放热之后降温，并经过滤器15、循环泵7、止回阀16循环流回使用侧换热器8中；而吸热后升温的新风则送入房间内。
2、夏季系统制冷运行回收排风冷量为建筑提供新风降温、除湿处理：如附图2所示，夏季27℃空调排风流经排风空调箱1，与其表冷器中的高温循环载冷剂4进行显热交换：被升温后排放环境；而向排风释放显热而降温的载冷剂4，与流经卫生热水箱17加热盘管中向另侧热水释放显热而降温的载冷剂4相并联，再经过滤器15、循环泵5、止回阀16进入经四通换向阀10切换后热泵机组2热源侧换热器6的载冷剂侧进口，以吸收另侧冷媒9的冷凝放热而升温，再经载冷剂侧出口和电动两通阀18送回排风空调箱1表冷器中；而另侧冷凝为高温高压过冷液态冷媒9，经干燥过滤器12后，被膨胀阀14节流成低温低压两相冷媒9，再经单向阀13流入使用侧换热器8的冷媒9侧，以吸收另侧循环水带来新风降温、除湿全热，而蒸发成低温低压的过热气态冷媒9，再经四通换向阀10而被压缩机11压缩成高温高压的过热气态冷媒9，再经四通换向阀10进入热源侧换热器6的冷媒9侧，向另侧循环载冷剂4释放冷凝潜热，而成为高温高压过冷液态冷媒9，以完成冷媒9的制冷循环。
使用侧换热器8的水侧因被另侧冷媒9蒸发吸热而降温的循环水，在循环泵7的驱动下经电动两通阀18流入新风空调箱3的盘管水侧进口，并从盘管气侧流经的新风吸热之后升温，并经过滤器15、循环泵7、止回阀16循环流回使用侧换热器8中；而释放显热、潜热后降温、除湿的新风则送入房间内。
本发明由于采用上述技术方案，从而与各种换热器直接回收排风热量的技术相比较，具有以下明显技术优势：由热泵机组蒸发器和冷凝器以制冷+制热联供方式，一方面驱动热源侧排风空调箱，深度回收排风全热，并处理排风至接近环境工况，减少环境热污染；另一方面驱动使用侧新风空调箱，深度处理新风至接近室内工况。从而解决提高新风量必然增加空调能耗的固有矛盾，高效率、大容量提升空调节能、减排效果；新风口与排风口分开布置避免新风接触排风造成交叉污染；可实现排风回热设备的标准化设计与制造。
(四)附图说明
附图1是本发明冬季系统制热运行回收排风热量为建筑提供新风加热处理的工作原理示意图。
附图2是本发明夏季系统制冷运行回收排风冷量为建筑提供新风降温、除湿处理的工作原理示意图。
(五)具体实施方式
本发明提出的排风源热泵驱动新风系统实施例如附图1所示，现具体说明如下：其由3台排风空调箱1的盘管与1台卫生热水箱17的加热盘管并联、1台冷媒侧切换运行的热泵机组2、3台新风空调箱3的盘管并联后共同组成。
所述3台供水温度5℃／回水温度10℃、回热量56kW、排风量13477m3／h、风压90Pa、长1.3m×宽0.9m×高2.0m、风机输入功率1.711kW的排风空调箱1的盘管直径DN50出水口，以及1台卫生热水箱17的加热盘管直径DN50出水口并联直径DN100的不锈钢回水干管，再串联流量29.4m3／h、扬程18mH2O、功率2.9kW、接口直径DN100的排风源循环泵5，其吸水口串联过滤器15出水口，其排水口串联止回阀16进水口；再串联热泵机组2的热源侧换热器6进水口；而其出水口通过供水干管并联3台排风空调箱1的盘管进水口，以及1台卫生热水箱17的加热盘管进水口。
所述3台供水温度35℃／回水温度30℃、供热量64.4kW、新风量13097m3／h、风压90Pa、长1.3m×宽0.9m×高2.0m、风机输入功率1.711kW的新风空调箱3的盘管直径DN50出水口并联直径DN100的不锈钢回水干管，再串联流量29.4m3／h、扬程18mH20、功率2.9kW、接口直径DN100的循环泵7，其吸水口串联过滤器15出水口，其排水口串联止回阀16进水口；再串联热泵机组2的使用侧换热器8进水口；而其出水口通过供水干管并联3台新风空调箱3的盘管进水口。
所述热泵机组2内设置制冷量146.7kW的干式壳管热源侧换热器6和制热量184.5kW的干式壳管使用侧换热器8，其换热管侧充有60kg的R22冷媒9，并通过冷媒9的直径68mm气管和直径38mm液管连接成热泵机组2的冷媒9循环回路，其中冷媒9的气管通过四通换向阀10连接理论排气量180m3／h、输入功率37.8kW的半封闭螺杆式压缩机11、热源侧换热器6和使用侧换热器8的冷媒9气管接口；冷媒9液管的两端对称连接干燥过滤器12与单向阀13的并联组件，并与中间的膨胀阀14串联，而单向阀13的流向分别指向所连接热源侧换热器6和使用侧换热器8的冷媒9液管接口。
本发明实施例，冬季3台排风空调箱1的盘管中流通5℃供水／10℃回水，从总流量37653m3／h、干球温度20℃／湿球温度15℃的室内排风回收146.7kW全热热量，并降温、除湿成干球温度13℃／湿球温度10.4℃后排放室外；再由1台热泵机组将回收排风低品位热量提升至184.5kW高品位热量，并以35℃供水／30℃回水流经3台新风空调箱3的盘管中，把总流量36470m3／h的新风从干球温度7℃／湿球温度6℃等含湿量加热至干球温度21.3℃／湿球温度12.4℃。热泵机组2的制热能效比COP达4.877，而排风源热泵驱动新风系统的回热制热能效比COP为3.43；本发明的温度回收效率ηt为110.0％，比国家标准提高69.2％；焓回收效率ηh为68.3％，比国家标准提高24.2％。
本发明实施例，夏季3台排风空调箱1的盘管中流通48℃供水／43℃回水，向总流量40432m3／h、干球温度27℃／湿球温度19℃的室内排风释放207.9kW显热热量，并等含湿量加热成干球温度43.0℃／湿球温度23.5℃后排放室外；再由1台热泵机组以回收的排风冷量吸收冷凝热，制取157.6kW冷量，并以12℃供水／17℃回水流经3台新风空调箱3的盘管中，把总流量39291m3／h的新风从干球温度35℃／湿球温度24℃降温、除湿至干球温度27℃／湿球温度20.5℃。热泵机组2的制冷能效比EER达3.13，而排风源热泵驱动新风系统的回热制冷能效比EER为2.38；本发明的温度回收效率ηt为100％，比国家标准提高66.7％；焓回收效率ηh为69.8％，比国家标准提高39.7％；含湿量回收效率ηd为46.0％。
Claims (9)
1.一种排风源热泵驱动新风系统，其由排风空调箱(1)；热泵机组(2)；新风空调箱(3)；载冷剂(4)；排风源循环泵(5)；热源侧换热器(6)；循环泵(7)；使用侧换热器(8)；冷媒(9)；四通换向阀(10)；压缩机(11)；干燥过滤器(12)；单向阀(13)；膨胀阀(14)；过滤器(15)；止回阀(16)；卫生热水箱(17)；电动两通阀(18)等组成。其特征在于：按照附图1所示的排风源热泵驱动新风系统：它设置有作为热源侧的排风空调箱(1)、冷媒侧切换运行的热泵机组(2)、作为使用侧的新风空调箱(3)共同组成；所述排风空调箱(1)的盘管载冷剂(4)出口并联回水干管，再串联排风源循环泵(5)、热泵机组(2)的热源侧换热器(6)载冷剂(4)进口，而其载冷剂(4)出口通过供水干管并联排风空调箱(1)的盘管载冷剂(4)进口；所述新风空调箱(3)的盘管出水口并联回水干管，再串联循环泵(7)、热泵机组(2)的使用侧换热器(8)进水口，而其出水口通过供水干管并联新风空调箱(3)的盘管进水口；所述热泵机组(2)内设置热源侧换热器(6)和使用侧换热器(8)，其换热管的一侧充有冷媒(9)，并通过冷媒(9)的气管和液管连接成热泵机组(2)的冷媒(9)循环回路，其中冷媒(9)的气管通过四通换向阀(10)连接压缩机(11)、热源侧换热器(6)和使用侧换热器(8)的冷媒(9)气管接口；冷媒(9)液管的两端对称连接干燥过滤器(12)与单向阀(13)的并联组件，并与中间的膨胀阀(14)串联，而单向阀(13)的流向分别指向所连接热源侧换热器(6)和使用侧换热器(8)的冷媒(9)液管接口。
2.如权利要求1所述的一种排风源热泵驱动新风系统，其特征在于：所述排风源循环泵(5)是多台循环泵并联组成；每台循环泵的吸液口串联过滤器(15)出液口，而循环泵的排液口串联止回阀(16)进液口。
3.如权利要求1所述的一种排风源热泵驱动新风系统，其特征在于：所述循环泵(7)是多台循环泵并联组成；每台循环泵的吸水口串联过滤器(15)出水口，而循环泵的排水口串联止回阀(16)进水口。
4.如权利要求1所述的一种排风源热泵驱动新风系统，其特征在于：所述作为热源侧的排风空调箱(1)是多台空调箱和／或多台风机盘管的盘管，与多台卫生热水箱(17)的加热盘管并联组成；其中每台空调箱、卫生热水箱(17)、风机盘管等盘管的进口或出口，各安装一只电动两通阀(18)。
5.如权利要求1所述的一种排风源热泵驱动新风系统，其特征在于：所述作为使用侧的新风空调箱(3)是多台空调箱和／或多台风机盘管等盘管并联组成；其中每台空调箱、风机盘管等盘管的进口或出口，各安装一只电动两通阀(18)。
6.如权利要求1所述的一种排风源热泵驱动新风系统，其特征在于：所述冷媒侧切换运行的热泵机组(2)是多台热泵机组(2)在其热源侧换热器(6)的载冷剂(4)侧并联，同时在其使用侧换热器(8)的水侧并联，以组成热泵机组(2)。
7.如权利要求1所述的一种排风源热泵驱动新风系统，其特征在于：所述压缩机(11)为半封闭螺杆式压缩机、开启式螺杆压缩机、离心式压缩机、活塞式压缩机、涡旋式压缩机、转子式压缩机，或上述多台压缩机并联组成压缩机(11)。
8.如权利要求1所述的一种排风源热泵驱动新风系统，其特征在于：所述热源侧换热器(6)和使用侧换热器(8)为壳管式换热器、钎焊板式换热器、板翅式换热器、套管式换热器、盘管式换热器等冷媒(9)与载冷剂(4)／水之间的换热器。
9.如权利要求1所述的一种排风源热泵驱动新风系统，其特征在于：所述载冷剂(4)是CaCl2、NaCl、乙二醇、海水等防冻剂溶解于水后，形成浓度介于0ppm至190000ppm的水溶液。
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