全熱交換器管理論文

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摘要：全空氣系統甚至采用全新風空調系統是最好的選擇，由此帶來能耗增加的問題只有通過增設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內外的研究情況，和國外的相關測試標準，指出全熱交換器作為一種很有發展潛力的能量回收裝置，對提高室內空氣品質和節約空調能耗都有非常重要的意義。建議我國也盡快建立該類型全熱交換器的相關測試標準，以規范我國對固定式全熱交換器的研究行為，并為市場上出現的該類產品提供相應的測試依據。

關鍵詞：全熱交換器內核熱濕交換測試標準

1引言

2003年出現的SARS疫情，使我們人類的健康面臨嚴峻的挑戰，我們的空調系統曾被質疑為傳播疾病的罪魁禍首。為了澄清事實，說明問題，暖通空調界的專家學者紛紛召開各種論壇，探討目前的空調系統所面臨的問題，為暖通空調的發展指明方向。

關于人居環境的空氣品質問題多有討論，提出“由舒適空調邁向健康空調”是今后空調的發展方向。面對這場突如其來的疫情，我們更加認識到空調系統解決的不僅只是舒適問題，還應關注健康問題。于是什么健康空調，反恐空調等所謂的空調新概念紛紛出現。但究竟什么是健康的空調，怎樣去實現健康舒適的空調，從而去創造一個良好的人居環境，是需要去認真研究探討的問題，而不僅僅是停留在概念的角度。關于這個問題，有關專家學者也進行了一些分析，指出全空氣系統是最佳的空調系統，它可以實現對建筑熱濕控制及空氣品質的全面控制，同時也為充分利用自然資源，進行全新風運行提供條件。[1]

加大新風量是實現良好空氣品質的最好方法，只從空氣品質的角度來說，進行全新風運行的空調系統才是最好的系統，可是由此帶來的能量消耗確實是非常大的。根據上海的氣象資料計算，當室內設計值在26℃，60%時，對于公共建筑，處理1m3/h新風量，整個夏季需要投入的冷能能耗累計約9.5kw·h左右[2]?？梢娂哟笮嘛L量后，能量消耗就有很大增加。因此，需要在新風與排風之間加設能量回收設備。

目前市場上的能量回收設備有兩類：一類是顯熱回收型，一類是全熱回收型。顯熱回收型回收的能量體現在新風和排風的溫差上所含的那部分能量；而全熱回收型體現在新風和排風的焓差上所含的能量。單從這個角度來說，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能的設備。

按結構分，熱回收器分為以下幾種：

（1）回轉型熱交換器

（2）熱回收環熱交換器

（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，熱回收環型和熱管型一般只能回收顯熱?；剞D型是一種蓄熱蓄濕型的全熱交換器，但是它有轉動機構，需要額外的提供動力。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進行換熱，也沒有轉動系統，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的兩股氣流存在溫差和水蒸氣分壓力差時，進行全熱回收的。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構，兩股氣流呈交叉型流過熱交換器，其間的隔板是由經過處理的、具有較好傳熱透濕特性的材料構成。

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價，它們的計算公式為[3]：

顯熱交換效率：SE=

濕交換效率：ME=

全熱交換效率：EE=

其中：Gmin——質量流量小的一側的空氣流量

i1、i2——分別為兩側空氣入口的焓值

t1、t2——分別為兩側空氣入口的溫度

——分別為兩側空氣入口的焓值

cp——質量流量小的一側的空氣的比熱

各種文獻中對效率定義的表達式很多，但最本質的定義還是上述的文獻[3]中對效率的表達式。這三種效率最本質的定義都是：實際交換的量（熱量或者濕量）與可能達到的理想的最大的交換量的比值。

2.3效率的影響因素

對全熱交換器的效率有以下影響因素：

（1）所用材質的熱物性參數

（2）隔板兩側空氣的進風參數（包括：風量、速度、溫度、相對濕度等）

在上述的第二個因素中，新風的熱力參數，也就是室外的氣象條件，對全熱交換器的效率也是影響很大的。文獻[4]中分析了材質的熱物性參數以及室外氣象條件對三種效率的影響，指出這兩種因素對潛熱效率的影響要比對顯熱效率的影響明顯。文獻[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勢，并得出香港地區的潛熱回收效率在一年中的大部分時間保持在60%的結論。

關于效率的影響因素，文獻[2]也進行了分析，并得出下列結論：

（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的熱物性參數、平隔板兩側的界面風速和風量比，而與進風參數無關。

（2）用纖維性多孔質基材制成單元體的全熱交換器在傳遞能量和濕量時，溫度效率與基材的工藝處理無大關系，而潛熱交換效率主要由材質的透濕特性決定。

（3）在顯熱效率不等于潛熱效率時，全熱效率與進風的溫濕度條件有關。

3固定式全熱交換器的關鍵問題

固定式全熱交換器性能的高低，除了與使用地區的氣候條件有關外，主要取決于所用材質的熱物性能的好壞。

目前的文獻或已有的產品中所提到的材質有兩種：一種是特殊的紙，另外一種是膜。但是不管用哪種材質，從傳熱傳質機理來講，可以分為兩種：一種是多孔滲水材料，它的傳質機理是對流擴散，傳遞動力是壓力差；另一種是非滲水材料，傳質機理是純分子擴散，傳遞動力是濃度差[6]。

對于材質的性能，大部分研究者關注的都是它的傳熱傳濕性能。但是，材質的傳遞氣體（特別是各種污染氣體）的性能應該是更加值得關注的。尤其是當全熱交換器用于一些特殊場合（比如醫院）的空調系統時，空調系統的排風中帶有污染的氣體，在回收排風中的熱量的同時，不能使污染氣體也擴散到新風中去。即便是在普通的大型中央空調系統中，當有大規模的空氣傳播流行?。ū热鏢ARS）爆發時,空調系統需要切換到全新風運行模式，此時的排風中攜帶有各種病毒，因此也不能使這些病毒通過全熱交換器的材質傳遞到新風中去。所以，從空調系統的健康性和安全性考慮，材質的傳遞污染氣體的性能是更應值得關注的。

4理論模型的建立

用多孔介質傳熱傳質的理論建立模型，分析材質的傳熱傳濕性能。目前的大部分研究所建立的模型都如文獻[3]一樣建立下列的數學模型：

通過材質的傳熱傳質過程簡化為三個步驟：

（1）材質一側的吸附過程

（2）通過材質的擴散過程

（3）材質另一側的解析過程

模型的質量和熱量守恒方程：

新風側：

排風側：

材質：

其中：m----單位橫斷面積的質量流量kg/m2.s

cp----比熱kJ/kg.K

T----溫度K

h----對流換熱系數kw/m2.K

H----通道斷面高度m

k----對流傳質系數m/s

w---相對濕度kg/kg.干

D---濕量傳遞率kg/s

從上面的模型中可以看出：對于兩側空氣內的傳熱傳質過程，只考慮了一維的情形，而對于材質內的導熱過程考慮了三維情形。對于通過材質的質傳遞過程所建立的方程用到的是Fick定律，也就是說材質內的質擴散過程只考慮了單一的擴散規律。

根據文獻[7]的多孔介質傳質理論可知，多孔介質中的質量傳遞屬于分子擴散形式。但是隨著空隙尺寸大小的不同，這種分子擴散質量傳遞的特點與規律有所不同，所遵守的質量傳遞定律的表達式亦有所差別。簡要分析為：

（1）當空隙的定性尺寸遠大于分子自由程時，遵守Fick定律，稱為Fick擴散。

（2）當空隙的定性尺寸遠小于分子自由程時，發生的是Knudsen擴散。此時，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，當流體分子撞擊璧面時，避免就會對其產生瞬時吸附，這種吸附使得流體通量減少了。Knudsen擴散不再遵守Fick定律。

（3）當空隙的定性尺寸與分子自由程相當時，多孔介質中流體的質量擴散，既不遵守Fick定律，也不符合Knudsen擴散分析的結果，也稱為過渡擴散。

所以，材質內的質擴散過程不能只用Fick定律來表示，需要根據材質的內部空隙結構，建立不同的質擴散模型。

5相關實驗測試標準

目前，關于全熱交換器的測試標準國內還沒有。下面是一些國外的相關標準：

（1）ANSI/ASHRAE84-1991

（2）BSEN305：1997

（3）ISO9360-2

（4）CENPREN308

（5）ASTMTESTMETHODE96-93

這些標準詳細規定了全熱交換器的測試實驗方法，所用的測試儀器以及測試中應注意的問題。ASTMTESTMETHODE96-93是測試材料的水蒸氣傳遞特性的標準。

全熱交換器是一種很好的節能設備，有廣泛的應用前景，在國內也掀起了研究的熱潮，生產各種熱回收器的廠家也紛紛出現，為了規范市場和引導正確的研究方向，我國也應該盡快建立相關的測試標準。

6結論

隨著空調健康性和安全性問題的提出，如何創造一個既舒適又健康安全的人居環境越來越成為暖通空調界的緊迫課題。但同時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，必將有很廣泛的應用前景。國內外都對固定式全熱交換器作了些研究，但是傳質傳熱模型有待于進一步的完善，以從理論上更好地分析如何選擇材質。我國也需要建立相關的測試標準，以規范可能出現的巨大的市場，也為研究和測試提供相應的依據。

參考文獻：

1彥啟森.空調與人居環境.暖通空調，2003，33(5)：1-5

2陳沛霖，編著.空調技術問答.上海：同濟大學出版社，2003.5

3L.Z.Zhang,Y.Jiang.Heatandmasstransferinamembrane-basedenergyrecoveryventilator.JournalofMembraneScience163(1999)29-38

4J.L.Niu,L.Z.Zhang.Membrane-basedenthalpyexchanger:materialconsiderationsandclarificationofmoistureresistance.JournalofMembraneScience189(2001)179-191

5L.Z.Zhang,J.L.Niu.Energyrequirementsforconditioningfreshairandthelong-termsavingswithamembrane-basedenergyrecoveryventilatorinHongKong.Energy26(2001)119-135

6PhillipW.Gibson.Effectoftemperatureonwatervaportransportthroughpolymermembranelaminates.Polymertesting19(2000)673-691

7林瑞泰，編著.多孔介質傳熱傳質引論.北京：科學出版社，1995，10