全热交换器在暖通空调领域应用及研究现状

摘要: 综述了全热交换器在暖通空调中应用，指出利用旋转式全热交换器对新风和排风进行全热交换是 实现高效节能的有效途径。介绍了旋转式全热交换器的构造及工作原理，并就其过程机理的理论 研究进行了分析和展望。

0.前言

暖通空调室内的空气品质，直接影响着人的身体健康，是不可忽视的重要因素。暖通空调系统的功能就是创造舒适、健康的室内环境，通过合适的措施增加室内新风量是改善空气品质最有效的办法，一般情况新风量越大，室内空气品质越好。但是新风量与能耗之间存在矛盾，即新风量越大，处 理新风的耗能也越大。目前，按照最小新风量 标准计算，在设计条件下的新风负荷占总负荷的比 例：写字楼和酒店约为50%，商业大厦约为40%。 由于处理新风的耗能很大，因此在实际运行中，为减少能源消耗费用，长期以来，大多数空调使用单位经常采用减少新风或间断运行集中新风系统的不当方法。但是，自一场突如其来的、主要通过空气途径传染的SARS爆发后，使得人们不得不非常重视空调室内空气的综合品质，使得从事空气处理研究和设计的人员开始从流行病传播的角度来重新审视通风空调技术，一致认为新风量偏小的状况在通风空调工程的设计中亟待改进，应该采用各种技术措施，确保最大限度地增加新风来改善空调室内空气的综合品质。

虽然人们已意识到能源紧张带来的危机，但人们追求舒适健康的环境要求是不会停步的。因而空调系统中增加新风量的同时如何才能做到节约能源消耗的问题是最近几年暖通空调节能研究的又一重要新课题。现行有关通风空调工程的技术标准中突出了新风量的问题，规定新风量：大于30m3/h. 人或新风量占总送风量的比例不小于30%，用于处理新风的能耗一般要占整个空调运行费用的 30%～40%。随着新风量的增大，这种能耗还要增大，因此对新风处理的节能研究显得非常迫切。国家也颁布了有关法规要求在某些建筑中必须采用热回收装置。如《旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准》中明文规定：“凡在客房部分设置独立的新排风系统的建筑,宜选用全热或显热回收装置,其额定热回收效率应不低于60%”。《民用空调建 筑节约用电的若干规定》中也规定：“凡是空调面 积在300m2以上的建筑,空调系统应选用匹配的热回收设备,利用空调排风中的热量或冷量,总的热回收效率应达到40%～50%”。

由于空调系统中增加新风量意味着加大室内排风量，在夏季的降温调节和冬季的供暖调节中，新风与排风存在较大的热湿差，如果能够对这部分热量进行回收，显然是可以降低用于处理新风的能耗，在改善空调室内空气品质同时又能节约能耗。以热交换效率为65%计算，可以节省中央空调新风处理能耗的65%，即占整个中央空调运行费的 20%～26%。

1.全热回收设备

热回收设备是在空调系统中使室内排风和室外新风之间进行热交换,从而回收排风中的热量的装置。目前这类设备种类很多,如转轮式全热交换器、静止型板式热交换器、热管换热器、盘管式及喷雾式热交换器,可谓各有特点。高凤龙等对热管换热器同转轮式全热交换器的节能效果进行了比 较，实验得出夏季热管换热器回收热量仅为转轮式全热交换器的26%；冬季热管换热器回收热量仅为 转轮式全热交换器的63%。汪妇欢等对版翅式全热交换器在不同运行条件下的性能进行了实验研究，分析了性能参数和运行参数之间的关系，指出了风量与阻力损失、空气温湿度差与换热效率的关系。

1.1复合吸附转轮式全热交换器的结构及工作原理复合吸附转轮式全热交换器是一种利用转芯的蓄热和吸收水分的作用原理，来回收排风中的冷量(或热量)的设备，并将其回收的冷量(或热量)直接传给新风，在夏季和冬季分别使新风获得降温去湿和升温加湿处理，从而降低空调系统中处理新风用能。其工作原理和处理过程的焓湿图如图2、图3。

旋转式全热交换器的关键部件—复合吸附剂材料转芯，采用在纸质基体上涂敷复合吸附剂，即把活化好的多孔介质（如硅胶、分子筛、氧化铝等

） 进一步浸渍于吸湿剂（如氯化锂、硫酸钠、氯化钙等）中，经充分浸透后烘干、活化可得一种复合吸附剂材料轮芯。这样，复合吸附剂的吸附/解吸过程由多孔介质的吸附过程和吸湿盐的水合作用复合而成。

1.2 换热效率

众所周知，对于转轮式全热交换器，其性能主要是换热效率（湿热效率、潜热效率）和阻力损失。

（1）显热效率

直接逆流式换热器显热效率可表达为：

从式(3)、式(4)、式(5)不难看出，全热交换器 性能与转芯材料的物性Cr，结构尺寸参数（板厚δ、板宽L和波纹高度B）以及运行参数（迎面风速V、转轮转速N、局部阻力系数ξ）有关。寿旭日，等为此采用了最优化理论，确定了结构尺寸和运行 参数。

2.过程机理研究现状

在吸附式全热交换器中吸附过程是一个多场 多相共存的与转变的复杂非定常热流体系的热质 耦合传递过程。其中紧密结合的传递现象包括相与 相之间的扩散、弥散、毛细吸附；质量、热量和动 量传递，传递过程中的湿分迁移机制非常复杂。对 于这种复杂热质传递体系，特别是湿分的运动和迁 移特性，毛细抽吸和蒸发—冷凝现象，由于涉及到 化工、材料和能源科学等多学科相互渗透领域，理 论研究难度较大，目前尚缺乏准确的数理解析，过 程机理的认识非常有限。

在强化吸附剂热质传递的理论研究方面，朱冬生，等对强化吸附剂材料的热传递性能进行了研究。丁静，等在强化氯化锂除湿轮传热传质性能方面取得实用性的成果。在旋转吸附器的数学模型 方面，冯青，等建立了蜂巢状旋转吸附器的物理 与数学模型。Tanthapanichakoon，等认为蜂巢状旋转吸附器中每一通道的流动是相同的，因此，对 吸附器的每一通道建立了一维数学模型。

Hamamoto，等建立了吸附器平板模型，即为蜂 窝状轮通道简化为一个平板，平板材料是多孔吸附介质床层，在平板上方是空气流通通路。上述研究 工作从系统建模和宏观传热、传质效果方面对除湿过程进行定量分析。

Simonson，等建立了吸附式全热交换器的理论模型，并研究了吸附式全热交换器的效率问题。 Zhang，等比较了旋转吸附器用于空气除湿和全 热交换的性能差异，而对于利用吸湿盐与多孔吸附 剂的复合吸附剂应用于吸附式全热交换器的研究则还有待深入。

3.分析和展望

现有的理论和实验研究表明仅宏观角度所建立的旋转吸附器过程传热传质模型，无法准确解释实际过程的输运行为并揭示微观结构与客观过程的相互影响规律。复合吸附旋转式全热交换器传热传质过程强化机理的关键是多孔介质内部相界面传递过程和流动特性的理论解析。以多孔固体吸附材料/吸湿盐复合吸附剂作为全热交换器的工作介质，以基于此复合吸附剂系统内部含湿非饱和多孔 介质内部界面传递现象和流动特性为研究对象，以吸附式全热交换器空间客观物理量的不均匀分布为流动结构环境，以学科间交叉和渗透为手段研究 这一体系的系统行为不失为一种有效途径。