双冷源新风机组多工况运行方式的研究

赵羽 张钦 张爱华

中国建筑科学研究院有限公司

0 引言

双冷源新风机组，即采用两种不同蒸发温度的冷源，高温冷源承担系统大部分的室内显热负荷和新风负荷，低温冷源为辅助冷源，主要承担湿负荷和小部分新风负荷[1]。

本文采用的新风机组分为新风和排风通道，内部带有直膨式冷源，新风先经过与高温冷源供水的预冷表冷器初步降温除湿，后经过蒸发器深度除湿，冷凝器排热可再热新风或通过有组织排风排至室外，送风温度可通过两个冷凝器的调节阀开度实现调节，机组内部构造如图1：

图1 新风机组原理图

本文将采用地源热泵机组作为高温冷源和热源，末端采用上述新风机组（新风量500 m3/h）和辐射空调系统，探讨新风机组在不同运行模式下的运行策略和费用，并对比分析。新风机组主要参数见表1：

表1 新风机组相关参数

1 运行方式的划分

1.1 气象和运行模式的划分

根据北京市近10 年全年室外气象参数，以室外干球温度DB（℃）和相对湿度RH（%）作为划分依据，将其分为5 个气象分区并对应5 种运行模式（见图2和表2）：I 和II 区对应夏季工况，根据室外温度的高低确定是否开启辐射系统，热泵和新风机组内置直膨机均运行；III 和IV 区对应过渡季工况，可自然通风、机械通风或在湿度高的“黄梅天”开启新风机组除湿并再热，无需开启热泵机组；V 区对应冬季制热工况，热泵机组开启，新风机内置直膨机不启动。

图2 运行模式在焓湿图上的划分

表2 运行模式的划分

1.2 不同运行模式下新风机组工况分析

1.2.1 I 区

该工况（图3）适用于高温高湿的天气，由地源热泵提供17 ℃高温冷冻水，室外新风经过预冷表冷除湿和蒸发除湿后，温度降为11.4 ℃，含湿量8 g/kg，一部分冷凝热用于再热新风送入室内，一部分冷凝热通过排风排至室外。新风承担室内潜热和小部分显热负荷，大部分显热负荷由辐射末端平衡。

图3 I 区运行工况示意

1.2.2 II 区

该工况（图4）适用于室外温度相对不高但相对湿度较高的天气，新风处理过程同I 区一致，热泵和机组内直膨冷源共同将新风处理至8 g/kg。由于室内显热负荷不高，因此不用开启辐射末端，新风承担室内显热和潜热负荷，其再热后的送风温度可通过设定的室温反馈调节，以满足室内显热负荷需求。

图4 II 区运行工况示意

1.2.3 III 区

该工况适用于温湿度均不高的过渡季，室外空气质量较差时开启风机过滤新风保证室内卫生的需求即可。

1.2.4 IV 区

该工况（图5）为室外温度偏低但相对湿度较高的过渡季节，多发于夏末秋初，室内有除湿并供热的需求，此时无需开启风冷热泵机组，新风机组内置冷源对新风除湿，冷凝热全部或大部分用于再热新风。

图5 IV 区运行工况示意

1.2.5 V 区

图6 为V 区运行工况示意。冬季新风加热至送风状态点20 ℃，40%的等焓点后，后接湿膜加湿装置，室内热负荷由辐射系统承担，大部分时段无需开启机组内部的直膨机，仅当出现极端天气时，其可作为补充热源。

图6 V 区运行工况示意

双冷源新风机组在辐射空调系统中的优势在于：

1）高温冷源的利用，提高蒸发温度，供水由原来的7 ℃可提高至17 ℃左右，系统能效比显著提高。

2）一套水系统，可同时解决温、湿度的解耦处理，系统简单。

3）内冷式机组无需外接冷冻水排放冷凝热，降低系统容量和负荷，新风再热温度调节范围较大。

2 全年运行能耗对比分析

将本文所述地源热泵+双冷源新风机组+辐射空调系统和传统别墅中常见的多联机空调+市政热力地暖的方式进行对比。其中北京市现行能源计费标准为：

1）居民用电电价：0.48 元/kWh

2）市政热力热计量收费：采暖费用=基本热费×建筑面积+计量热费×用热量。其中：市政热力的基本热费为12 元/m2，计量热费为0.16 元/kWh。

2.1 研究对象

本文研究对象为一栋位于北京市的二层别墅建筑，套内面积210 m2，新风量500 m3/h，新风换气次数0.78 次/h。运用动态负荷模拟软件模拟出的逐时建筑负荷和新风负荷见表3：

表3 新风、辐射系统负荷统计

全年新风和辐射负荷不同负荷率下的时间占比如上图7 所示：新风冷负荷率以25%为界，当新风负荷率大于25%时，对应气象分区的I 或II 区应进行除湿降温的处理。0～25%时段对应气象分区的III 或IV区即过渡季节。

图7 全年不同新风、辐射负荷率下的时间占比

通过调整新风再热温度可以承担部分室内显负荷，对应上表所示辐射冷负荷率约在60%以上的时段应开启辐射末端，小于60%时段可由新风承担。

2.2 方案1：地源热泵+双冷源新风机组+辐射空调的系统

冷热源采用地源热泵机组，室外设垂直地埋孔共4口，单U 管径 ø32 mm，有效埋深为120 m。地源热泵机组冷热装机容量为16.6/19.1 kW，额定输入功率3.39/4.69 kW，夏季供回水温度17/20 ℃，冬季供回水温度40/37 ℃。水泵流量5 m3/h，扬程15 m，功率0.5 kW。空调水并联两路分别接入辐射分集水器和双冷源新风机组。内置直膨机的能效比取为3.0。

全年能耗分项统计如表4：按北京市居民用电取费0.48 元/kWh 的标准，全年运行费用为5548 元，单位面积运行费用26.4 元/m2a。通过对夏季I、II 分区下分项能耗的对比发现：预冷表冷（即风冷机组）及蒸发除湿的能耗比基本为2:1，此能耗分配相对合理，原则上应尽量多的利用高温冷源提高预冷表冷的比例，一方面其系统能效相对较高，另方面可降低直膨机出力过高造成的冷凝热无法及时排放的问题。

表4 方案1 全年运行能耗统计

从表4 还可以看出，V 区能耗占比最大（59%），其主要原因是冬季新风负荷过高，若将原设计的新风量改为满足人体卫生需求最低线的250 m3/h，则将节约能耗2540 kW，全年运行费用整体将降至20.6 元/m2，降幅达到22%。

2.3 方案2：多联机空调+市政热力地板采暖系统

设多联机综合部分负荷性能系数（IPLV）为规范[2]中的第3 等级3.2 W/W，则冬季无新风的前提下，全年能耗及运行费用如表5 所示，单位面积年运行费用29.3 元/(m2a)，较方案1 冬季250 m3/h 新风量的运行费用增加了29.6%。

表5 方案2 全年运行能耗统计

3 结论

1）双冷源新风机组可以充分利用高温冷源，特别适合于地源热泵和温湿度独立控制系统中，系统能效比高，管路简单，除湿可靠。

2）针对全年室外温湿度，划分了5 个不同的工况，给出了热泵主机、新风机组、辐射末端的不同组合的运行模式。

3）将上述系统形式与传统VRV+市政热力的方式进行对比，一方面方案1 的全年运行费用较低，另一方面这种温湿度解耦处理的方式其舒适度是传统空调系统无法比拟的，具有一定的推广意义。