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新型板式全热交换器研制 产品研制及实验湖南大学 殷 平摘要 讨论了国内外评价全热交换器性能的主要指标,介绍了一种新型全热交换器的基本结构、主要特点以及实验结果。结果表明,由于采用了纳米气体分离复合膜作为热质交换材料,该全热交换器具有以下特点:a)全热交换效率高达75%以上,高于其他形式的同类产品;b)取消了传统的波纹瓦楞纸支撑结构,空气阻力大幅度下降;c)在较高的迎面风速下,仍然有较高的换热效率;d)热质交换材料的孔径只有2 nm,细菌、病毒和气体均无法通过,实现了零泄漏;e)由于采用了板式换热器的可拆卸结构,加上材料良好的疏水性,因此芯体可以拆卸,大大延长了换热器寿命。关键词 板式全热交换器 节能 纳米气体分离复合膜 产品开发Res e arc h on a new typ e of plate air2to2air e nergyre c overy ve ntilator:pro duct d e velop m e nt a nd e xp erim e ntsBy Y in PingAbstractDiscusses some performances that evaluate plate air2to2air energy recovery ventilators at homeand abroad.Presents the structure,main characteristics and experimental results of the new type air2to2airenergy recovery ventilator.As a result,the new type energy recovery ventilator has characteristics asfollowing due to nano2gas separation composite membranes being used as heat exchanging material:a)highertotal energy effectiveness(more than 75%)than other similar products,b)traditional corrugation papersupport structure is cancelled,thus the air resistance is significantly reduced,c)still high total energy transfereffectiveness at the condition of high face velocity,d)germs,viruses and gases other than vapor cant permeatethrough the membrane with only 2nm hole diameter,and zero across leakage is acquired,e)owing to adoptinga disassembled structure and the membrane with excellent affinity to water molecule,the exchanger core can bedismantled and cleaned,prolonging the life span of the plate air2to2air energy recovery ventilators.Keywordsplate air2to2air energy recovery ventilator,energy efficiency,nano2gas separation compositemembrane,product developmentHunan University,Changsha,China0 引言全热交换器作为一种行之有效的空调能量回收装置,已为广大的暖通空调专业人士所熟知。采暖通风与空气调节设计规范1及其他有关的建筑设计及节能标准均建议在有条件的情况下宜采用排风热回收装置。2005年7月1日开始实施的 公共建筑节能设计标准2指出:空调区域(或房间)排风中所含的能量十分可观,加以回收利用可以取得很好的节能效益和环境效益。在国外,排风热回收装置也是各种法规、标准、设计手册极力推荐的有效节能设施。65暖通空调HV&AC2005年第35卷第11期 殷平,男,1944年3月生,大学,教授410012湖南省长沙市岳麓山湖南大学(0)13902250756E2mail:pingyin vip.收稿日期:20050809 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.但是迄今为止,全热交换器并未得到广泛的应用,即使是在美国,其普及率也只有1%34,究其原因,主要是这种空调节能装置存在以下缺陷:a)价格昂贵,回收时间过长34;b)允许的迎面风速较低,导致设备体积庞大;c)效率偏低,加上厂家随意抬高热回收效率,使其失信于用户5;d)空气阻力较大,减小了热回收的节能效果;e)泄漏引起了安全问题;f)需要较高效率的空气过滤器保护,维护管理麻烦3;g)冬季使用时,需要有可靠的防霜措施等等。因此,国内外全热交换器的研究和开发工作一直方兴未艾。“911”事件和SARS疫情发生之后,由于被称为“反恐空调系统”的独立新风系统(DOAS)的迅速推广,以及政府和民间开始全面评估空调系统的安全性,因此可能实现零泄漏的板式全热交换器的研制速度大大加快。本文讨论了目前国内外有关全热交换器的评价指标,介绍了笔者研制的一种新型板式全热交换器的基本结构、主要特点和实验结果。笔者拟继续撰文阐述本课题在经济分析、国内外全热交换器水平分析、影响因素分析、热质交换材料等方面的研究成果。我国全热交换器的国家标准正在制定之中,目前可供参考和借鉴的的国外标准有文献610。1 性能指标参考上述标准,同时参考ASHRAE手册2004年最新版本11,全热交换器的主要性能指标可以归纳为4个方面:a)热工性能,即效率(包括显热交换效率、潜热交换效率和全热交换效率)和净效率;b)空气动力性能,即风量、空气阻力和迎面风速;c)空气泄漏率;d)噪声。1.1 热工性能 效率全热交换器的效率,根据ASHRAE标准846定义为=实际传湿量或实际能量传递量两股气流之间的最大湿或能量传递量(1)可以用下式表示=ms(x1-x2)mmin(x1-x3)100%(2)式中 ms为送风质量流量;mmin为送风和排风中质量流量较小的一个;x1,x2,x3分别为新风进口、送风(新风)出口和排风(回风)进口的比焓(干球温度、含湿量)。当x是干球温度时,效率为显热交换效率或温度效率,用s表示;当x为含湿量时,效率为潜热交换效率,用m表示;当x为比焓时,效率为全热交换效率,用e表示。由于影响全热交换器热质交换效率的因素较多,效率的试验必须依照有关标准的规定进行,对不同产品的效率进行比较时,条件也必须相同。在影响条件中,首先要考虑的是效率对应的名义(试验)工况,表1是前述各个标准中规定的名义(试验)工况。名义工况不同,热质交换效率不同。笔者通过试验发现,增大试验的全热交换器新风和回风的干球温度差、含湿量差或比焓差,全热交换器的效率都会提高;对于同一台全热交换器,按ARI标准1060规定的名义工况测试的结果,与采用J IS标准8628规定的名义工况测试的结果不同,前者的显热交换效率高于后者,而后者的潜热交换效率和全热交换效率高于前者。表1 全热交换器效率名义(试验)工况项 目ARI 10607J IS B 862810BS3089制冷 室内 干球温度23.9271湿球温度17.2202室外 干球温度35351湿球温度256292供暖 室内 干球温度21.120125湿球温度14.414218室外 干球温度1.7515湿球温度0.6223 另外,对于空气 空气热回收装置(国内俗称“新风换气机”)的换热效率,必须注明是显热交换效率还是全热交换效率,否则出现文献12 所述“事件”就不足为奇了。影响全热交换器热质交换效率的因素主要还有:迎面风速(即相同迎风面积下的风量)、热质交换通道长度、热质交换材料之间的间距。以下简单说明热质交换通道长度和热质交换材料之间的间距的影响。图1为全热交换器示意图,由图可知,当热质交换通道长度增加时,两侧空气的热质交换图1 全热交换器示意图75 暖通空调HV&AC2005年第35卷第11期 设备开发 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.时间延长,效率势必提高,当通道足够长时,理论上,热质交换效率将近似等于1,但是在通道长度增加的同时,全热交换器的体积、成本和空气阻力将大幅度增加。另一方面,热质交换材料之间的间距对热质交换效率也会有一定的影响。当间距增加时,由于旁通系数增加,效率下降;当间距缩小时,虽然效率增加,但是全热交换器的成本和空气阻力明显增加,这些规律与表面式空气换热器相似,应该进行优化设计,通过理论计算和实验确定其合理值。因此对于型号确定的产品,当给出热质交换效率时必须给出热质交换通道长度L和热质交换材料之间的间距H。当全热交换器两个空气通道之间存在泄漏时,全热交换器的热质交换效率将下降,因此ARI标准1060提出了以净效率(net effectiveness)作为全热交换器的另外一个性能评价指标,并列入规定的认证项目中7。1.2 空气动力性能与其他空气换热器相似,对于一种结构尺寸已经确定的全热交换器,其芯体的迎面风速(即风量)对于整机的性能影响很大,目前国内外传统的空气 空气热回收装置的热质交换效率随迎面风速增加而大幅度减小,图2给出了美国一种板式全热交换器产品在不同风量(迎面风速)下的换热效率和压力损失11。由图2可知,无论是显热交换效图2 空气流量对热质交换效率和压力损失的影响率、潜热交换效率还是全热交换效率以及压力损失都明显受到风量(迎面风速)的影响。由于全热交换器的整机体积大小又取决于全热交换器芯体的迎面风速,因此给出换热效率的同时应给出迎面风速,美国和日本的板式全热交换器的迎面风速一般都规定在1 m/s以下。在全热交换器的空气动力性能中,风量和余压是各国标准均需要测试的性能指标,其意义与其他空调机组相同,这里不再讨论。1.3 泄漏率泄漏率是全热交换器的一项十分重要的性能指标,对防范可能的生化恐怖袭击而言更是如此。由于全热交换器的芯体泄漏与芯体材料无关,涉及的是全热交换器的结构设计、工艺和产品质量问题,一般不在各个标准全热交换器的泄漏讨论范畴内。全热交换器中的空气泄漏是指任何一种气流进入了或离开了送风或排风气流,其方式有两种:一种是交叉泄漏(cross2flow leakage),主要是由于新、排风或送、回风之间存在静压差所造成的(如图1所示);另一种是携带泄漏(carryover leakage),只出现在转轮式全热交换器中,主要是由于转轮旋转时所造成的11。文献7提出了排风气流传递比率(EA TR)和新风修正系数(OA CF)两个量纲一参数。EA TR是通过送风气流中惰性气体的浓度变化来反映空气泄漏量的大小。EA TR=c2-c1c3-c1(3)式中 c1,c2,c3分别为图1中新风、送风、回风中的惰性气体浓度。OA CF=m1m2(4)式中 m1为全热交换器的新风采集量,m2为通过全热交换器的送风量。EA TR和OA CF在描述全热交换器的空气泄漏性能时,意义是完全不同的,极容易混淆,为此,ARI作出了明确的解释13:EA TR的定义是回风进入新风的百分比,例如,当一种全热交换器的EA TR=5%,房间所需要的新风量为2 000 m3/h时,m2为m2=m1(1+EA TR)=2 000 m3/h(1+0.05)=2 100 m3/hOA CF的定义是新风量与送风量之比,例如,当一种全热交换器的OA CF=1.1,房间送风量为2 100 m3/h时,m1为m1=m2OA CF=2 100 m3/h1.1=2 310 m3/hJ IS B 8628标准采用有效换气量mE作为全热交换器的泄漏率性能评价指标,即送风量减去回风85设备开发 暖通空调HV&AC2005年第35卷第11期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.漏入送风中的风量10,因此mE也可用下式表示:mE=m2(1-EA TR)(5)图3为板式空气 空气热回收装置漏风率示意图,由图可以看出,采用EA TR的目的是为了选择图3 板式空气 空气热回收装置漏风率示意图合适的风机尺寸和合理的布置方式,以确保室内所需要的新风量,因为实际的送风量已经包含了漏入的回风量。采用OA CF的目的则是为了确保新风采集口进入的新风量,因为进入房间的实际送风量是扣除漏掉的新风量的剩余风量13。对于全热交换器产品,J IS B 8628标准规定小型全热交换器(有效换气量小于250 m3/h)和大型全热交换器(有效换气量大于2 000 m3/h)的有效换气量应大于名义风量的85%,中型全热交换器(有效换气量2502 000 m3/h)的有效换气量应大于名义风量的90%10。泄漏率的大小主要取决于热质交换材料本身、风机的位置(正压、无压差、负压)和压差的高低。根据ASHRAE Handbook 2004年版的统计11,美国板式空气 空气换热器的EA TR大致为05%,OA CF大致为0.971.06;转轮式全热交换器的EA TR大致为0.5%10%,OA CF大致为01991.1。关于全热交换器热质交换材料的泄漏率问题,笔者将另外撰文加以讨论。1.4 净效率考虑到空气泄漏对全热交换器效率的影响,文献7提出了净效率的概念。净效率可以用下式表示7:net=msx1-x2-EA TRx31-EA TRmmin(x1-x3)100%(6)如图3所示,由于存在回风泄漏(EA TR 0),状态参数x2会发生变化,实际送风参数可以用xnet表示:x2=(1-EA TR)xnet+EA TRx3(7)xnet=x2-EA TRx31-EA TR(8)2 新产品研制图4所示为长期以来国内外板式全热交换器的主要形式,主要由3部分组成:a)热质交换材料;b)波纹瓦楞纸支撑结构;c)框架。对于全热交换器的性能和成本来说,最主要的部件是热质交换材料。由于热质交换材料一般薄而轻,因此必须要有支撑结构,支撑结构不但会影响到热质交换、空气阻力,也会影响到加工工艺和产品成本,因此是另一个关键部件。因此,笔者的研发重点集中在热质交换材料和支撑结构这两部分。图4 板式空气 空气热回收装置芯体示意图2.1 热质交换材料板式全热交换器长时间以来采用的热质交换材料基本上都是经过特殊处理的纸张,其研究和开发的重点主要是在纸的材质以及处理手段方面,虽然近年来国际上有报道,作为全热交换器热质交换材料的、经过处理的特殊纸张的性能有所提高14,但是提高的幅度有限,无法令人满意。随着膜技术的快速发展,从20世纪末开始,国内外在板式全热交换器的热质交换材料研究方面已将注意力转向了膜(membrane)材料,国内外先后发表了一系列的研究论文,其中我国科技工作者在这方面完成的基础理论研究工作在国际上尤为引人注目。而将膜技术应用到全热交换器产品方面则是最近一两年的事情。美国ASHRAE手册系统和设备篇2004年版与2000年版15相比,“空气 空气能量回收”一章中有关板式空气 空气能量回收装置部分的内容变动最大。2004年版将板式空气 空气能量回收装置分成了两类:a)传统的采用铝箔作为换热材料的显热交换器和采用经过处理的纸作为热质交换材料的全热交换器。b)采用具有浸透性的多微孔膜(permeable2microporous membranes)作为热质交换材料的全热交换器,并给出了两类板式空气95 暖通空调HV&AC2005年第35卷第11期 设备开发 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.空气能量回收装置的主要性能,如表2所示。由表可知,a类主要是作为显热交换器使用,因此没有标出全热和潜热交换效率。事实上,美国2003年ARI完成的全美空气 空气能量回收装置认证工作中,a类中只有一家公司的板式空气 空气能量回收装置具备全热交换的功能16;b类为全热交换器,给出了性能指标的期望值,2003年ARI完成的全美空气 空气能量回收装置认证工作未见此类产品,2004年有一家公司的b类全热交换器通过了ARI认证16。表2ASHRAE手册所载板式空气 空气换热器的主要性能11类型风量范围/(L/s)显热交换效率/%潜热交换效率/%全热交换效率/%迎面风速/(m/s)空气阻力/PaEA TR/%OACF优点缺点a 255080151001 000050.971.06无运动部件,低阻力,容易清洗体积大b 2550755072507313100500050.91.06无运动部件,低阻力,低泄漏厂家少,长时间性能不清楚 作为独立新风系统课题的子课题 新型全热交换器研制,笔者是从2003年开始的,研究是从热质交换材料入手,考虑到空气分离膜的诸多优点,一开始就放弃了特殊纸张的研究,目标瞄准了空气分离膜。在对国内外各种空气分离膜产品进行分析的基础上,选择了我国有关单位开发的一种微 孔 均 质 膜(microporoushomogeneousmembrane),这种膜的孔径小于2 nm,结构紧密,每cm2有14亿个孔,由于水蒸气分子直径只有0.4 nm,因此具有极佳的水蒸气渗透功能,而空气、水分、细菌和病毒却无法透过。由于这种膜的厚度只有3050m,因此无法直接作为全热交换器的热质交换材料,为此,笔者选择了一种透湿性强、传热效果好、且具有一定强度的化纤材料作为多孔支撑层(porous support),与微孔均质膜复合在一起,组合成一种新型的纳米气体分离复合膜。为了提高材料的传热和传质性能,对多孔支撑层的材料厚度、孔径进行了多次优化试验,最后确定了一种组合,供全热交换器试验使用。2.2 支撑结构如前所述,传统的板式空气 空气热回收装置的支撑结构基本上采用波纹瓦楞纸结构,这种结构采用涂胶工艺将波纹瓦楞纸与经特殊处理过的纸张粘结在一起,起到支撑作用。其缺点是:增加了空气阻力;减少了传热、传质面积(涂胶处无法传热、传质);工艺复杂,增加了产品成本和工作量。笔者采用了图5所示无波纹瓦楞纸支撑结构。图5 无波纹瓦楞纸支撑结构芯体无波纹瓦楞纸支撑结构是将空气分离复合膜与塑料框板压制在一起,通过支撑杆串联成一体,并与框架一起组合成芯体,这种新型结构克服了上述三大缺陷,空气阻力明显减小,有利于机械化和标准化生产。3 实验结果3.1 换热效率表3是由国家空调设备质量监督检验中心对由笔者研制的新型板式全热交换器换热效率的检测结果,作为对比,表3同时给出了2004年ARI检测的美国A公司采用高分子聚合膜作为热质交换材料的全热交换器的效率16,2003年ARI检测的美国B公司采用纸作为热质交换材料的全热交换器的效率16,以及日本A公司网上给出的该公司全热交换器的效率14。表3 板式全热交换器效率比较显热交换效率/%潜热交换效率/%全热交换效率/%迎面风速/(m/s)热质交换通道长度/mm试验工况1)新 风 回 风 本文的新型全热交换器68.475.273128835,26.1427.43,19.83美国A公司716769150035,25.6,47.5%23.9,17.2,51.4%美国B公司712844150035,25.6,47.5%23.9,17.2,51.4%日本A公司75626532,70%26,50%ASHRAE手册200475727335,25.623.9,17.21)试验工况空气参数分别用干球温度、湿球温度(或相对湿度)表示。06设备开发 暖通空调HV&AC2005年第35卷第11期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.由表3可以看出,笔者研制的新型板式全热交换器的全热交换效率要明显高于其他产品,已经达到2004年美国ASHRAE手册预测的板式全热交换器的最高水平。由于4种全热交换器产品的测试条件不尽相同,如果将测试结果换算到同一条件下,根据表3所列实验工况计算所得的全热交换器的含湿量差和比焓差,均是新型全热交换器最小,通道长度也较短,因此换算后新型全热交换器的全热交换效率应该更高。必须指出的是,日本A公司网站公布的全热交换器性能明显高于该公司国内经销商提供的测试报告值,这点笔者将另外撰文说明。3.2 空气动力性能在全热交换器的空气动力性能中,风量和机组余压取决于所选风机的性能,如果选型合理,与全热交换器的热质交换材料的性能和结构没有直接的关系;但是全热交换器的空气阻力、可以保持高换热效率的合理的迎面风速则完全取决于全热交换器的热质交换材料的性能和结构设计。新型全热交换器由于所采用的热质交换材料的性能有别于传统的经特殊处理的纸张的性能,因此在较大的风速下仍然能保持较高的热质交换效率。表4是采用笔者研制的新型全热交换器在不同迎面风速下的换热效率和空气阻力。表4 新型全热交换器在不同迎面风速下的换热效率和空气阻力迎面风速/(m/s)0.66 0.78 0.89 1.01 1.11 1.24 1.37 1.52 1.68 1.80 1.95风量/(m3/h)718843963 1 094 1 200 1 339 1 480 1 646 1 816 1 945 2 110显热效率/%69.3 67.6 66.8 66.5 66.1 65.8 65.1 64.7 63.9 63.5 63.1潜热效率/%76.1 74.6 73.6 72.9 72.7 72.3 72.1 71.6 71.5 70.6 70.1全热效率/%73.8 77.2 71.3 70.9 70.5 70.1 69.7 69.3 69.0 68.2 67.7空气阻力/Pa1818202123273138485771 注:全热交换器芯体片间距2.64 mm,通道长度280 mm,试验工况按ARI 1060标准规定的名义工况执行。表5是原装进口日本B公司全热交换器在同一试验台上的试验结果。表5 日本B公司全热交换器在不同迎面风速下的换热效率迎面风速/(m/s)0.660.771.161.381.621.96风量/(m3/h)122142213255299361显热效率/%41.940.638.536.536.034.3潜热效率/%44.040.337.330.527.122.4全热效率%43.440.537.832.730.326.6 注:同表4。由表4可知,当迎面风速由0.66 m/s提高到1.95 m/s,新型全热交换效率只下降了8.3%,效率依然为67.7%。但是日本B公司产品的效率,当迎面风速由0.66 m/s提高到1.96 m/s,全热交换效率急剧下降,下降了49%,仅为26.6%。因此日本几家著名企业生产的全热交换器采用的迎面风速均在1 m/s以下。由于迎面风速决定了全热交换器的外形尺寸,因此提高迎面风速对于减小全热交换器的体积具有举足轻重的作用。新型全热交换器在迎面风速上的突破,其意义并不亚于效率的提高,因为在很多场合,由于全热交换器体积过大,设计师和用户不能不放弃使用这一有效的节能设备。全热交换器是一种空调节能装置但其自身的能耗将抵消掉部分节约的能量,由于只有风机所消耗的能量,因此全热交换器芯体阻力的大小决定了其能耗的高低,由于在结构上的革新,全热交换器的芯体阻力大幅度下降,如表4所示,即使迎面风速达到1.95 m/s,空气阻力也只有71 Pa,明显低于目前国内外同类产品的空气阻力,因此大大减少了全热交换器自身的能耗。3.3 泄漏率经国家空调设备质量监督检验中心检测,笔者研制的新型全热交换器的新风修正系数(OA CF)为1,即新风和排风风量相等。由于目前国内尚无标准实验室可以通过检测两股空气通道惰性气体的浓度变化来确定排风气流传递比率(EA TR)以及检测材料的细菌、病毒和有害气体的泄漏率,因此这方面的检测还有待今后完成。不过笔者采用的纳米空气分离复合膜的微孔均质膜在SARS疫情期间曾用于SARS手术室,经军事医学科学院检测,这种材料可以有效地防止SARS病毒侵入,因此只要工艺上采取有效的措施,防止旁通泄漏,排风气流传递比率(EA TR)也可以达到0。4 结论热质交换效率、净效率、迎面风速、空气阻力、泄漏率是评价全热交换器性能的主要指标。笔者研制的全热交换器由于采用了我国最新的空气分离膜技术,并在芯体结构上进行了重大改进,因此使得研制开发的新型全热交换器的热质交换效率高于国际先进水平;迎面风速成倍提高后全热交换器仍然可以保持较高的热质交换效率和很16 暖通空调HV&AC2005年第35卷第11期 设备开发 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.低的空气阻力,因此克服了当前国内外全热交换器产品体积过大的弊病,与此同时,全热交换器的成本大幅度降低。新型全热交换器的研制成功,为我国空调节能提供了一种可供选择的行之有效的节能装置。参考文献1GB 500192003 采暖通风与空气调节设计规范2GB 501892005 公共建筑节能设计标准3Dieckmann John,Roth Kurt W,Brodrick James.Air2to2air energy recovery heat exchangers.ASHRAE J,2003,45(8):57584Brodrick James.Energy consumption characteristics ofcommercialbuildingHVACsystems.Volume:energy savings potential.USA:DOE,20025Greenheck.Energy Recovery Applicatios.ERA/110036ASHRAE.ANSI/ASHRAEStandard841991Method of testing air2to2air heat exchangers7ARI.ANSI/ARI Standard 10602005 Rating air2to2air energy recovery ventilation equipment8ARI.Guideline for calculating the efficiency of energyrecovery ventilation and its effect on efficiency andsizing of building HVAC systems.Guideline 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