石墨烯換熱芯及紙換熱芯對全熱交換器性能影響與研究

摘 要：新風系統越來越成為家居、辦公、商業場不可或缺的部分。全熱交換器因提供新風，回收室內熱量，高效節能，成為了新風系統中重要設備。本文研究了石墨烯換熱芯和傳統紙換熱芯對全熱交換器性能的影響。通過實驗驗證了石墨烯換熱芯全熱交換器的各項性能均優于紙芯全熱交換器。通過對比兩芯體得出石墨烯換熱芯具有可清洗、抗菌性好、成本低、環保等優點。無論是性能還是經濟性方面，石墨烯換熱芯均優于傳統紙換熱芯。

關鍵詞：全熱交換器；紙換熱芯；石墨烯換熱芯

前言

隨著人們生活水平的不斷改善，人們對空氣質量要求越來越高。安裝新風系統成為了改善空氣質量的有效手段。運用單向氣流新風機改善室內空氣質量會使得室內熱損失嚴重。使用雙向氣流的全熱交換器，在過濾空氣的同時也能夠對室內熱量進行回收。既滿足了人們對新風的需求又減少了能量的浪費。因此全熱交換器在新風系統中廣泛用到。而熱交換芯是全熱交換器的關鍵部件，直接決定了全熱交換器的性能。當前全熱交換器主要采用紙換熱芯，紙換熱芯有阻力大、成本高、不能清洗等缺點。更加環保、經濟、高效的換熱芯成為了人們關注的重點。

一、全熱交換器在家居、辦公、商業場所的應用

家居、辦公、商業場所的空調系統中，不帶新風系統，室內空氣不斷內循環，室內空氣質量會越來越差。全熱交換器是一種新風處理設備，空調系統中裝入全熱交換器就能實現室內外換氣。全熱交換器是一種高效節能的熱回收裝置，通過回收排氣中的余熱對引入空調系統的新風進行預熱或預冷。有效降低空調系統負荷，節省能耗和運行費用，有效地解決了提高室內空氣質量與空調節能之問的矛盾[1]。

一般來說，在安裝全熱交換器時通過房間所需要風量進行選擇。房間所需要風量需要考慮房間面積、房間人流量，安裝場所等。普通家庭80到140平房間風量選擇250m3/h風量即可，大型商場、辦公室的風量要求更高，可根據需求選擇相應風量。

二、全熱交換器及其性能指標

全熱交換器分為紙芯全熱交換器和蒸發式鋁芯全熱交換器兩種。紙芯全熱交換器，當室內外空氣對流時交叉經過芯體，室內排風與室外新風之間通過紙片隔開。紙片由纖維組成，只有小顆粒分子和水分子才能通過，大顆粒和有害物質無法通過[2]。從而實現了對溫度與濕度的回收。而鋁芯全熱交換器的芯體則是選擇親水鋁箔進行熱交換。

全熱交換器中設有初效過濾網、中效過濾網、PM2.5過濾網、活性炭過濾網等。初效過濾網的作用主要是過濾空氣中的大顆粒雜質如蚊蟲等。中效過濾網主要作用是過濾空氣中較大顆粒。PM2.5過濾網能夠過濾空氣中PM2.5顆粒?；钚蕴窟^濾網主要作用是吸附空氣的有害物質如甲醛、臭味等。

全熱交換器的主要性能參數有風量、風機功率、溫度效率、焓效率、噪音等。其中溫度效率和焓效率是全熱交換器的關鍵指標。GB 50189-2005《公共建筑節能設計標準》規定，新排風熱回收裝置（全熱和顯熱）的額定熱回收效率不應低于60%[3]。溫度效率的計算公式為：ηt=（tW-tJ）/（tW-tP）其中tW為室外空氣溫度，tJ為熱交換后溫度，tP為熱交換前溫度。焓效率及全熱效率，只要將溫度效率公式中的溫度t，更換為焓h即可。

三、紙換熱芯與石墨烯換熱芯性能研究

石墨烯全熱交換芯采用石墨烯改性抗菌透水膜，石墨烯改性抗菌透水膜是一類無孔高電荷密度的膜材料且只對水分子具有選擇通過性，在水蒸氣壓力差下，水分子可實現由膜材一側到另一側的移動并趨于平衡以調節室內濕度，且石墨烯基材具有極佳的導熱系數，可同時對進出室內的空氣進行熱、濕置換，在保證新鮮空氣供給的同時，最大程度地減少出口空氣的熱損失，達到節能目的。另外，透水膜帶有長效抗菌功能團，可以防止生物滋生，所以石墨烯改性抗菌透水膜具有無污染，無需再生等特點。另外，石墨烯換熱芯可清洗，而紙換熱芯只能更換不能清洗，因此石墨烯換熱芯更加經濟環保。

本文通過實驗分析了兩者差異。實驗方法如下，將相同尺寸的六邊形紙換熱芯體和石墨烯換熱芯體放入圖1所示全熱交換器中，在定風量250 m3/h下測量新風側和排風側轉速。并測量其溫度效率及焓效率實驗結果如下表。

實驗結果分析：1、相同尺寸芯體和相同箱體在不同的靜壓下石墨烯芯體無論是新風側還是排風側的電機轉速都低于紙換熱芯對應電機轉速；2、石墨烯換熱芯無論是溫度效率還是焓效率都優于紙芯。

四、結論

全熱交換器在新風系統中廣泛用到。兩種芯體中，石墨烯芯體全熱交換器的溫度效率和焓效率高于紙芯全熱交換器。且石墨烯全熱交換器阻力較紙芯小，能有效降低電機轉速，從而推斷噪音更低。另外，石墨烯芯體有可清洗、抗菌性好、成本低、環保等優點。因此石墨烯全熱交換芯的應用前景將越來越好。

參考文獻

[1]趙鴻佐，胡鶴鈞.中國土木建筑百科辭典，建筑設備工程[M].中國建筑工業出版社，1999.

[2]李明瑋.新型回轉型全熱交換器轉芯的材料及制造工藝[J].建筑技術通訊：暖通空調，1984（2）：25-26.

[3]李玲玲，張昕.嚴寒地區某站房候車大廳新風熱回收方案分析[J].建筑工程技術與設計，2016（23）.

作者簡介：

谷勇（1990-），男；民族：土家族；籍貫：湖北省恩施土家族苗族自治州利川市。單位：廣東美的暖通設備有限公司，多聯機及新風換熱系統開發。

（作者單位：廣東美的暖通設備有限公司）