全热交换器用于新风换气系统的技术分析

1 序言

2 转轮式全热交换器热能回收原理

转轮型全热交换器的基本构造如图1所示。在分隔成上、下两个区的壳体中，具有蜂窝状结构的全热交换器转轮由电机驱动，以大约20 rpm的速度在壳体中转动。由于全热交换器转轮是由带有吸湿性涂层的铝箔等材料加工而成。来自室内被污染的空气从装置的上半部通过转轮向室外排风时，回风空气中所含热（冷）量和水分的绝大部分将蓄积在转轮中。随着转轮的转动，进入新风区的转轮会将其蓄积的全热能释放给从装置下半部通过转轮的室外新风空气，实现热能回收。

譬如在冬季，室外新风在通过蜂窝状转轮时由于与转轮之间存在着温度差、水蒸气分压差，蓄积在转轮里的显热和水分会放出，使新风被预热和加湿变为温暖、湿润的空气后送到室内。同样原理，在夏季可以实现连续地向室内供给经过被预冷和除湿后的凉爽干燥的新风。从而降低新风热负荷、实现节能。

3 转轮式全热交换器的节能特性与经济性

3.1 转轮式全热交换器的节能特性

用于评价全热交换器性能的重要指标是热交换效率。全热交换器的热交换效率分为显热（温度）交换效率，潜热（湿度）交换效率和全热（焓）交换效率。其各自的定义为：

以上各式中,为换热前、后新风的温度[℃]；,为换热前、后新风的含湿量[g/kg(dry air)]；，为换热前、后新风的比焓；,,分别是换热前回风的温度[℃]、含湿量[g/kg(dry air)]和比焓[kJ/kg]。

厚度为200mm的转轮式全热交换器的热交换效率的实测结果见图2。在推荐的迎面风速3～4m/s范围内，其全热交换效率可达到70%以上（1）。

3.2 转轮式全热交换器的经济性分析

为了保证在出现气象峰值时，室内空气也能保持在设计条件，通常，空调设备是按照该地区的气象峰值的历年平均值进行设计的。然而，室外空气条件时刻都在变化，如果仅仅以《采暖通风与空气调节设计规范》规定的空调室外空气设计参数为基准来讨论采用全热交换器进行热能回收的技术经济性，必然造成过大评估其节能及经济效益。因此，若空调运转期间任意时刻的室外新风比焓为，设计条件下室内空气比焓为，没有采用全热交换器时因换气所带来的新风热负荷，采用全热交换器后的新风热负荷，采用全热交换器所降低的新风热负荷（＝节能量）可分别表示为：

以上各式中为设计换气所需新风风量[m3/h],为空气密度[kg/m3]，为运转时间[h]。

在实际设计计算时，把每一时刻室外新风的比焓值带入以上各式进行积分计算是不可能的。通常是根据历年平均气象数据，将空调运转期间设计工况下每处理1 m3/h室外新风所需冷、热负荷平均值整理成数据资料，供设计者选用。在没有此类数据的情况下，可以按照空调室外空气设计参数及室内设计条件计算出最大新风换气负荷后，根据空调实际使用状况，乘上一个小于1的系数（通常约为0.75～0.85）来计算。

以上海市某中等规模的写字楼为例，对新风换气系统采用全热交换器的经济效益作如下计算分析。设计条件在表1中给出。若不采用任何热回收设备，仅以换气扇对空调房间进行换气时，因换气所带来的新风热负荷为：

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

若在新风换气系统采用全热交换器，其所能降低的新风热负荷为：

夏季：2,246,999,040×0.735=1,651,544,294 kJ/年

冬季：1,634,895,360×0.735=1,201,648,090 kJ/年

全热交换器自身消耗电力为：

夏季：15.75×1,300=20,475 kWh/年

冬季：15.75×1,050=16,537 kWh/年

则节约运行成本为：

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

合计：64,545+84,464=149,009元/年

根据而且，这并不包括由于采用全热交换器降低了新风热负荷，所需制冷、供热设备能力变小而导致空调设备投资减少的部分，以及以换气扇进行通风换气时的电力消耗。根据设计实例，对于新建楼房而言，这一空调设备投资减少的部分几乎与因采用全热交换器而导致的设备投资增加额相同。因此，新建楼房在最初设计阶段把空调设备与全热交换器统筹考虑可以获得更大的节能经济效益。

3.3 全热交换器与显热交换器的技术经济比较

对于上述工程实例，如果采用显热交换器（其显热交换效率为75.5%,见表1），则新风送风温度为：

夏季：T2=34-(34-25)×75.5%=27.2℃

冬季：T2=-4+(20-（-4）)×75.5%=14.1℃

采用显热交换器所降低的新风热负荷为：

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

显热交换器自身消耗电力为：

夏季：15.75×1,300=20,475 kWh/年

冬季：15.75×1,050=16,537 kWh/年

节约运行成本为：

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

合计：4,278+58,760=63,038元/年

按目前显热交换器的售价，需3年才能收回设备投资。采用显热交换器虽然也可以实现节能，但从技术经济综合指标判断，其节能效果远远不如采用全热交换器。而且，从表2可以看出：新风热负荷中潜热负荷所占比例越高（=显热比越低），采用全热交换器的节能效果也就越大。就本例而言，夏季制冷期新风热负荷的显热比约为0.25，全热交换器的节能效果为显热交换器的3.84倍。而在冬季采暖期，新风热负荷的显热比约为0.72，全热交换器的节能效果仅为显热交换器的1.35倍。所以，从节能效果和经济效益两方面来看，对于像上海这样夏季高温、多湿的南方城市，建议在新风换气系统推广使用全热交换器，实现新风换气系统节能降耗。

4 全热交换器发生交叉污染的原因及解决对策

4.1 全热交换器发生交叉污染的原因

转轮式全热交换器发生交叉污染的主要原因有两个：

（1）由于全热交换器转轮旋转所产生的夹带。全热交换器以大约90～120゜/秒的转速连续转动，转轮由回风区进入新风区时，会将一小部分没有来得及离开转轮的回风被夹带到新风区，导致交叉污染发生。根据转轮转速与空气风速计算，发生夹带的转轮扇形区域的圆心角小于8゜。

（2）由于多孔性吸湿材料的吸附作用。 现行的全热交换器所使用的吸湿材料为多孔性吸附剂。由于吸附剂微孔不仅对空气中的水蒸气有吸附作用，对有味、有害气体，挥发性有机物(VOCs)等也有吸附作用。即使是在被认为有味、有害气体很少发生的写字楼、宾馆饭店、高级住宅楼等场所，由于各种建筑材料、内部装潢材料及家具等会缓慢地释放出如甲醛、丙酮等挥发性有机物，或是由于吸烟、人体出汗等产生的氨气、尼古丁等气体。这些有害难闻的气体随着回风通过全热交换器转轮时，会有一部分被多孔性吸附剂所吸附，并蓄积在全热交换器转轮中。当全热交换器经过较长使用时间后（至少1年以上），遇到室外空气的湿度、温度等有较大的骤然变化时，这些蓄积的有味、有害气体会从热交换器转轮上释放出来，被新风带回到室内，出现所谓交叉污染。

4.2 防止全热交换器发生交叉污染的对策

对于全热交换器转轮旋转产生夹带而造成的交叉污染问题，只要在全热交换器转轮进入新风区之前，设置一小块扇形反吹净化区。反吹净化区的一侧连接在新风管的正压端，另一侧与排风管的负压端相连，就可以从根本上得到解决（见图3）。对于后者，只有改变吸附剂才能解决问题。为此，对离子交换树脂的吸湿特性及对各种污染气体的吸附特性进行了实验研究。结果表明，离子交换树脂的吸湿特性能介于A型和B型硅胶之间。而且，通过改变相对湿度，很容易实现水蒸气吸附与脱附过程的交替进行(2)。

5 全热交换器性能测试试验

5.1 全热交换器传热性能测试

5.1.1 全热交换器传热性能测定方法

按照日本冷冻空调工业 规定的方法。测试了现行的采用硅胶吸附剂和研发的采用离子交换树脂作为吸湿材料的全热交换器传热性能。实验装置见图4。

5.1.2 实验结果与讨论

全热交换性能实验结果见图5。结果表明：当全热交换器转轮前面风速为2m/s时，全热交换效率达到80%，风阻约为90 Pa。新型离子交换树脂全热交换器的传热性能完全可与现行的硅胶型全热交换器相媲美。

5.2 交叉污染实验

为了比较现行的硅胶吸附剂全热交换器和新型离子交换树脂全热交换器交叉污染的差异，分别对两种全热交换器进行了交叉污染测定实验。

5.2.1 交叉污染实验方法

供实验用的污染气体在污染气体发生箱中产生，并导入到排风RA中。当操作条件达到稳定后，测定各部分的污染气体浓度并按式（7）计算污染气体转移率EOD。

EOD =(CSA - COA)/(CRA - COA) ×100% （7）

其中, CSA: 热交换后新风侧污染气体浓度(ppm)；COA: 室外新风侧污染气体浓度(ppm)；CRA: 排风侧污染气体浓度(ppm)。实验条件:室内侧温度27℃，相对湿度50%RH；室外新风侧温度30℃，相对湿度为60%RH；转轮迎面风速分别为2、3、4.5m/s。

5.2.2 实验结果与讨论

对10种常见VOCs在新型离子交换树脂全热交换器中的交叉污染状况进行了调查。结果表明：10种物质均无交叉污染发生（见表3，ND：检出浓度下限(0.5ppm)以下）。氨、甲醛等极性亲水性较强、且分子直径较小的污染气体成分被认为容易发生交叉污染。为此，分别对氨、甲醛在以硅胶、活性氧化铝、分子筛、以及离子交换树脂作为吸湿材料的各种全热交换器中的转移率进行了测试评价。实验结果在图6、7中给出。可见，虽然甲醛、氨在离子交换树脂全热交换器中也有转移发生，但与其他类型的全热交换器相比，其转移率最低。其中甲醛的转移率仅约为现行全热交换器的1/3～1/6，氨的转移率仅约为现行全热交换器的的1/2～1/4。

6 结论

（1）与显热交换器相比，新风换气系统采用全热交换器其节能效果显著。而且，新风负荷的显热比越小，全热交换器的节能效果越明显。因此，对于高温多湿的南方城市在新风换气系统应使用全热交换器，而非显热交换器。经实例计算全热交换器的投资回收期一般在2年左右。

（2）采用全热交换器降低了新风负荷，可以减少新风机机组的容量，节省空调设备的初期投资。

（3）通过设置反吹净化区，可以防止因转轮旋转产生夹带而造成的交叉污染问题。

（4）新型离子交换树脂全热交换器可以有效地降低因吸附作用所产生的交叉污染问题。