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全热交换器用于新风换气系统的节能技术经济分析株式会社西部技研 金伟力 岡野浩志 苏焱摘要全热交换器作为楼宇空调新风换气系统的热能回收设备，可以同时回收回风空气中的显热、及潜热。因此，其节能效果备受关注。本文结合实例对在新风换气系统采用转轮式全热交换器的节能特性及投资回收期等进行了技术经济分析，并与采用显热交换器的情况进行了比较。结果表明：对于新风热负荷中潜热负荷较高（=显热比较低）的夏季高温、多湿的南方城市，采用全热交换器具有较大的节能效果。而且，对防止转轮式全热交换器发生交叉污染的研究成果及设计技巧进行了介绍。关键词 全热交换器热回收节能技术经济分析 新风换气 交叉污染1序言近年，人们对室内空气环境的要求已经不仅仅限于温度、湿度、风速等与舒适有关的条件，而提升到对于室内空气中有害气体（CO2、VOCs等）浓度、粉尘等与健康密切相关的室内空气质量（IAQ: Indoor Air Quality）的重视。舒适与健康成为现代空调所追求的两大主题。然而，由于建筑节能要求、建筑水平的不断提高，建筑物的气密性越来越好。因此，从卫生与健康的要求来看，房间必须有一定量的新风换气。按照国标室内空气质量标准GB/T18883-2002对于住宅、办公建筑，其新风量应不小于30m3/h人。而对于某些人员密集的公共建筑或是室内有污染源的工业建筑，其换气次数可高达6h-1。较大的换气量，必然会造成较大的热（冷）能损失，导致空调负荷增加。所以，保证IAQ与空调节能形成一对矛盾，解决这一矛盾是空调工作者面临的新课题。全热交换器可以同时回收空调新风系统回风空气中的显热和潜热，作为楼宇空调新风换气系统的节能设备，其普及推广越来越受到重视。壳体转轮回风换热后排风室外新风橡胶密封圈分离隔板齿轮电机皮带室内侧室外侧送风 图转轮式全热交换器的热回收原理示意图全热交换器的节能效果与使用地区的气象条件密切相关，采用全热交换器时应从投资和节能效果两方面对其进行综合技术经济分析。本文结合实例对新风换气系统采用全热交换器的节能效果及投资回收期进行了计算分析，并与采用显热交换器的情况作了比较。介绍了防止转轮式全热交换器发生交叉污染的最新研究成果及设计技巧。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。来自室内被污染的回风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图2转轮式全热交换器效率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： （1） （2） （3）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kJ/kg；,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34m/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：表1 设计条件建筑面积8000 m2（所在地区：上海市）新风量48000 m3/h(m3/m2h，5m2/人)室内条件夏季：25, 55%RH, 52.86kJ/kg冬季：20, 40%RH, 34.81kJ/kg室外条件夏季：34, 64%RH, 90.37kJ/kg冬季：-4, 75%RH, 1.02kJ/kg运行时间夏季：1300 h 冬季：1050 h电价0.8元/kWh （0.049元/1000kJ,按COP=4.5进行换算）燃油价格3.2元/L(0.0813元/1000kJ,按热值39381kJ/L进行换算)全热交换器型号PAC-3500T,迎面风速3m/s，焓效率73.5%, 风阻160Pa风机马达7.5kW×2台,转轮驱动电机0.75kW显热交换器型号PAC-3500S,迎面风速3m/s，热交换效率75.5%, 风阻150Pa风机马达7.5kW×2台,转轮驱动电机0.75kW （4） （5） （6）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0.750.85）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/年根据目前全热交换器的售价，约2年内可收回设备投资。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/年表2 全热交换器与显热交换器的节能效果比较新风送风空气条件没有热回收显热交换器全热交换器夏季制冷空气温度3427.227.3含湿量g/kg(干)21.9221.9213.98比焓kJ/kg(干)90.3783.2763.11新风负荷比%100%81%27%冬季采暖空气温度-414.113.9含湿量g/kg(干)2.022.024.67比焓kJ/kg(干)1.0219.3025.77新风负荷比%100%45.9%27%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新风排风回风反吹净化区转轮转动方向新风新风风机排风风机回风图3反吹净化区及其防止交叉污染的原理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90120/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。图4 实验装置照片（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。图5 全热交换器性能实验结果4.2防止全热交换器发生交叉污染的对策对于因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)。表3 新型离子交换树脂全热交换器中各种VOCs交叉污染的测定结果VOCsConcentrationTransfer RateEthanol70ppmNDMethanol40ppmNDAcetone45ppmNDMEK40ppmNDToluene40ppmNDXylene30ppmNDStyrene50ppmNDEthyl acetate180ppmNDButyl acetate33ppmNDIPA200ppmND5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协会规定的方法。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。图6甲醛在各种全热交换器中的转移率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） 图7氨在各种全热交换器中的转移率其中, 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1/31/6，氨的转移率仅约为现行全热交换器的的1/21/4。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。参考文献（1）岡野浩志，広瀬勉.回転型全熱交換器用開発実験的研究. 空気調和衛生工学会論文集，2001，83（10）：4551()岡野浩志，舩戸浩史各種吸着剤使用全熱交換器臭気移行関実験的研究第35回空気調和冷凍連合講演会講演論文集，東京：2001，101104（3）金伟力，岡野浩志转轮式全热交换器的节能特性及无交叉污染化研究江苏省暖通空调制冷2005年学术年会论文集，无锡：2005，231239金伟力，男，1960.8.15, 研究员，工学博士，株式会社西部技研，开发部经理， E-mail：jinseibu-giken.co.jp 邮政编码：811-3134，日本国福冈县古贺市青柳3108-3，电话：81-92-9423844，传真：81-92-9423505