引用本文：张文爱金世，刘兵等，桐合排风热回收与空气源热泵的新垂通风系统在冬奥的时用房的应用[』门暖通空调.2023 53(9) ;5762.DOI: 10 19991/j hvae1971 2023 09 08
耦合排风热回收与空气源热泵的新型 通风系统在冬奥临时用房的应用*
张文聂金哲刘兵李函龙
（1.北京建筑大学，北京；2.北京摩盒科技有限公司，北京）
摘要：为保证冬奥赛事的正常进行，冬奥场地尤其是高山滑雪场地中建设有大量的临时用房.传统的临时用房通常以捧风扇成自然通风作为主要的通风方式，在严寒气候条件下，送风温度及气流组织无法保障，导致室内然舒透度低，通风能耗大.基于绿色办奥理念，2022冬奥会北京延庆高山滑雪中心临时用房中使用了一种耦合排风热回收与空气源热聚的新型通风系统.对2.1~2.8，空气源热泵平均供热性能系数为1.6~2.4，是一种有效的节能环控系统.在分析冬 该系统在冬奥会期间的实际性能进行了测试，结果显示，冬奥会期间该系统平均供热性能系数为奥会期间室内外热环境后，进行了系统理论建模，得出该系统理论平均供热性能系数可选到4.9~5.9，空气源热系理论平均供热性能系数为3.3~4.1，实际系统仍有优化空间.为进一步提升系统性能和运行稳定性，应注意低温条件下热回收器内部的结霜问题，并选用喷气增低温空气源热裂和然回收效率更高的换热模块.
关键词：排风热回收；空气源热系：新型通风系统：冬奥；临时用房；能耗；严寒气候
snuxa budno wass uoouaa mou o jo uooddheot recovery and air-source heat pump in temporaryhousings for Olympic Winter GamesZhang Wen' Nie Jinzhe' Liu Bing² Li Hanlong’
(1 Beijing University of Civil Engineering and Architecture- Bejing: 2. Box2go Teehology Co. Ltd Beijing)
Abstract; In order to cnsure the normal progres of Olympic Winter Games numerous temporary housingshave been built in the Olympic Winter Games venues. especially the alpine sking venues. Traditionaltemporary housings usually use exhaust fans or natural ventilation as the main ventilation methods. In severe cold climates the supply air temperature and air distribution can not be guaranteed resalting in low indoorthermal fort and high ventilation energy consumption. Based on the concept of green Olympics a new ventilation system coupling exhaust air heat recovery and air-source heat pump is used in the temporary housingof Beijing Yanqing Alpine Ski Center for 2022 Olympic Winter Games. The actual performance of the system during the Olympic Winter Games is measured. and the results show that the actual average heatingperformance coefficient of the system and the heat pump during the Olympic Winter Games is 2. 1 to 2.8 and e sis s us ds o 91 indor and outdoor thermal environment during the Olympic Winter Games theoretical model of the system isbuilt and it is concluded that the theoretical average heating performance coefficient of the system and thefurther improve system performance and operation stability internal frosting of heat recovery device under hcat pump is 4. 9 to 5. 9 and 3.3 to 4. 1 respectively . and the actual system still has room for optimization. Topssn xq pnoqs sua aqg qaa aosaap aaoooa seou pue dund low temperature conditions needs attention- and the enhanced vaPor injection low-temperature air-source heat
Kcywonds: exhaust air heat recovery: air-source heat pumpi new ventilation system: Olympic Wintersro plo auaass tuondunsuoo X8aua :2ursnou xieodua :saue
设立，降低建筑碳排放成为重中之重.临时用房
0引言
随着“2030年碳达峰、2060年碳中和”目标的作为一种特殊的建筑类型，在疫情防控、大型体育
赛事等领域发挥着不可或缺的作用，其碳排放问题亦不容忽视.
送风温度，提高人员热舒适度.在将该系统应用于2022冬奥会北京延庆赛区高山滑雪中心临时用房的过程中，通过搭建实验测试平台，对系统在冬奥远程测试，并结合室外气象情况对系统性能进行了 会期间各节点的温湿度状态及系统的耗电量进行实际与理论分析，验证了该系统的可行性，并提出了系统的优化思路.
历届冬奥会绝大部分雪上项目场馆都位于山地，故需要大量的临时设施配合赛区功能，索契冬 奥会“玫瑰庄园”极限运动中心的临时建筑多达90%，平昌冬奥会风恩滑雪公园中的临时建筑多达80%，2022冬奥会北京延庆赛区也建设了众多的临时用房.冬奥会临时用房的建设需要满足水电配置、供酸通风及消防等要求，我国临时用房通 常以排风扇或自然通风作为主要的通风方式，对于2022冬奥会延庆赛区高山滑雪中心临时用房，由于面临室外气候严寒、大风等不利条件，传统排风扇和自然通风的通风方式无法保障室内送风温度 及室内人员热舒适度，且因通风引起的建筑能耗及导致的建筑碳排放量较高.
1耦合排风热回收与空气源热泵的新型通风系统 原理
2022冬奥会北京延庆赛区高山滑雪中心临时用房所采用的耦合排风热回收与空气源热泵的新型通风系统能够在满足新风热负荷的同时为房间提供部分热量，以达到提升室内热舒适度和节能降 碳的目的.该系统主要由板式排风热回收器、空气源热泵、送风机、排风机等设备组成，系统原理如图1所示.冬季工况下，室外新风进人板式排风热回收器，被排风中的热量预热，预热后的新风进入热泵机组的冷凝器中被二次加热后送人临时用房：室 内回风则进入排风热回收器与新风进行换热后直接排至室外：系统中的蒸发器放置于室外，吸收室外空气中的低品位能.在系统运行过程中，设定热泵和送风机启停温度为（20土1）℃，温度测点设置 于回风口处，当测得的回风人口温度高于设定值时，热泵和送风机自动停止工作：相反，回风人口温度低于设定值时，热泵和送风机自动开启.实际运行过程中可通过提高设定值来提升临时用房室内控制温度.
排风热回收系统在冬季工况下能够利用排风中的热量对新风预热，夏季工况下利用排风中的冷量对新风预冷，是一种良好的建筑节能方式，因此 成为近年来的研究热点.有研究表明，热回收装置在各气候区均具有一定的节能效果，对于流量为1m²/h的新风，北京使用全热回收装置的全年热MJ，节能效果显著 回收量达61MJ，哈尔滨的全年热回收量达89
为了进一步提升排风热回收系统的节能减排效果，众多学者将其与其他技术进行了结合应用.张烨琳利用光伏发电驱动热电热回收系统实现了对排风的热回收；王瑾等人将液体除湿与排风热 回收相结合对排风热量进行回收；部分学者将热回收与空气源热泵模块相结合来提升热回收效率，然而空气源热泵都是通过吸收排风中的热量来提升送风温度，且不曾研究其在严寒气候条件下高山滑雪中心的临时用房面临室外环境极寒的条 临时用房中的应用效果，冬类会临时用房尤其是件，以单一的热回收模块形式进行通风，仍面临送风温度较低，从面影响室内热舒适度的挑战.基于雪中心临时用房内使用一种耦合排风热回收与空 此，本文提出在2022冬奥会北京延庆赛区高山滑气源热泵的新型通风系统，该系统能够利用排风中的热量对新风预热，以减少新风处理能耗，并通过空气源热泵吸收室外空气中的低品位能，从而提升
图1耦合排风热回收与空气源热泵的新型通风系统原理图
2实验测试方案
基于上述系统原理，在2022冬奥会北京延庆
张文.女.1997年生，碳士研究生聂金哲(通信作者) E-mail niejnuzhe@ 143 100044北京市西城区展莞谊路1号北京建筑大学收稿日期：2022-0908 修回日期=
赛区高山滑雪中心6m（长）×3m（宽）×3m（高）的临时用房内搭建了测试样机和实验平台.样机采用吊顶式明装，尺寸为750mm（长）×600mm（宽）×300mm（高），风管管径为150mm，现场测 点布置图、房间及设备管道平面图如图2所示.
a理场测点布置图
图2现场布置图
现场对出人人员管理较为严格，实验人员无法在现 由于2022冬奥会在新冠肺炎疫情期间举办，场持续监测设备运行情况，因此，实验采取远程监测与现场测试相结合的方法对样机进行性能测试，测试时间为2022年2月1-17日，设备运行工况随室外气象情况实时变化，而非运行在特定典型工 况下.测试过程中，将5个长杆式温湿度计分别布置在新风入口、排风出口、新风热回收后节点、送风口、回风口，对应测量新风温度、排风温度、新个湿度测点布置如图1和图2a所示.每10min 风热回收后温度、送风温度回风温度.5测量1次温度并远程记录在数据云平台上：室外实时气象温度由设置在北京延庆高山滑雪中心临时用房外的小型气象站监测，每10min测量1次并远程记录在数据云平台上；空气源热泵、送风机 及排风机耗电量则采用电子式单相预付费电能表测试，1h测量1次并远程记录在云平台上.
3性能评价方法
的热回收效率、热泵机组性能系数及整个系统的性 系统性能评价指标主要包括板式排风热回收器能系数，本文基于冬奥临时用房的实测数据，首先分析了其在运行过程中的系统实际性能指标，其次通过理论建模分析了系统在相同运行工况下的理论最优性能指标，为日后系统的优化提供理论支撑.
3.1实际性能评价方法
根据GB/T51350-2019近零能耗建筑技术标准》，换热器效率为从排风中实际回收的热量的临时用房未对室内湿度进行控制，因此只研究显 与从排风中可回收的最大热量之比.本文所研究热回收效率.实际显热回收效率s计算式为
房间空调器的能效定义，空调器性能系数为空 根据GB/T7725-2004《房间空气调节器》对调器的制热量（制冷量）与其输人功率之比.则实际热泵机组性能系数C计算式为
式中G为新风量，m²/h，取150m²/h:p为空气密度，kg/m²，取1.29kg/m²： 为空气比定压热际热泵功率，kW，其值为1h内的热泵耗电量，由 容，kJ/（kgC），取1.005kJ/（kg℃）；W为实电子式单相预付费电能表测得.
对于整个新型通风系统面言，其制热量为新风从整个系统得到的热量输人功率为排风机、送风机及热泵功耗之和，则整个系统的性能系数C.的 计算式为
子式单相预付费电能表测得，为0.052kW. 式中W：为送风机与排风机功耗之和，kW，由电
在通风量相等的条件下，本文提出的耦合排风热回收与空气源热泵的新型通风方式相对传统排风扇通风模式可实现的节能（电）量计算式见式（4）、（5）.
式（4）、（5）中W：为排风扇功耗，kW：G为排风量，m²/h，取150m²/h；△p'为排风扇风压，Pa，按50Pa计算：'为排风扇风机效率，取0.75；P、为临时用房实际逐时节能（电）量，kW.
3.2理论性能评价方法
为了保证系统理论分析与实际运行所处的工况相同，本文基于冬奥临时用房现场测得的新风温度1、回风温度、送风温度室外实时气象温度，对该系统建立理论性能计算模型.
该热泵属于单级蒸气压缩式空气源热泵，其理
(1)
(2)
(3)
(4)
论循环过程的lgp-h图如图3所示.图中1-2 表示制冷剂在压缩机中的等压缩过程，1-2'为考虑压缩机等效率后的实际压缩过程，2-3表示制冷进人节流阀节流降压的过程，4-1表示制冷剂在蒸 剂在冷凝器中的冷却和冷凝过程，3-4表示制冷剂发器中的吸热蒸发过程.
率，取0.70：W-为理论热泵功率，kW.
4结果分析
选取2月14日为典型日对系统进行理论和实际性能对比分析，当天室外气温范围为一20.3~ 一15.4℃，为冬奥期间的气温较低日，其相关测试数据及性能曲线如图4所示.
图3单级蒸气压端式空气诉热系lgp-图
在建立理论性能计算模型的过程中首先确定冷凝器和蒸发器的传热温差均为8℃，过冷度和过热度均取5℃，从而得到蒸发温度、冷凝温度、压缩REFPROP软件来得到设备所用制冷剂的热力学 机吸气温度、压缩机排气温度：然后通过调用参数，得到蒸发压力、冷凝压力及图3中对应各点制冷剂的饱和温度、饱和压力、比焙、比等参数，从而计算出热泵理论性能系数Cab、系统理论性能系数C、临时用房理论逐时节能（电）量 Pa-相关计算式为
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
d理论与实际临时用房逐时节能（电）量和热泵动耗
图4庚型日通风系统运行数据及性能曲线
(11)
kg:h为图3 中点1对应的比熔，kJ/kg；h;为图3中 式（6）~（11）中h为图3中点2'对应的比焙，kJ/点2对应的比焙，kJ/kg；g为等煸效率，取0.76；为和的乘积，其值为0.855，其中为压缩机的摩擦效率，为电动机向压缩机传送能量 的效率，为电动机效率，为传热效率；h为图3中点3对应的比焙，kl/kg；%- 为理论显热回收效
后温度，且回风温度一直低于热泵启停温度20℃， 由图4a可见：送风温度一直高于新风热回收这表明热泵和风机全天处于运行状态：送风温度处于14.9~27.3℃之间，表明该系统可有效解决严寒气候条件下房间使用排风扇或自然通风时送风温度及气流组织无法保障的问题.
由图4b可见，热泵和风机运行时，热回收装置
的实际热回收效率为0.40左右，低于理论热回收效率0.70，这是由于进入热回收器的新风温度较低（图4a显示当天新风温度范围为-15.1~-3.0甚至结霜，从而影响热回收装置的性能. C），低温新风可能导致热回收装置内部出现结露
由图4c可见：热泵实际（理论）性能系数为1.4~2.0（3.0~3.5），系统实际（理论）性能系数能系数总体上呈正相关，且系统性能系数大于热泵 为1.8~2.5（4.7~5.8）；热泵性能系数与系统性性能系数，这是由于热回收装置自身风机功耗相对热泵功耗小
图4d显示：实际（理论）热泵功耗为0.7kW（0.3kW）左右，而热回收装置自身功耗即风机功 耗仅为0.052kW，这是由于实际的热泵性能受室外气温影响较大.图4a显示，当天室外气温范围为一20.3~-15.4C，室外气温较低，制冷剂在压缩机进出口的压缩比较高，从面导致实际等效率低于理论效率，在未来的设备优化过程中，可以选 用喷气增焙低温型空气源热泵.系统理论运行效果优于实际效果，这是由于热泵性能和热回收装置热回收效率的理论值都优于实际值.
比曲线可见，相对使用排风扇的通风方式，在通风 由图4d临时用房通风节能量理论与实际的对量相等的情况下，临时用房逐时实际节能（电）量为0.9kW左右，逐时理论节能（电）量为1.3kW左右，耦合排风热回收与空气源热泵的通风系统体现出明显的节能效果.
在2月1一17日对该系统的运行情况进行了远程测试，本次测试具有足够长的时间和足够大的室外温度涵盖范围，测试时间如表1所示.为了了解
表1测试时间汇总
日期 测试时间2月1日 00 42-08 42:18 5123412月2日 2月4日 00 0108 01:20 04-2355 00:0706;07;18;08-23:582月5日 2月6日 00 :08-06;28;19 ;59-23:49 00:0908:302月7日 00;0007;002月8日 2月9日 00↓0806 48 00;0006;002月13 日 2月14日 00;0306;4318;43-23:53 00:0323:582月15日 00 0806 28;15;3823592月16日 2月17日 00 091009;18 362356 00;0607:47
系统在测试期间的实际及理论性能变化情况，分别计算得到了13天数据中所测温度、系统性能参数的最小值、最大值、平均值，相关数据如图5所示.
a送风温度与室外温度
BR 是小组
b实际热回收效率
c理论与实际热泵性能系数
d理论与实际系统性能系数
瑾论与实际临时用房逐时节能（电）量
图5测试期间通风系统运行数据及性能查化由线
