全熱交換器在不同風量下焓交換效率變化的研究

何冠成，王繼偉，陸枝成

（1.威凱檢測技術有限公司，廣州 510663； 2.廣東美的制冷設備有限公司，佛山 528311）

引言

無論是炎熱的夏天還是寒冷的冬天，大家只需按下空調的遙控器就能享受溫度適宜的環(huán)境。為了避免室內環(huán)境不與室外環(huán)境進行熱交換，使用空調器時需要緊閉門窗，阻斷室內外之間的空氣流通。但是這樣做會引來新的問題，人們在密閉的房間中活動會不斷地消耗氧氣，呼出二氧化碳及水汽，經(jīng)過一段時間，房間內氧氣含量不足，濕度過大，人們會感到悶熱，如果房間中有人煮食、吸煙，室內的空氣就變得更污濁，細菌病毒容易滋生，進而危害人體健康。為了解決能量損耗大和空氣質量差的難題，人們發(fā)明了熱交換器，熱交換器以能量回收芯體為核心，在通風換氣過程中能回收部分的排風能量。

熱交換器按換熱的類型可分為全熱交換器和顯熱交換器，其中全熱交換器在居家環(huán)境中使用較為廣泛。風量、靜壓和焓交換效率是全熱交換器的重要技術參數(shù)，這三個參數(shù)之間又有聯(lián)系。同一全熱交換器，風量越大，焓交換效率就越低，風量越小，焓交換效率就越大。但是在全熱交換器的產(chǎn)品標準中，焓交換效率的測試方法中風量條件描述得不夠明確，容易造成測試結果的偏差，本文研究全熱交換器的工作原理，通過一系列測試反映焓交換效率與風量的關系，并提出熱負荷的概念，為消費者選購全熱交換器提供更直觀的技術參考。

1 全熱交換器

全熱交換器的學名是全熱型空氣-空氣能量回收裝置[1]，是一種以能量回收芯體為核心，在通風換氣過程中實現(xiàn)排風能量回收功能的設備組合。全熱交換器能在新風和排風之間同時產(chǎn)生顯熱和潛熱的交換，而顯熱交換器在新風和排風之間僅能產(chǎn)生顯熱交換。

全熱交換器一般由熱交換芯、風扇電機、過濾裝置、風道、控制系統(tǒng)及外殼六部分構成，其中熱交換芯是全熱交換器的核心組件。熱交換芯的流道結構較常見的有三角形、長方形、正方形。熱交換芯的透析膜和支撐件一般由聚酯材料或復合纖維制成，其中復合纖維材質制成的能量交換芯體在環(huán)境空氣濕度變大的情況下，流道形變較復合聚酯材料制成的芯體更大[2]。

圖1 全熱交換器工作原理

全熱交換器的工作原理如圖1所示：在風扇電機的驅動下，污濁空氣從室內排出，新鮮空氣從室外送入，室內、室外空氣在熱交換芯相遇，通過傳熱板進行溫度交換，通過板上的微孔進行濕度交換，既能通風換氣又在一定程度上維持室內溫度、濕度。這就是全熱交換過程。當全熱交換器在夏季制冷期運行時，新風從排風中獲得冷量，使溫度降低，同時被排風干燥，使新風濕度降低；在冬季運行時，新風從排風中獲得熱量，使溫度升高，同時被排風加濕。

2 名義風量值與焓交換效率

有研究[3]表明，對于同一熱回收裝置，交換效率隨風量及有效換氣率的增大而降低；因此全熱交換器對應的產(chǎn)品標準GB/T 21087-2007 《空氣-空氣能量回收裝置》（下文簡稱《標準》）中，指出全熱交換器的焓交換效率的測試應在指定的風量條件下進行，確保檢測結果的一致性。《標準》規(guī)定全熱交換器的焓交換效率按式（1）計算：

式中：

ηh—焓交換效率，以百分數(shù)表示；

ixj—新風進風空氣焓值，kJ/kg（干）；

ixc—新風送風空氣焓值，kJ/kg（干）；

ipj—排風進風空氣焓值，kJ/kg（干）。

但《標準》在“表3 裝置性能測試工況”中規(guī)定交換效率的測試是在名義靜壓對應名義風量下進行測試，而在“表2 交換效率要求”則規(guī)定在新、排風量相等的條件下測量，未考慮熱交換器的名義新風量與名義排風量不相等的情況。某全熱交換器的風量、焓交換效率的名義值如表1所示，在進行焓交換效率測試時，可出現(xiàn)幾種不同的風量條件，究竟按新風量250 m3/h、排風量200 m3/h，還是按新風量和排風量均為200 m3/h，又或者按新風量和排風量均為250 m3/h？對不同條件下的測試結果進行判定，可能出現(xiàn)不一致的結論。

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表1 全熱交換器焓交換效率性能參數(shù)

3 試驗方案與結果分析

3.1 試驗方案與結果

為了分析全熱交換器在新、排風量不同的條件下焓交換效率的變化情況，對一個帶風機的全熱交換器進行制冷焓交換效率試驗。試驗依據(jù)《標準》附錄E規(guī)定的兩室法進行，試驗樣品為名義新風量、排風量均為250 m3/h的全熱交換器，試驗條件和試驗結果如表2、表3所示。新風量、排風量對制冷工況交換效率的影響分別如圖2、圖3所示。

3.2 結果分析

試驗結果表明：

1）新風量、排風量的增加都會導致焓交換效率的減小。在新風量不變的情況下，制冷焓交換效率隨排風量的增加而減小；在排風量不變的情況下，制冷焓交換效率隨新風量的增加而減小。新風量不變時，制冷焓交換效率變化幅度為45.8～49.0 %；排風量不變時，制冷焓交換效率變化幅度為44.3～49.9 %。

2）增加新風量與增加排風量對溫度交換效率的影響有明顯差異。隨著新風量的增加，溫度交換效率從53.8 %降到42.2 %，降幅較大，濕度交換效率從48.0 %下降到44.6 %；隨著排風量的增加，溫度交換效率相對平穩(wěn)，并出現(xiàn)波動性，濕度交換效率從48.3 %下降到44.1 %。

為了解決名義新風量與名義排風量不相等引起的問題， 在T/CAQI 10-2016《新風凈化機》標準中，焓交換效率的計算考慮了新風量與排風量，焓交換效率[4]按公式（2）計算。GB/T 21087正在修訂，新版標準規(guī)定了焓交換效率的要求是在新、排風量相同而且風量等于新風量的條件下測試，同時新版標準引入了能量回收比，表征熱交換器回收的能量與能量回收過程中消耗的電能之比。

表2 制冷工況不同新風量條件下焓交換效率的測試結果

表3 制冷工況不同排風量條件下焓交換效率的測試結果

圖2 制冷工況下新風量對交換效率的影響

圖3 制冷工況下排風量對交換效率的影響

式中：

QP—排風風量，m3/h。

從消費者的角度來說，全熱交換器能為房間提供新鮮空氣同時也會產(chǎn)生不良影響—熱負荷，但焓交換效率、能量回收比都不能直觀地反映熱負荷。如果全熱交換器能標識產(chǎn)品名義熱負荷，消費者就能根據(jù)熱負荷參數(shù)采取合適的措施來保持房間的熱舒適性，熱負荷可通過下公式（3）計算：

式中：

C—熱負荷，W；

qhm—換風量（取新風出風質量流量與排風進風質量流量中較大者），kg/s。

4 結束語

全熱交換器的焓交換效率與新風量、排風量有關，而且新風量、排風量越大，焓交換效率越低。GB/T 21087正在修訂，新版標準規(guī)定了焓交換效率限定值試驗是在新、排風量相等且風量等于名義新風量的條件下進行，而名義焓交換效率的試驗則是在名義新、排風量條件下進行。然而焓交換效率不能直觀地反映熱負荷，在進行焓交換效率測試時，按照公式（3）計算熱負荷，對消費者采取措施維持房間熱舒適性有指導意義。