全熱交換器資料

全熱交換器作為樓宇空調(diào)新風(fēng)換氣系統(tǒng)的熱能回收設(shè)備，可以同時(shí)回收回風(fēng)空氣中的顯熱、及潛熱。因此，其節(jié)能效果備受關(guān)注。本文結(jié)合實(shí)例對(duì)在新風(fēng)換氣系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)輪式全熱交換器的節(jié)能特性及投資回收期等進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，并與采用顯熱交換器的情況進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：對(duì)于新風(fēng)熱負(fù)荷中潛熱負(fù)荷較高（=顯熱比較低）的夏季高溫、多濕的南方城市，采用全熱交換器具有較大的節(jié)能效果。而且，對(duì)防止轉(zhuǎn)輪式全熱交換器發(fā)生交叉污染的研究成果及設(shè)計(jì)技巧進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞

全熱交換器熱回收節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

新風(fēng)換氣

交叉污染1序言

近年，人們對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的要求已經(jīng)不僅僅限于溫度、濕度、風(fēng)速等與舒適有關(guān)的條件，而提升到對(duì)于室內(nèi)空氣中有害氣體（CO2、VOCs等）濃度、粉塵等與健康密切相關(guān)的室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ:IndoorAirQuality）的重視。舒適與健康成為現(xiàn)代空調(diào)所追求的兩大主題。然而，由于建筑節(jié)能要求、建筑水平的不斷提高，建筑物的氣密性越來越好。因此，從衛(wèi)生與健康的要求來看，房間必須有一定量的新風(fēng)換氣。按照國(guó)標(biāo)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T18883-2002對(duì)于住宅、辦公建筑，其新風(fēng)量應(yīng)不小于30m3/h？人。而對(duì)于某些人員密集的公共建筑或是室內(nèi)有污染源的工業(yè)建筑，其換氣次數(shù)可高達(dá)6h-1。較大的換氣量，必然會(huì)造成較大的熱（冷）能損失，導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷增加。所以，保證IAQ與空調(diào)節(jié)能形成一對(duì)矛盾，解決這一矛盾是空調(diào)工作者面臨的新課題。全熱交換器可以同時(shí)回收空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)空氣中的顯熱和潛熱，作為樓宇空調(diào)新風(fēng)換氣系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)備，其普及推廣越來越受到重視。

全熱交換器的節(jié)能效果與使用地區(qū)的氣象條件密切相關(guān)，采用全熱交換器時(shí)應(yīng)從投資和節(jié)能效果兩方面對(duì)其進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。本文結(jié)合實(shí)例對(duì)新風(fēng)換氣系統(tǒng)采用全熱交換器的節(jié)能效果及投資回收期進(jìn)行了計(jì)算分析，并與采用顯熱交換器的情況作了比較。介紹了防止轉(zhuǎn)輪式全熱交換器發(fā)生交叉污染的最新研究成果及設(shè)計(jì)技巧。

2轉(zhuǎn)輪式全熱交換器熱能回收原理

轉(zhuǎn)輪型全熱交換器的基本構(gòu)造如圖1所示。在分隔成上、下兩個(gè)區(qū)的殼體中，具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的全熱交換器轉(zhuǎn)輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以大約20rpm的速度在殼體中轉(zhuǎn)動(dòng)。由于全熱交換器轉(zhuǎn)輪是由帶有吸濕性涂層的鋁箔等

材料加工而成。來自室內(nèi)被污染的回風(fēng)空氣從裝置的上半部通過轉(zhuǎn)輪向室外排風(fēng)時(shí)，回風(fēng)空氣中所含熱（冷）量和水分的絕大部分將蓄積在轉(zhuǎn)輪中。隨著轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入新風(fēng)區(qū)的轉(zhuǎn)輪會(huì)將其蓄積的全熱能釋放給從裝置下半部通過轉(zhuǎn)輪的室外新風(fēng)空氣，實(shí)現(xiàn)熱能回收。

譬如在冬季，室外新風(fēng)在通過蜂窩狀轉(zhuǎn)輪時(shí)由于與轉(zhuǎn)輪之間存在著溫度差、水蒸氣分壓差，蓄積在轉(zhuǎn)輪里的顯熱和水分會(huì)放出，使新風(fēng)被預(yù)熱和加濕變?yōu)闇嘏?、濕?rùn)的空氣后送到室內(nèi)。同樣原理，在夏季可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)地向室內(nèi)供給經(jīng)過被預(yù)冷和除濕后的涼爽干燥的新風(fēng)。從而降低新風(fēng)熱負(fù)荷、實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3轉(zhuǎn)輪式全熱交換器的節(jié)能特性與經(jīng)濟(jì)性

3.1轉(zhuǎn)輪式全熱交換器的節(jié)能特性

用于評(píng)價(jià)全熱交換器性能的重要指標(biāo)是熱交換效率。全熱交換器的熱交換效率分為顯熱（溫度）交換效率，潛熱（濕度）交換效率和全熱（焓）交換效率。其各自的定義為：

季

制

冷

空氣溫度[℃]

34

27.2

27.3

含濕量[g/kg(干)]

21.92

21.92

13.98

比焓[kJ/kg(干)]

90.37

83.27

63.11

新風(fēng)負(fù)荷比[%]

100%

81%

27%

冬

季

采

暖

空氣溫度[℃]

-4

14.1

13.9

含濕量[g/kg(干)]

2.02

2.02

4.67

比焓[kJ/kg(干)]

1.02

19.30

25.77

新風(fēng)負(fù)荷比[%]

100%

45.9%

27%

按目前顯熱交換器的售價(jià)，需3年才能收回設(shè)備投資。采用顯熱交換器雖然也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，但從技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合指標(biāo)判斷，其節(jié)能效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如采用全熱交換器。而且，從表2可以看出：新風(fēng)熱負(fù)荷中潛熱負(fù)荷所占比例越高（=顯熱比越低），采用全熱交換器的節(jié)能效果也就越大。就本例而言，夏季制冷期新風(fēng)熱負(fù)荷的顯熱比約為0.25，全熱交換器的節(jié)能效果為顯熱交換器的3.84倍。而在冬季采暖期，新風(fēng)熱負(fù)荷的顯熱比約為0.72，全熱交換器的節(jié)能效果僅為顯熱交換器的1.35倍。所以，從節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益兩方面來看，對(duì)于像上海這樣夏季高溫、多濕的南方城市，建議在新風(fēng)換氣系統(tǒng)推廣使用全熱交換器，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)換氣系統(tǒng)節(jié)能降耗。

4全熱交換器發(fā)生交叉污染的原因及解決對(duì)策

4.1全熱交換器發(fā)生交叉污染的原因

轉(zhuǎn)輪式全熱交換器發(fā)生交叉污染的主要原因有兩個(gè)：

（1）由于全熱交換器轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的夾帶。全熱交換器以大約90～120゜/秒的轉(zhuǎn)速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)輪由回風(fēng)區(qū)進(jìn)入新風(fēng)區(qū)時(shí)，會(huì)將一小部分沒有來得及離開轉(zhuǎn)輪的回風(fēng)被夾帶到新風(fēng)區(qū)，導(dǎo)致交叉污染發(fā)生。根據(jù)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速與空氣風(fēng)速計(jì)算，發(fā)生夾帶的轉(zhuǎn)輪扇形區(qū)域的圓心角小于8゜。

（2）由于多孔性吸濕材料的吸附作用?，F(xiàn)行的全熱交換器所使用的吸濕材料為多孔性吸附劑。由于吸附劑微孔不僅對(duì)空氣中的水蒸氣有吸附作用，對(duì)有味、有害氣體，揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等也有吸附作用。即使是在被認(rèn)為有味、有害氣體很少發(fā)生的寫字樓、賓館飯店、高級(jí)住宅樓等場(chǎng)所，由于各種建筑材料、內(nèi)部裝潢材料及家具等會(huì)緩慢地釋放出如甲醛、丙酮等揮發(fā)性有機(jī)物，或是由于吸煙、人體出汗等產(chǎn)生的氨氣、尼古丁等氣體。這些有害難聞的氣體隨著回風(fēng)通過全熱交換器轉(zhuǎn)輪時(shí)，會(huì)有一部分被多孔性吸附劑所吸附，并蓄積在全熱交換器轉(zhuǎn)輪中。當(dāng)全熱交換器經(jīng)過較長(zhǎng)使用時(shí)間后（至少1年以上），遇到室外空氣的濕度、溫度等有較大的驟然變化時(shí)，這些蓄積的有味、有害氣體會(huì)從熱交換器轉(zhuǎn)輪上釋放出來，被新風(fēng)帶回到室內(nèi)，出現(xiàn)所謂交叉污染。

4.2防止全熱交換器發(fā)生交叉污染的對(duì)策

對(duì)于因全熱交換器轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生夾帶而造成的交叉污染問題，只要在全熱交換器轉(zhuǎn)輪進(jìn)入新風(fēng)區(qū)之前，設(shè)置一小塊扇形反吹凈化區(qū)。反吹凈化區(qū)的一側(cè)連接在新風(fēng)管的正壓端，另一側(cè)與排風(fēng)管的負(fù)壓端相連，就可以從根本上得到解決（見圖3）。對(duì)于后者，只有改變吸附劑才能解決問題。為此，對(duì)離子交換樹脂的吸濕特性及對(duì)各種污染氣體的吸附特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，離子交換樹脂的吸濕特性能介于A型和B型硅膠之間。而且，通過改變相對(duì)濕度，很容易實(shí)現(xiàn)水蒸氣吸附與脫附過

程的交替進(jìn)行(2)。

表3新型離子交換樹脂全熱交換器中各種VOCs交叉污染的測(cè)定結(jié)果

VOCs

Concentration

TransferRate

Ethanol

70ppm

ND

Methanol

40ppm

ND

Acetone

45ppm

ND

MEK

40ppm

ND

Toluene

40ppm

ND

Xylene

30ppm

ND

Styrene

50ppm

ND

Ethylacetate

180ppm

ND

Butylacetate

33ppm

ND

IPA

200ppm

ND

5全熱交換器性能測(cè)試試驗(yàn)

5.1全熱交換器傳熱性能測(cè)試

5.1.1全熱交換器傳熱性能測(cè)定方法

按照日本冷凍空調(diào)工業(yè)協(xié)會(huì)規(guī)定的方法。測(cè)試了現(xiàn)行的采用硅膠吸附劑和研發(fā)的采用離子交換樹脂作為吸濕材料的全熱交換器傳熱性能。實(shí)驗(yàn)裝置見圖4。

5.1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

全熱交換性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。結(jié)果表明：當(dāng)全熱交換器轉(zhuǎn)輪前面風(fēng)速為2m/s時(shí)，全熱交換效率達(dá)到80%，風(fēng)阻約為90Pa。新型離子交換樹脂全熱交換器的傳熱性能完全可與現(xiàn)行的硅膠型全熱交換器相媲美。

5.2

交叉污染實(shí)驗(yàn)

為了比較現(xiàn)行的硅膠吸附劑全熱交換器和新型離子交換樹脂全熱交換器交叉污染的差異，分別對(duì)兩種全熱交換器進(jìn)行了交叉污染測(cè)定實(shí)驗(yàn)。

5.2.1交叉污染實(shí)驗(yàn)方法

供實(shí)驗(yàn)用的污染氣體在污染氣體發(fā)生箱中產(chǎn)生，并導(dǎo)入到排風(fēng)RA中。當(dāng)操作條件達(dá)到穩(wěn)定后，測(cè)定各部分的污染氣體濃度并按式（7）計(jì)算污染氣體轉(zhuǎn)移率EOD。

EOD=(CSA-COA)/(CRA-COA)×100%

（7）

其中,CSA:熱交換后新風(fēng)側(cè)污染氣體濃度(ppm)；COA:室外新風(fēng)側(cè)污染氣體濃度(ppm)；CRA:排風(fēng)側(cè)污染氣體濃度(ppm)。實(shí)驗(yàn)條件:室內(nèi)側(cè)溫度27℃，相對(duì)濕度50%RH；室外新風(fēng)側(cè)溫度30℃，相對(duì)濕度為60%RH；轉(zhuǎn)輪迎面風(fēng)速分別為2、3、4.5m/s。

5.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

對(duì)10種常見VOCs在新型離子交換樹脂全熱交換器中的交叉污染狀況進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果表明：10種物質(zhì)均無交叉污染發(fā)生（見表3，ND：檢出濃度下限

(0.5ppm)以下）。氨、甲醛等極性親水性較強(qiáng)、且分子直徑較小的污染氣體成分被認(rèn)為容易發(fā)生交叉污染。為此，分別對(duì)氨、甲醛在以硅膠、活性氧化鋁、分子篩、以及離子交換樹脂作為吸濕材料的各種全熱交換器中的轉(zhuǎn)移率進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在圖6、7中給出?？梢?，雖然甲醛、氨在離子交換樹脂全熱交換器中也有轉(zhuǎn)移發(fā)生，但與其他類型的全熱交換器相比，其轉(zhuǎn)移率最低。其中甲醛的轉(zhuǎn)移率僅約為現(xiàn)行全熱交換器的1/3～1/6，氨的轉(zhuǎn)移率僅約為現(xiàn)行全熱交換器的的1/2～1/4。

6結(jié)論

（1）與顯熱交換器相比，新風(fēng)換氣系統(tǒng)采用全熱交換器其節(jié)能效果顯著。而且，新風(fēng)負(fù)荷的顯熱比越小，全熱交換器的節(jié)能效果越明顯。因此，對(duì)于高溫多濕的南方城市在新風(fēng)換氣系統(tǒng)應(yīng)使用全熱交換器，而非顯熱交換器。經(jīng)實(shí)例計(jì)算全熱交換器的投資回收期一般在2年左右。

（2）采用全熱交換器降低了新風(fēng)負(fù)荷，可以減少新風(fēng)機(jī)機(jī)組的容量，節(jié)省空調(diào)設(shè)備的初期投資。

（3）通過設(shè)置反吹凈化區(qū)，可以防止因轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生夾帶而造成的交叉污染問題。

（4）新型離子交換樹脂全熱交換器可以有效地降低因吸附作用所產(chǎn)生的交叉污染問題。參考文獻(xiàn)

（1）岡野浩志，