在辐射空调加新风的户式系统中, 辐射空调承担室内显热负荷, 维持室内温度的恒定, 新风系统的主要部件——除湿新风机则起着两方面的作用:一方面是承担室内全部湿负荷, 防止辐射面结露;另一方面是通过通风换气, 将过滤后的新鲜空气送入室内, 并将室内污浊的空气排到室外, 保证室内空气的含氧量及清洁度^[1,2]。

　　 对于被动式建筑来说, 新风机作为唯一一个耗能的空调设备, 全年内除了某些极端天气情况外, 在大多数工况下均能承担室内大部分的负荷^[3]。

　　 随着节能、环保、绿色的呼声日益高涨, 各种节能技术层出不穷。伴随着以电子膨胀阀技术、变频技术、冷凝热回收技术为代表的制冷空调技术的发展, 广大学者将其应用到实际的制冷循环中^[4]。本文在原有节能技术的基础上, 在排风通道内设置1台主冷凝器, 用于对室内排风进行热回收^[5], 将室内排风作为系统主要的冷热源, 达到进一步降低能耗、优化系统的目的。

　　 通过对逆卡诺循环效率公式进行分析, 可得出蒸发温度和冷凝温度对制冷/制热系数的影响, 该系数越大, 表示制冷/制热系统能源利用效率越高。

　　 逆卡诺循环制冷、制热系数公式:

　　 $\begin{array}{l}\epsilon {}_{\text{o}}=\frac{{\rm T}{}_{\text{o}}}{{\rm T}{}_{\text{e}}-{\rm T}{}_{\text{o}}}(1)\\ \epsilon {}_{\text{e}}=\frac{{\rm T}{}_{\text{e}}}{{\rm T}{}_{\text{e}}-{\rm T}{}_{\text{o}}}(2)\end{array}$

　　 式 (1) , (2) 中 ε_o为逆卡诺循环制冷系数;T_e为制冷剂的冷凝温度, K;T_o为制冷剂的蒸发温度, K;ε_e为逆卡诺循环制热性能系数。

　　 冷凝温度的变化对制冷系数的影响, 可以通过式 (1) 对T_e求偏导数得出, 即

　　 $\frac{\partial \epsilon {}_0}{\partial {\rm T}{}_{\text{e}}}=-\frac{{\rm T}{}_{\text{o}}}{({\rm T}{}_{\text{e}}-{\rm T}{}_{\text{o}}){}^2}(3)$

　　 $\frac{\partial \epsilon {}_0}{\partial {\rm T}{}_{\text{e}}}＜0$表示当冷凝温度升高, 制冷系数呈下降的趋势。

　　 蒸发温度的变化对制热系数的影响, 可以通过式 (2) 对T_o求偏导数得出, 即

　　 $\frac{\partial \epsilon {}_{\text{e}}}{\partial {\rm T}{}_{\text{o}}}=\frac{{\rm T}{}_{\text{e}}}{({\rm T}{}_{\text{e}}-{\rm T}{}_{\text{o}}){}^2}(4)$

　　 $\frac{\partial \epsilon {}_{\text{e}}}{\partial {\rm T}{}_{\text{o}}}＞0$表示当蒸发温度升高, 制热系数呈增加的趋势。故通常通过降低冷凝温度或者提高蒸发温度来提高机组的制冷/制热系数, 从而提高机组的能源利用效率^[6]。

　　 带排风能量回收的除湿新风机组主要由室内机和室外机两部分组成, 其系统原理图见图1, 试验样机见图2, 其中室内机为双通道设计, 即送风通道和排风通道。在送风通道内依次设置蒸发器5和再热冷凝器4, 其中再热冷凝器4采用冷凝热回收的方式, 对冷却除湿后的空气进行再加热, 满足送风温度的要求。排风通道内设置1台主冷凝器2, 用于回收室内排风的能量, 并将回收的能量作为机组的部分冷热源, 以达到制热时提高蒸发温度、制冷时降低冷凝温度的目的, 从而提高机组的制热性能系数与制冷性能系数。同时, 室外还设置1台辅助风冷冷凝器3, 这3台冷凝器采用并联连接的方式, 通过控制三段管路相应电磁阀的开关及电子膨胀阀的开度来控制各个管路的开闭。

　　 制冷工况下, 在送风通道内, 室外新风经送风过滤器16过滤后, 通过蒸发器5降温除湿, 满足湿度要求, 然后经再热冷凝器4加热至送风温度, 最后经送风机19送入室内;在排风通道内, 室内排风经排风过滤器17过滤后, 通过主冷凝器2, 用于冷凝高温的制冷剂气体, 室内排风温度升高, 排出室内, 室外风冷冷凝器在夏季正常开启, 作为辅助冷凝器使用。

　　 制热工况下, 再热冷凝器4与室外辅助冷凝器3均关闭, 仅蒸发器5和主冷凝器2开启, 此时主冷凝器2和蒸发器5功能互换。在送风通道内, 室外新风经过滤后通过蒸发器5 (制热时为冷凝器) , 吸收冷凝热量后, 空气温度升高, 送入室内。在排风通道内, 室内排风通过排风侧主冷凝器2 (制热时为蒸发器) , 其热量被低温制冷剂吸收后, 空气温度降低, 排至室外。蒸发器内低温低压的制冷剂吸收室内排风的热量得以蒸发, 此时由于蒸发温度低于室内空气的露点温度, 因此在蒸发器壁面上有冷凝水析出, 故在制热工况下, 不但回收了排风的显热, 同时也回收了潜热。

　　 在进行实验测试之前, 首先采用制冷系统仿真软件Greatlab对不同工况下机组的性能进行模拟。Greatlab集成了Coillab, Complab, Fanlab等仿真软件, 是制冷空调系统稳态/准稳态通用仿真软件, 可用于各类闭式/开式系统的设计及优化。

　　 根据系统描述, 该机组用Greatlab建立的系统模型如图3所示。

　　 分别模拟了制冷、制热工况时, 在一定的室内环境及设定的送风状态点下, 机组的制冷、除湿及制热能力大小。其模拟工况点如表1所示, 模拟结果见表2, 其中风量为400 m³/h, 且为全新风。

　　 由表2可知:在设定环境条件下, 模拟得出机组在标准制冷和制热工况下的能效比分别为3.65和4.01, 在寒冷工况下的能效比达到4.40。

　　 由于在标准制热工况下, 温差 (T_e-T_o) 较小, 而压缩机是根据室外干球温度-6 ℃、湿球温度-7 ℃的工况进行配置的, 故压缩机运行在15～20 r/s的低转速区, 由于工作在较低效率区, 虽然寒冷工况的能效比高于标准制热工况, 但在标准制热工况时机组的功耗仍少于寒冷工况。

　　 制热模式下, 将送风干球温度设定为28 ℃, 若提高机组的设定送风干球温度, 使压缩机工作在高效区, 则系统能效比将更高。

　　 实验在某焓差实验室内进行, 全新风, 风量为400 m³/h, 分别测试了不同室外环境条件下机组的性能^[7]。

　　 标准制冷工况下的测试结果如图4, 5所示。

　　 由图4可以看出:机组运行初期, 新风送风温度较高, 随着机组的运行, 新风被降温除湿, 送风温度不断降低, 经过一段时间后, 送风温度稳定在10 ℃左右。

　　 由图5可以看出:机组运行初期新风含湿量较高, 随着机组的运行, 送风含湿量不断降低, 经过一段时间后, 送风含湿量稳定在7.5 g/kg。通过对除湿新风机组在标准制冷工况下的测试, 可以得出机组的制冷量与除湿量, 经计算, 该机组的制冷量为7.8 kW, 除湿量为14.59 g/kg, 功率为2.12 kW。

　　 标准制热工况下的测试结果如图6所示。

　　 由图6可以看出:在机组运行初期, 新风温度较低, 随着机组的运行, 送风温度不断升高, 经过一段时间后, 稳定在28 ℃左右。

　　 经计算, 该机组的制热量为2.84 kW, 功率为0.70 kW。

　　 寒冷工况下的测试结果如图7所示。

　　 由图7可以看出:机组运行初期, 新风温度呈缓慢上升趋势, 在短暂时间后, 送风温度不断提高, 经过一段时间后, 送风温度稳定在31.5 ℃。经计算, 该机组的制热量为5.00 kW, 功率为1.12 kW。

　　 基于户式系统及被动式建筑的需求, 提出了一种带排风能量回收的除湿新风机组。该机组通过在排风通道内设置主冷凝器, 将室内排风的能量进行回收并将其作为机组的冷热源。

　　 通过对1台400 m³/h全新风的除湿新风机在不同室外环境条件下的性能进行模拟与实验测试, 可以得出:在排风通道内设置1台主冷凝器用于对回风能量进行回收的热回收方式, 对制冷或制热系统的优化有很大的作用, 采用该套系统, 无论是制热工况还是制冷工况, 均能达到所需的送风状态点, 且能效比高, 可以达到满意的效果。