全热交换器在不同风量下焓交换效率变化的研究

何冠成，王继伟，陆枝成

（1.威凯检测技术有限公司，广州 510663； 2.广东美的制冷设备有限公司，佛山 528311）

引言

无论是炎热的夏天还是寒冷的冬天，大家只需按下空调的遥控器就能享受温度适宜的环境。为了避免室内环境不与室外环境进行热交换，使用空调器时需要紧闭门窗，阻断室内外之间的空气流通。但是这样做会引来新的问题，人们在密闭的房间中活动会不断地消耗氧气，呼出二氧化碳及水汽，经过一段时间，房间内氧气含量不足，湿度过大，人们会感到闷热，如果房间中有人煮食、吸烟，室内的空气就变得更污浊，细菌病毒容易滋生，进而危害人体健康。为了解决能量损耗大和空气质量差的难题，人们发明了热交换器，热交换器以能量回收芯体为核心，在通风换气过程中能回收部分的排风能量。

热交换器按换热的类型可分为全热交换器和显热交换器，其中全热交换器在居家环境中使用较为广泛。风量、静压和焓交换效率是全热交换器的重要技术参数，这三个参数之间又有联系。同一全热交换器，风量越大，焓交换效率就越低，风量越小，焓交换效率就越大。但是在全热交换器的产品标准中，焓交换效率的测试方法中风量条件描述得不够明确，容易造成测试结果的偏差，本文研究全热交换器的工作原理，通过一系列测试反映焓交换效率与风量的关系，并提出热负荷的概念，为消费者选购全热交换器提供更直观的技术参考。

1 全热交换器

全热交换器的学名是全热型空气-空气能量回收装置[1]，是一种以能量回收芯体为核心，在通风换气过程中实现排风能量回收功能的设备组合。全热交换器能在新风和排风之间同时产生显热和潜热的交换，而显热交换器在新风和排风之间仅能产生显热交换。

全热交换器一般由热交换芯、风扇电机、过滤装置、风道、控制系统及外壳六部分构成，其中热交换芯是全热交换器的核心组件。热交换芯的流道结构较常见的有三角形、长方形、正方形。热交换芯的透析膜和支撑件一般由聚酯材料或复合纤维制成，其中复合纤维材质制成的能量交换芯体在环境空气湿度变大的情况下，流道形变较复合聚酯材料制成的芯体更大[2]。

图1 全热交换器工作原理

全热交换器的工作原理如图1所示：在风扇电机的驱动下，污浊空气从室内排出，新鲜空气从室外送入，室内、室外空气在热交换芯相遇，通过传热板进行温度交换，通过板上的微孔进行湿度交换，既能通风换气又在一定程度上维持室内温度、湿度。这就是全热交换过程。当全热交换器在夏季制冷期运行时，新风从排风中获得冷量，使温度降低，同时被排风干燥，使新风湿度降低；在冬季运行时，新风从排风中获得热量，使温度升高，同时被排风加湿。

2 名义风量值与焓交换效率

有研究[3]表明，对于同一热回收装置，交换效率随风量及有效换气率的增大而降低；因此全热交换器对应的产品标准GB/T 21087-2007 《空气-空气能量回收装置》（下文简称《标准》）中，指出全热交换器的焓交换效率的测试应在指定的风量条件下进行，确保检测结果的一致性。《标准》规定全热交换器的焓交换效率按式（1）计算：

式中：

ηh—焓交换效率，以百分数表示；

ixj—新风进风空气焓值，kJ/kg（干）；

ixc—新风送风空气焓值，kJ/kg（干）；

ipj—排风进风空气焓值，kJ/kg（干）。

但《标准》在“表3 装置性能测试工况”中规定交换效率的测试是在名义静压对应名义风量下进行测试，而在“表2 交换效率要求”则规定在新、排风量相等的条件下测量，未考虑热交换器的名义新风量与名义排风量不相等的情况。某全热交换器的风量、焓交换效率的名义值如表1所示，在进行焓交换效率测试时，可出现几种不同的风量条件，究竟按新风量250 m3/h、排风量200 m3/h，还是按新风量和排风量均为200 m3/h，又或者按新风量和排风量均为250 m3/h？对不同条件下的测试结果进行判定，可能出现不一致的结论。

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表1 全热交换器焓交换效率性能参数

3 试验方案与结果分析

3.1 试验方案与结果

为了分析全热交换器在新、排风量不同的条件下焓交换效率的变化情况，对一个带风机的全热交换器进行制冷焓交换效率试验。试验依据《标准》附录E规定的两室法进行，试验样品为名义新风量、排风量均为250 m3/h的全热交换器，试验条件和试验结果如表2、表3所示。新风量、排风量对制冷工况交换效率的影响分别如图2、图3所示。

3.2 结果分析

试验结果表明：

1）新风量、排风量的增加都会导致焓交换效率的减小。在新风量不变的情况下，制冷焓交换效率随排风量的增加而减小；在排风量不变的情况下，制冷焓交换效率随新风量的增加而减小。新风量不变时，制冷焓交换效率变化幅度为45.8～49.0 %；排风量不变时，制冷焓交换效率变化幅度为44.3～49.9 %。

2）增加新风量与增加排风量对温度交换效率的影响有明显差异。随着新风量的增加，温度交换效率从53.8 %降到42.2 %，降幅较大，湿度交换效率从48.0 %下降到44.6 %；随着排风量的增加，温度交换效率相对平稳，并出现波动性，湿度交换效率从48.3 %下降到44.1 %。

为了解决名义新风量与名义排风量不相等引起的问题， 在T/CAQI 10-2016《新风净化机》标准中，焓交换效率的计算考虑了新风量与排风量，焓交换效率[4]按公式（2）计算。GB/T 21087正在修订，新版标准规定了焓交换效率的要求是在新、排风量相同而且风量等于新风量的条件下测试，同时新版标准引入了能量回收比，表征热交换器回收的能量与能量回收过程中消耗的电能之比。

表2 制冷工况不同新风量条件下焓交换效率的测试结果

表3 制冷工况不同排风量条件下焓交换效率的测试结果

图2 制冷工况下新风量对交换效率的影响

图3 制冷工况下排风量对交换效率的影响

式中：

QP—排风风量，m3/h。

从消费者的角度来说，全热交换器能为房间提供新鲜空气同时也会产生不良影响—热负荷，但焓交换效率、能量回收比都不能直观地反映热负荷。如果全热交换器能标识产品名义热负荷，消费者就能根据热负荷参数采取合适的措施来保持房间的热舒适性，热负荷可通过下公式（3）计算：

式中：

C—热负荷，W；

qhm—换风量（取新风出风质量流量与排风进风质量流量中较大者），kg/s。

4 结束语

全热交换器的焓交换效率与新风量、排风量有关，而且新风量、排风量越大，焓交换效率越低。GB/T 21087正在修订，新版标准规定了焓交换效率限定值试验是在新、排风量相等且风量等于名义新风量的条件下进行，而名义焓交换效率的试验则是在名义新、排风量条件下进行。然而焓交换效率不能直观地反映热负荷，在进行焓交换效率测试时，按照公式（3）计算热负荷，对消费者采取措施维持房间热舒适性有指导意义。