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

1、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)合實例對在新風(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行了技術(shù)經(jīng)濟分析，并與采用顯熱交換器的情況進行了比較。結(jié)果表明：對于新風(fēng)熱負荷中潛熱負荷較高（=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)計技巧進行了介紹。關(guān)鍵詞 全熱交換器 熱回收 節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟分析 新風(fēng)換氣 交叉污染1 序言近年，人們對室內(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，而提升到對于室內(nèi)空

2、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: Indoor Air Quality）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。按照國標室內(nèi)空氣質(zhì)量標準GB/T18883-2002對于住宅、辦公建筑，其新風(fēng)量應(yīng)不小于30m3/h人。而對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6h-1。較大的換氣量，必然會造成較大的熱（冷）能損失，導(dǎo)致空調(diào)負荷增加。所以，保證IAQ與空調(diào)節(jié)能形成一對矛盾，解決這一矛盾

3、是空調(diào)工作者面臨的新課題。全熱交換器可以同時回收空調(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)，采用全熱交換器時應(yīng)從投資和節(jié)能效果兩方面對其進行綜合技術(shù)經(jīng)濟分析。本文結(jié)合實例對新風(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行了計算分析，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)輪由電機驅(qū)動，以大約20 rpm的

4、速度在殼體中轉(zhuǎn)動。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，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，進入新風(fēng)區(qū)的轉(zhuǎn)輪會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放出，使新風(fēng)被預(yù)熱和加濕變?yōu)闇嘏?、濕潤的空氣后送到室?nèi)。同樣原理，在夏季可以實現(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)熱負荷、實現(xiàn)節(jié)能。3 轉(zhuǎn)輪式全熱交換器的節(jié)能特性與

5、經(jīng)濟性3.1 轉(zhuǎn)輪式全熱交換器的節(jié)能特性用于評價全熱交換器性能的重要指標是熱交換效率。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：（1）（2）（3）以上各式中 , 為換熱前、后新風(fēng)的溫度； , 為換熱前、后新風(fēng)的含濕量g/kg(dry air)； ， 為換熱前、后新風(fēng)的比焓kJ/kg； , , 分別是換熱前回風(fēng)的溫度、含濕量g/kg(dry air)和比焓kJ/kg。厚度為200mm的轉(zhuǎn)輪式全熱交換器的熱交換效率的實測結(jié)果見圖2。在推薦的迎面風(fēng)速34m/s范圍內(nèi)，其全熱交換效率可達到70%以上（1）。3.2 轉(zhuǎn)輪式全熱交換器的

6、經(jīng)濟性分析為了保證在出現(xiàn)氣象峰值時，室內(nèi)空氣也能保持在設(shè)計條件，通常，空調(diào)設(shè)備是按照該地區(qū)的氣象峰值的歷年平均值進行設(shè)計的。然而，室外空氣條件時刻都在變化，如果僅僅以采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的空調(diào)室外空氣設(shè)計參數(shù)為基準來討論采用全熱交換器進行熱能回收的技術(shù)經(jīng)濟性，必然造成過大評估其節(jié)能及經(jīng)濟效益。因此，若空調(diào)運轉(zhuǎn)期間任意時刻的室外新風(fēng)比焓為 ，設(shè)計條件下室內(nèi)空氣比焓為 ，沒有采用全熱交換器時因換氣所帶來的新風(fēng)熱負荷 ，采用全熱交換器后的新風(fēng)熱負荷 ，采用全熱交換器所降低的新風(fēng)熱負荷（節(jié)能量） 可分別表示為：表1 設(shè)計條件建筑面積 8000 m2（所在地區(qū)：上海市）新風(fēng)量 48000 m3

7、/h(m3/m2h，5m2/人)室內(nèi)條件 夏季：25, 55%RH, 52.86kJ/kg冬季：20, 40%RH, 34.81kJ/kg室外條件 夏季：34, 64%RH, 90.37kJ/kg冬季：-4, 75%RH, 1.02kJ/kg運行時間 夏季：1300 h 冬季：1050 h電價 0.8元/kWh （0.049元/1000kJ,按COP=4.5進行換算）燃油價格 3.2元/L(0.0813元/1000kJ,按熱值39381kJ/L進行換算)全熱交換器 型號PAC-3500T,迎面風(fēng)速3m/s，焓效率73.5%, 風(fēng)阻160Pa風(fēng)機馬達7.5kW×2臺,轉(zhuǎn)輪驅(qū)動電機0.7

8、5kW顯熱交換器 型號PAC-3500S,迎面風(fēng)速3m/s，熱交換效率75.5%, 風(fēng)阻150Pa風(fēng)機馬達7.5kW×2臺,轉(zhuǎn)輪驅(qū)動電機0.75kW（4）（5）（6）以上各式中 為設(shè)計換氣所需新風(fēng)風(fēng)量m3/h, 為空氣密度kg/m3， 為運轉(zhuǎn)時間h。在實際設(shè)計計算時，把每一時刻室外新風(fēng)的比焓值帶入以上各式進行積分計算是不可能的。通常是根據(jù)歷年平均氣象數(shù)據(jù)，將空調(diào)運轉(zhuǎn)期間設(shè)計工況下每處理1 m3/h室外新風(fēng)所需冷、熱負荷平均值整理成數(shù)據(jù)資料，供設(shè)計者選用。在沒有此類數(shù)據(jù)的情況下，可以按照空調(diào)室外空氣設(shè)計參數(shù)及室內(nèi)設(shè)計條件計算出最大新風(fēng)換氣負荷后，根據(jù)空調(diào)實際使用狀況，乘上一個小于1的系

9、數(shù)（通常約為0.750.85）來計算。以上海市某中等規(guī)模的寫字樓為例，對新風(fēng)換氣系統(tǒng)采用全熱交換器的經(jīng)濟效益作如下計算分析。設(shè)計條件在表1中給出。若不采用任何熱回收設(shè)備，僅以換氣扇對空調(diào)房間進行換氣時，因換氣所帶來的新風(fēng)熱負荷為：夏季：48,000×1.2×（90.37-52.86）×1,300×0.8=2,246,999,040 kJ/年冬季：48,000×1.2×（34.81-1.02）×1,050×0.8=1,634,895,360 kJ/年若在新風(fēng)換氣系統(tǒng)采用全熱交換器，其所能降低的新風(fēng)熱負荷為：夏季：2,

10、246,999,040×0.735=1,651,544,294 kJ/年冬季：1,634,895,360×0.735=1,201,648,090 kJ/年全熱交換器自身消耗電力為：夏季：15.75×1,300=20,475 kWh/年冬季：15.75×1,050=16,537 kWh/年則節(jié)約運行成本為：夏季：1,651,544,294×0.049/1,000-20,475×0.8=64,545元/年冬季：1,201,648,090×0.0813/1,000-16,537×0.8=84,464元/年合計：64,54

11、5+84,464=149,009元/年根據(jù)目前全熱交換器的售價，約2年內(nèi)可收回設(shè)備投資。而且，這并不包括由于采用全熱交換器降低了新風(fēng)熱負荷，所需制冷、供熱設(shè)備能力變小而導(dǎo)致空調(diào)設(shè)備投資減少的部分，以及以換氣扇進行通風(fēng)換氣時的電力消耗。根據(jù)設(shè)計實例，對于新建樓房而言，這一空調(diào)設(shè)備投資減少的部分幾乎與因采用全熱交換器而導(dǎo)致的設(shè)備投資增加額相同。因此，新建樓房在最初設(shè)計階段把空調(diào)設(shè)備與全熱交換器統(tǒng)籌考慮可以獲得更大的節(jié)能經(jīng)濟效益。3.3 全熱交換器與顯熱交換器的技術(shù)經(jīng)濟比較對于上述工程實例，如果采用顯熱交換器（其顯熱交換效率為75.5%,見表1），則新風(fēng)送風(fēng)溫度為：夏季：T2=34-(34-25)&

12、#215;75.5%=27.2冬季：T2=-4+(20-（-4）)×75.5%=14.1采用顯熱交換器所降低的新風(fēng)熱負荷為：夏季：（34-27.2）×48,000×1.2×1.035×1,300×0.8=421,604,352 kJ/年冬季：（14.1-(-4)）×48,000×1.2×1.01×1,050×0.8=885,485,260 kJ/年顯熱交換器自身消耗電力為：夏季：15.75×1,300=20,475 kWh/年冬季：15.75×1,050=16,53

13、7 kWh/年節(jié)約運行成本為：夏季：421,604,352×0.049/1,000-20,475×0.8=4,278元/年冬季：885,485,260×0.0813/1,000-16,537×0.8=58,760元/年合計：4,278+58,760=63,038元/年表2 全熱交換器與顯熱交換器的節(jié)能效果比較新風(fēng)送風(fēng)空氣條件 沒有熱回收 顯熱交換器 全熱交換器夏季制冷 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)負荷比% 100% 81% 27%冬季

14、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)負荷比% 100% 45.9% 27%按目前顯熱交換器的售價，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現(xiàn)節(jié)能，但從技術(shù)經(jīng)濟綜合指標判斷，其節(jié)能效果遠遠不如采用全熱交換器。而且，從表2可以看出：新風(fēng)熱負荷中潛熱負荷所占比例越高（=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)熱負荷的顯熱比約為0.72，全熱交換器的節(jié)能效

15、果僅為顯熱交換器的1.35倍。所以，從節(jié)能效果和經(jīng)濟效益兩方面來看，對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：（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90120/秒的轉(zhuǎn)速連續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)輪由回風(fēng)區(qū)進入新風(fēng)區(qū)時，會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。 現(xiàn)行的全熱交換器

16、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空氣中的水蒸氣有吸附作用，對有味、有害氣體，揮發(fā)性有機物(VOCs)等也有吸附作用。即使是在被認為有味、有害氣體很少發(fā)生的寫字樓、賓館飯店、高級住宅樓等場所，由于各種建筑材料、內(nèi)部裝潢材料及家具等會緩慢地釋放出如甲醛、丙酮等揮發(fā)性有機物，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，會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)過較長使用時間后（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，這些蓄積的有味、有害氣體會從熱交換器轉(zhuǎn)輪上釋放出來，被新風(fēng)帶

17、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)生交叉污染的對策對于因全熱交換器轉(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)管的負壓端相連，就可以從根本上得到解決（見圖3）。對于后者，只有改變吸附劑才能解決問題。為此，對離子交換樹脂的吸濕特性及對各種污染氣體的吸附特性進行了實驗研究。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，通過改變相對濕度，很容易實現(xiàn)水蒸氣吸附與脫附過 程的交替進行(2)。表3 新型離子交換樹脂全熱交換器中各種VOCs交叉污染的測定結(jié)果VOCs

18、Concentration Transfer RateEthanol 70ppm NDMethanol 40ppm NDAcetone 45ppm NDMEK 40ppm NDToluene 40ppm NDXylene 30ppm NDStyrene 50ppm NDEthyl acetate 180ppm NDButyl acetate 33ppm NDIPA 200ppm ND5 全熱交換器性能測試試驗5.1 全熱交換器傳熱性能測試按照日本冷凍空調(diào)工業(yè)協(xié)會規(guī)定的方法。測試了現(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。實驗裝置見圖4。全熱交換性能實驗結(jié)果見

19、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，全熱交換效率達到80%，風(fēng)阻約為90 Pa。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 交叉污染實驗為了比較現(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，分別對兩種全熱交換器進行了交叉污染測定實驗。供實驗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)操作條件達到穩(wěn)定后，測定各部分的污染氣體濃度并按式（7）計算污染氣體轉(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)。實驗條件:室內(nèi)側(cè)溫度27，相對濕度50%RH；室外新風(fēng)側(cè)溫度30，相對濕度為60%RH；轉(zhuǎn)輪迎面風(fēng)速分別為2、3、4.5m/s。對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