暖通空调设计中全热交换器的使用

暖通空调设计中全热交换器的使用

郝志斌

齐翔建工集团有限公司 黑龙江 齐齐哈尔 161000

摘 要：暖通空调系统的功能就是创造舒适、健康的室内环境。暖通空调系统参数中，除温度、湿度参数外，另外一个主要的参数就是室内空气品质，一般情况下，通过合适的措施增加室内新风量是改善暖通空调室内空调品质最有效的方法，新风量越大，室内空气品质越好。但是，新风量的增加会增加处理新风的耗能。在符合基本要求的设计条件下，用于处理新风的能耗一般要占整个空调运行费用的30%~40%。虽然人们已意识到能源紧张带来的危机，但人们追求舒适健康的环境要求是不会停步的，满足人们的这种要求与能源紧张的矛盾将会更加突出。因而空调系统中增加新风量的同时如何能做到节约能源消耗的问题是最近几年暖通空调节能研究的一个重要新课题。

关键词：现代建筑；能源消耗；建筑节能

1全热交换器的含义

（1）全热交换器，顾名思义它不仅湿空气在其中可以进行温差势引起的显热交换，也可以进行（温差势）的潜热交换，即全热交换。全热交换器作为一种节能设备，为解决建筑物的舒适性环境的要求与能源紧缺矛盾提供有效的装置，全热交换器正是在这种矛盾日益突出的背景下受到人们的重视。全热交换器的种类很多，按芯体运动状态可分为静止式和转轮式两种全热交换器。一般情况下，静止式全热交换器芯是由平隔板与褶皱板交替排列，相邻两块褶皱板的叠放是互相垂直的，各自的两侧框条起刚性加强和密封作用，从而使两股空气按交叉流方式通过换热芯起到热、湿交换作用。

（2）空调系统中增加排风量的同时也增加了新风量，夏季时的降温调节以及冬季时的供暖调节中，新风与排风之间存在比较大的热湿差，如果能对新风与排风进行全热交换，是可以用于降低新风能耗。例如夏季的空调系统中，一般室内空气的温度为25±2℃、相对湿度为55±10℃，以全热交换效率65%计算，则可以节省中央空调新风处理能耗的65%，即可节省整个中央空调运行费的20%~26%，从而实现高效节能的目的。因此，在空调系统中采用全热交换器是实现既改善空调室内空气品质，又能节能的有效方法。另外，由于空气与水直接接触时也发生与上述全热交换器相似的热质交换现象，而且在制冷空调系统中起着重要的调温、控湿作用，在环境保护以及建筑节能方面也起着越来越重要的作用。

2全热交换器工作机理

目前，国内外对全热交换器的研究主要分为两个方向：一是对全热交换器自身结构的优化进行的理论研究和实验，主要是提供理论基础、节能机理。二是对全热交换器的空调系统节能效果进行分析，以便获得最佳的能量回收效果。针对目前家用小型新风机，全热交换器使用最广泛的还是静止板式全热交换器（主要的国外品牌代表霍尼韦尔、松下等）。另外还有部分品牌厂家（如皓欧等）使用转轮式全热交换器。本文列出了如下两种全热交换器性能对照表 1。可见板式全热交换器在家用小型新风机上有着比较明显的优势。考虑到目前家用小型新风机绝大多数采用的是板式全热交换器。文章简要介绍板式全热交换器的工作原理。一般对板式全热交换器做理论机理研究前，需要做如下假设：1）传热传质过程是稳态。2）气流内的热扩散和质扩散与对流传递相比可忽略不计。3）膜材料与水蒸气间是平衡吸附。4）膜内的导热系数、质量扩散系数等热物理参数是常数。5）膜内的温度和浓度分布在膜厚度方向上是线性。6）水在膜内的扩散仅发生在厚度方向。7）忽略气流在垂直于流道方向上的传热传质，认为是二维传递。在以上假设基础上对传热机理（边界层传热机理）进行分析、传质机理（多孔介质质量扩散原理）进行分析以及传热传质阻力（传热阻力与传质阻力理论）进行分析。根据以上机理建立数学模型（图 1），然后从机理上去分析板式全热交换器的工作原理。

表 1 板式全热交换器和转轮式全热交换器性能对照表

图 1 全热交换器水分子传递原理图

3全热交换器性能影响因素

研究表明，板式全热交换器的焓交换效率主要受中性膜材料的传热传质特性（导热系数、吸湿常数、水蒸气扩散率等）、空气的热力参数（新排风的温湿度、风量等）、芯体的迎面风速，全热换热器本身结构形式，以及全热交换器制作工艺（漏气率）等影响。在实际工况下，新排风两侧的温湿度差越大，全热交换器的交换效率越高，节能效果越明显。与此同时，风量越大，相应的交换效率就越低。一般在相同的风量下，针对全热换热器本身不同的结构形式（流道形式的不同），其全热交换器的效率也有很大不同，如表 2。而在产品设备设计过程中最大限度考虑到提高全热交换效率的情况下。采用不同的合适的热湿传递效率材料是至关重要的。目前板式全热交换器所用中性膜的材质有两种：一种是具有多孔结构的有良好热湿传递性能的纸（图 2），另一种是高分子聚合物制成的膜（图 3）。

表 2 热交换效率以及流道阻力分析对照表

图 2 特殊纸全热交换器

图 3 无机聚合物全热交换器

板式全热交换器在进行热湿传递过程中，发挥作用的应该是中性膜。因此如何对膜材料性能的好坏进行评价，也是需要了解的。一般从以下几个方面进行评价：1）膜材料的透湿性能。2）透气度。3）易燃性。4）承压能力。5）孔径及厚度等。

4空调系统夏季空气处理过程焓湿图的比较

图4 空调系统夏季空气处理过程i-d（含有全热换热器）

室外状态W点：35℃，h为88.7kJ/kg。

室内状态N点：26℃，h为58kJ/kg。

全热交换器的特性可以用显热交换效率ηt、全热交换效率ηh来衡量：

ηt=（t1-t2）/（t1-t3）×100%

ηh=（h1-h2）/（h1-h3）×100%

式中：t1-新风的干球温度，℃；t2-送风的干球温度，℃；t3

-回风的干球温度，℃；h1-新风的比焓，kJ/kg；h2-送风的比焓，kJ/kg；

h3-回风的比焓，kJ/kg。

热交换器的显热交换效率可达70%。

热交换器的全热交换效率可达60%。

计算得：交换机处理后状态P点：28.7℃，h=70.28kJ/kg。

图5 空调系统夏季空气处理过程i-d（不含全热换热器）

不同于含有全热换热器的风系统，这个图2没有状态点P，室外风直接被新风机处理到机械露点L，而送入室内。

室外状态W：35℃，h为88.7kJ/kg。

室内状态N：26℃，h为58kJ/kg。

经查焓湿图，得：

机械露点状态L：9℃，h=6.3kJ/kg。

从上述两个焓湿图4和图5可以看出，含全热交换器的空调系统会比不含全热交换器的空调系统充分利用了排风中的冷量，从而节约的能源。

3全热交换器在暖通空调设计实际案例中的使用

以某学校实训楼为例，人均新风量按24m³/（h·人），两间100人和150人的课室共用一部全热交换器，全热交换器吊装在课室走道，在走道外墙取新风，排风百叶设于厕所排风百叶旁边；课室内的新风百叶均匀布置在多联室内机的周围，排风百叶尽量远离新风百叶，达到合理的气流组织设计的目的，如图6所示；全热交换器吊装在室内如某观礼区，人均新风量按20m³/（h·人），室外进排风百叶分别设于房间的南北面，室内进排风百叶尽量拉开距离，如图7所示。

图6实训楼空调通风

图7 某观礼区空调通风

结束语

中央空调为人们营造舒适生活和工作环境的同时，也消耗了大量的能源，随着设备额定功率的增大，以及使用数量的增加，其对能源的消耗也不断增大。据统计，我国建筑物的能耗大约占了能源总消耗量的30%。特别是采用了中央空调的建筑，其能耗约占建筑总能耗的70%，而且还呈现逐年增长的趋势。空调节能的前景很大，节能技术的开发势在必行。而全热交换器在中央空调系统中的普及使用，极大地降低了建筑能耗，达到节能减排的目的，为绿色建筑的发展添砖加瓦。

参考文献：

[1]姚培，潘文群.全热交换器在暖通空调领域的应用及研究现状[J].制冷与空调（四川），2008，22（6）：130-133.

[2]于汶涛.论分析改善室内空气环境的综合措施[J].应用能源技术，2006（1）：11-14.