固定式全熱交換器的研究

1、固定式全熱交換器的研究摘要： 全空氣系統(tǒng)甚至采用全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是最好的選擇，由此帶來能耗增加的 問題 只有通過增設(shè)能量回收裝置才能解決。本文所介紹的固定式全熱交換器就是一種很好的能量回收裝置。本文通過介紹固定式全熱交換器在國(guó)內(nèi)外的 研究 情況，和國(guó)外的相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，指出全熱交換器作為一種很有 發(fā)展 潛力的能量回收裝置，對(duì)提高室內(nèi)空氣品質(zhì)和節(jié)約空調(diào)能耗都有非常重要的意義。建議我國(guó)也盡快建立該類型全熱交換器的相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范我國(guó)對(duì)固定式全熱交換器的研究行為，并為市場(chǎng)上出現(xiàn)的該類產(chǎn)品提供相應(yīng)的測(cè)試依據(jù)。 關(guān)鍵詞： 全熱交換器 內(nèi)核 熱濕交換 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) 1 引言 2003年出現(xiàn)的SARS疫情，使我

2、們?nèi)祟惖慕】得媾R嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，我們的空調(diào)系統(tǒng)曾被質(zhì)疑為傳播疾病的罪魁禍?zhǔn)?。為了澄清事?shí)，說明問題，暖通空調(diào)界的專家學(xué)者紛紛召開各種論壇，探討 目前 的空調(diào)系統(tǒng)所面臨的問題，為暖通空調(diào)的發(fā)展指明方向。關(guān)于人居環(huán)境的空氣品質(zhì)問題多有討論，提出“由舒適空調(diào)邁向健康空調(diào)”是今后空調(diào)的發(fā)展方向。面對(duì)這場(chǎng)突如其來的疫情，我們更加認(rèn)識(shí)到空調(diào)系統(tǒng)解決的不僅只是舒適問題，還應(yīng)關(guān)注健康問題。于是什么健康空調(diào)，反恐空調(diào)等所謂的空調(diào)新概念紛紛出現(xiàn)。但究竟什么是健康的空調(diào)，怎樣去實(shí)現(xiàn)健康舒適的空調(diào)，從而去創(chuàng)造一個(gè)良好的人居環(huán)境，是需要去認(rèn)真研究探討的問題，而不僅僅是停留在概念的角度。關(guān)于這個(gè)問題，有關(guān)專家學(xué)者也進(jìn)行了一些

3、 分析 ，指出全空氣系統(tǒng)是最佳的空調(diào)系統(tǒng)，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑熱濕控制及空氣品質(zhì)的全面控制，同時(shí)也為充分利用 自然 資源，進(jìn)行全新風(fēng)運(yùn)行提供條件。 1 加大新風(fēng)量是實(shí)現(xiàn)良好空氣品質(zhì)的最好 方法 ，只從空氣品質(zhì)的角度來說，進(jìn)行全新風(fēng)運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)才是最好的系統(tǒng)，可是由此帶來的能量消耗確實(shí)是非常大的。根據(jù)上海的氣象資料 計(jì)算 ，當(dāng)室內(nèi)設(shè)計(jì)值在26，60%時(shí)，對(duì)于公共建筑，處理1m 3 /h新風(fēng)量，整個(gè)夏季需要投入的冷能能耗累計(jì)約9.5kw·h左右 2 ?？梢娂哟笮嘛L(fēng)量后，能量消耗就有很大增加。因此，需要在新風(fēng)與排風(fēng)之間加設(shè)能量回收設(shè)備。目前市場(chǎng)上的能量回收設(shè)備有兩類：一類是顯熱回收型

4、，一類是全熱回收型。顯熱回收型回收的能量體現(xiàn)在新風(fēng)和排風(fēng)的溫差上所含的那部分能量；而全熱回收型體現(xiàn)在新風(fēng)和排風(fēng)的焓差上所含的能量。單從這個(gè)角度來說，全熱性回收的能量要大于顯熱回收型的能量，這里沒有考慮回收效率的因素。因此全熱回收型是更加節(jié)能的設(shè)備。按結(jié)構(gòu)分，熱回收器分為以下幾種：（1）回轉(zhuǎn)型熱交換器（2）熱回收環(huán)熱交換器（3）熱管式熱交換器（4）靜止型板翅式熱交換器在以上幾種熱交換器中，熱回收環(huán)型和熱管型一般只能回收顯熱?；剞D(zhuǎn)型是一種蓄熱蓄濕型的全熱交換器，但是它有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，需要額外的提供動(dòng)力。而靜止型板翅式全熱交換器屬于一種空氣與空氣直接交換式全熱回收器，它不需要通過中間媒質(zhì)進(jìn)行換熱，也沒有

5、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，因此，靜止型板翅式全熱交換器（也叫固定式全熱交換器）是一種比較理想的能量回收設(shè)備。2 固定式全熱交換器的性能 2.1 固定式全熱交換器 固定式全熱交換器是在其隔板兩側(cè)的兩股氣流存在溫差和水蒸氣分壓力差時(shí)，進(jìn)行全熱回收的。它是一種透過型的空氣空氣全熱交換器。這種交換器大多采用板翅式結(jié)構(gòu)，兩股氣流呈交叉型流過熱交換器，其間的隔板是由經(jīng)過處理的、具有較好傳熱透濕特性的材料構(gòu)成。2.2 三種效率的定義 全熱交換器的性能主要通過顯熱、濕交換效率和全熱交換效率來評(píng)價(jià)，它們的計(jì)算公式為 3 ：顯熱交換效率： SE= 濕交換效率： ME= 全熱交換效率： EE= 其中：G min 質(zhì)量流量小的一側(cè)的

6、空氣流量i 1 、i 2 分別為兩側(cè)空氣入口的焓值t 1 、t 2 分別為兩側(cè)空氣入口的溫度分別為兩側(cè)空氣入口的焓值c p 質(zhì)量流量小的一側(cè)的空氣的比熱各種 文獻(xiàn) 中對(duì)效率定義的表達(dá)式很多，但最本質(zhì)的定義還是上述的文獻(xiàn) 3 中對(duì)效率的表達(dá)式。這三種效率最本質(zhì)的定義都是：實(shí)際交換的量（熱量或者濕量）與可能達(dá)到的理想的最大的交換量的比值。2.3 效率的 影響 因素 對(duì)全熱交換器的效率有以下影響因素：（1）所用材質(zhì)的熱物性參數(shù)（2）隔板兩側(cè)空氣的進(jìn)風(fēng)參數(shù)（包括：風(fēng)量、速度、溫度、相對(duì)濕度等）在上述的第二個(gè)因素中，新風(fēng)的熱力參數(shù)，也就是室外的氣象條件，對(duì)全熱交換器的效率也是影響很大的。文獻(xiàn)4中分析了材

7、質(zhì)的熱物性參數(shù)以及室外氣象條件對(duì)三種效率的影響，指出這兩種因素對(duì)潛熱效率的影響要比對(duì)顯熱效率的影響明顯。文獻(xiàn)5從能耗的角度分析了全熱交換器在香港的使用情況，指出氣候條件越潮濕，全熱交換器比顯熱交換器更有優(yōu)勢(shì)，并得出香港地區(qū)的潛熱回收效率在一年中的大部分時(shí)間保持在60%的結(jié)論。關(guān)于效率的影響因素，文獻(xiàn)2也進(jìn)行了分析，并得出下列結(jié)論：（1）靜止型板翅式全熱交換器的顯熱效率和潛熱效率取決于材質(zhì)的熱物性參數(shù)、平隔板兩側(cè)的界面風(fēng)速和風(fēng)量比，而與進(jìn)風(fēng)參數(shù)無關(guān)。（2）用纖維性多孔質(zhì)基材制成單元體的全熱交換器在傳遞能量和濕量時(shí)，溫度效率與基材的工藝處理無大關(guān)系，而潛熱交換效率主要由材質(zhì)的透濕特性決定。（3）在

8、顯熱效率不等于潛熱效率時(shí)，全熱效率與進(jìn)風(fēng)的溫濕度條件有關(guān)。3 固定式全熱交換器的關(guān)鍵 問題 固定式全熱交換器性能的高低，除了與使用地區(qū)的氣候條件有關(guān)外，主要取決于所用材質(zhì)的熱物性能的好壞。目前 的 文獻(xiàn) 或已有的產(chǎn)品中所提到的材質(zhì)有兩種：一種是特殊的紙，另外一種是膜。但是不管用哪種材質(zhì)，從傳熱傳質(zhì)機(jī)理來講，可以分為兩種：一種是多孔滲水材料，它的傳質(zhì)機(jī)理是對(duì)流擴(kuò)散，傳遞動(dòng)力是壓力差；另一種是非滲水材料，傳質(zhì)機(jī)理是純分子擴(kuò)散，傳遞動(dòng)力是濃度差 6 。對(duì)于材質(zhì)的性能，大部分 研究 者關(guān)注的都是它的傳熱傳濕性能。但是，材質(zhì)的傳遞氣體（特別是各種污染氣體）的性能應(yīng)該是更加值得關(guān)注的。尤其是當(dāng)全熱交換器用

9、于一些特殊場(chǎng)合（比如 醫(yī)院 ）的空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的排風(fēng)中帶有污染的氣體，在回收排風(fēng)中的熱量的同時(shí)，不能使污染氣體也擴(kuò)散到新風(fēng)中去。即便是在普通的大型中央空調(diào)系統(tǒng)中，當(dāng)有大規(guī)模的空氣傳播流行?。ū热鏢ARS）爆發(fā)時(shí),空調(diào)系統(tǒng)需要切換到全新風(fēng)運(yùn)行模式，此時(shí)的排風(fēng)中攜帶有各種病毒，因此也不能使這些病毒通過全熱交換器的材質(zhì)傳遞到新風(fēng)中去。所以，從空調(diào)系統(tǒng)的健康性和安全性考慮，材質(zhì)的傳遞污染氣體的性能是更應(yīng)值得關(guān)注的。4 理論 模型的建立 用多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的理論建立模型， 分析 材質(zhì)的傳熱傳濕性能。目前的大部分研究所建立的模型都如文獻(xiàn)3一樣建立下列的數(shù)學(xué)模型：通過材質(zhì)的傳熱傳質(zhì)過程簡(jiǎn)化為三個(gè)步驟：

10、（1）材質(zhì)一側(cè)的吸附過程（2）通過材質(zhì)的擴(kuò)散過程（3）材質(zhì)另一側(cè)的解析過程模型的質(zhì)量和熱量守恒方程：新風(fēng)側(cè)：排風(fēng)側(cè)：材質(zhì)： 其中：m- 單位橫斷面積的質(zhì)量流量 kg/m 2 .sc p - 比熱 kJ/kg .KT - 溫度 Kh- 對(duì)流換熱系數(shù) kw/ m 2 .KH- 通道斷面高度 mk- 對(duì)流傳質(zhì)系數(shù) m/sw- 相對(duì)濕度 kg/kg.干D- 濕量傳遞率 kg/s從上面的模型中可以看出：對(duì)于兩側(cè)空氣內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程，只考慮了一維的情形，而對(duì)于材質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)熱過程考慮了三維情形。對(duì)于通過材質(zhì)的質(zhì)傳遞過程所建立的方程用到的是Fick定律，也就是說材質(zhì)內(nèi)的質(zhì)擴(kuò)散過程只考慮了單一的擴(kuò)散 規(guī)律 。根據(jù)

11、文獻(xiàn)7的多孔介質(zhì)傳質(zhì)理論可知，多孔介質(zhì)中的質(zhì)量傳遞屬于分子擴(kuò)散形式。但是隨著空隙尺寸大小的不同，這種分子擴(kuò)散質(zhì)量傳遞的特點(diǎn)與規(guī)律有所不同，所遵守的質(zhì)量傳遞定律的表達(dá)式亦有所差別。簡(jiǎn)要分析為：（1）當(dāng)空隙的定性尺寸遠(yuǎn)大于分子自由程時(shí)，遵守Fick定律，稱為Fick擴(kuò)散。（2）當(dāng)空隙的定性尺寸遠(yuǎn)小于分子自由程時(shí)，發(fā)生的是Knudsen擴(kuò)散。此時(shí)，流體分子同璧面的碰撞品率比它們之間碰撞的頻率高很多，當(dāng)流體分子撞擊璧面時(shí)，避免就會(huì)對(duì)其產(chǎn)生瞬時(shí)吸附，這種吸附使得流體通量減少了。Knudsen擴(kuò)散不再遵守Fick定律。（3）當(dāng)空隙的定性尺寸與分子自由程相當(dāng)時(shí)，多孔介質(zhì)中流體的質(zhì)量擴(kuò)散，既不遵守Fick定律

12、，也不符合Knudsen擴(kuò)散分析的結(jié)果，也稱為過渡擴(kuò)散。所以，材質(zhì)內(nèi)的質(zhì)擴(kuò)散過程不能只用Fick定律來表示，需要根據(jù)材質(zhì)的內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)，建立不同的質(zhì)擴(kuò)散模型。5 相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) 目前，關(guān)于全熱交換器的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)還沒有。下面是一些國(guó)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：（1） ANSI/ASHRAE 84-1991（2） BS EN 305：1997（3） ISO 9360-2（4） CEN PREN 308（5） ASTM TEST METHOD E 96-93這些標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了全熱交換器的測(cè)試實(shí)驗(yàn) 方法 ，所用的測(cè)試儀器以及測(cè)試中應(yīng)注意的問題。ASTM TEST METHOD E 96-93 是測(cè)試材料的水蒸氣

13、傳遞特性的標(biāo)準(zhǔn)。全熱交換器是一種很好的節(jié)能設(shè)備，有廣泛的 應(yīng)用 前景，在國(guó)內(nèi)也掀起了研究的熱潮，生產(chǎn)各種熱回收器的廠家也紛紛出現(xiàn)，為了規(guī)范市場(chǎng)和引導(dǎo)正確的研究方向，我國(guó)也應(yīng)該盡快建立相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。6 結(jié)論 隨著空調(diào)健康性和安全性問題的提出，如何創(chuàng)造一個(gè)既舒適又健康安全的人居環(huán)境越來越成為暖通空調(diào)界的緊迫課題。但同時(shí)帶來的能量消耗大的問題也需要迫切解決，固定式全熱交換器作為一種很好的能量回收裝置，必將有很廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外都對(duì)固定式全熱交換器作了些研究，但是傳質(zhì)傳熱模型有待于進(jìn)一步的完善，以從理論上更好地分析如何選擇材質(zhì)。我國(guó)也需要建立相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范可能出現(xiàn)的巨大的市場(chǎng)，也為研究和

14、測(cè)試提供相應(yīng)的依據(jù)。參考 文獻(xiàn)： 1 彥啟森 . 空調(diào)與人居環(huán)境 . 暖通空調(diào)，2003，33(5)：1-52 陳沛霖，編著 . 空調(diào)技術(shù)問答 . 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2003 . 53 L.Z.Zhang,Y.Jiang. Heat and mass transfer in a membrane-based energy recovery ventilator. Journal of Membrane Science 163(1999) 29-384 J . L . Niu, L . Z . Zhang . Membrane-based enthalpy exchanger: material considerations and clarification of moisture resistance. Journal of Membrane Science 189(2001) 179-1915 L.Z.Zhang, J.L.Niu. Energy requirements for conditioning fresh air and the long-term savings with a membrane-based energy rec