全熱交換器換熱效果的影響因素分析

童克南 ，馮 靜，朱亦丹

(1.中船重工海博威(江蘇)科技發展有限公司，江蘇 揚州225000,China； 2.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州225001,China)

全熱交換器換熱效果的影響因素分析

童克南1，馮 靜2，朱亦丹2

(1.中船重工海博威(江蘇)科技發展有限公司，江蘇 揚州225000,China； 2.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州225001,China)

全熱交換器作為一種無需開窗通風的主要通風方式已經慢慢地被人們所接受。全熱交換器的芯體具有能量交換功能，可以降低空調的使用效能，作為一種節能產品被更廣泛使用。對平行式芯體的全熱交換器和導軌式芯體的全熱交換器進行流體仿真，結果表明：在全熱交換器相同外形尺寸、風機安裝尺寸的前提下，平行式芯體的全熱交換器換熱效果在溫度換熱效率以及空氣流動方面優于導軌式芯體的全熱交換器，其原因在于平行式換熱芯體的相對空氣流動時間更長，以及其整體布置更加合理。

全熱交換器；平行式芯體；導軌式芯體；流體仿真；換熱效果

0 引 言

我國能源形勢緊張，節能建筑已經成為我國能源發展的重要戰略[1]。建筑能耗未來將持續增長，而空調能耗是建筑能耗的主要組成部分。因此，空調系統必須向著節能的方向發展[2]。隨著人民對生活空氣質量的要求逐漸提高，對室內空氣品質的要求也越來越高[3-4]，致使新風能耗成為空調能耗的重要組成部分。如何保證在降低空調能耗的前提下，完成室內空氣質量的改善已成為國際空調界關注的重要課題。研究表明：全熱交換器可以有效地解決兩者之間的矛盾[5]，全熱交換器以其優異的熱回收特性成為近年來空調行業的研究熱點。

全熱交換器的換熱效果是近年來空調行業研究的重點。許多研究者對其換熱芯體進行了深入的研究，研究出不同材質、不同結構組合方式以及不同芯體流道的換熱芯體，換熱效率有了很大的改善。但是，全熱交換器的整機布置以及換熱芯體的形狀也綜合影響全熱交換器的換熱效果。在同樣的芯體流道的前提下，換熱芯體有平行式和導軌式2種安裝方式，平行式芯體是用芯體上下兩面作為導軌使用，沒有具體的導軌安裝，而導軌式芯體是由芯體棱邊作為滑槽使用，有具體的導軌安裝。目前，隨著全熱交換器的緊湊化和小型化的影響，其換熱芯體也緊湊化和小型化，這便導致換熱效果會受到影響，全熱交換器的整機布置和芯體內部相對空氣流動時間顯得尤為重要。

本文在充分考慮全熱交換器外形尺寸一致以及風機安裝尺寸一致的情況下，采用FLOEFD流體仿真軟件對平行式芯體和導軌式芯體的全熱交換器的換熱效果進行了研究，為改善全熱交換器的換熱效果以及優化設計空氣流道和整機布置等方面提供了基礎的分析依據。

1 物理模型

平行式芯體的全熱交換器的模型如圖1所示，圖1中左側為室內側，右側為室外側。

導軌式芯體的全熱交換器的模型如圖2所示，圖中左側為室內側，右側為室外側。圖1和圖2中沒有顯示風機模型，但是平行式芯體的全熱交換器和導軌式芯體的全熱交換器預留有相同的風機安裝空間，保證研究具有可靠性。

在全熱交換器運行時，室外空氣經過全熱交換器的新風進風口與室內回風空氣在換熱芯體處進行能量交換。平行式芯體全熱交換器的空氣流道均在一個平面內，而導軌式全熱交換器的空氣流道是分2層來實現的。

對圖1、圖2中的物理模型進行如下假設：

(1) 除換熱芯體外，不考慮其余的器件散熱與吸熱以及器件的空氣阻力；

(2) 將全熱交換器的壁面設定為絕熱面，其表面不參與空氣的熱交換過程；

(3) 將新風進風以及室內回風控制在恒定空氣狀態下進行流體仿真。

2 控制方程及性能參數

對于圖1、圖2所示的全熱交換器的換熱芯體，在芯體內部，本文以新風進風流動方向為x方向，以室外排風流動方向為y方向，以流道高度方向為z方向，建立直角坐標系。流道中傳熱方程為[6]：

(1)

式中：ρ為空氣密度；υ為進口空氣流速；T為溫度；cp為空氣比熱；h為對流換熱系數；下標n表示新風側或者排風側；j表示新風流動方向x或排風流動方向y；下標o表示出口。

新風側及排風側的邊界條件為：

(2)

溫度效率用下式表達[7]：

(3)

式中：Tfi為室外空氣溫度，即新風進風；Tfo為交換后溫度，即新風出風；Tei為交換前溫度，即室內回風；ηT為溫度交換效率；下標i表示流道進口。

3 模擬仿真及結果討論

對如圖1、圖2所示的物理模型進行流體仿真，觀察其溫度換熱效率，模擬參數設定如表1所示。

表1 模擬參數設定

基于以上數據，選取不同的新風進風風量和室內回風風量對平行式芯體和導軌式芯體的全熱交換器進行流體仿真，進行多次仿真排除風量或風速對芯體溫度換熱效率的影響，新風進風風量以及室內回風風量的選取如表2所示。

表2 風量選取

同時，其余模擬參數保持恒定。流體仿真結果如圖3～圖8所示。

根據仿真結果圖3～圖8和溫度效率計算公式(3)可以得到平行式芯體和導軌式芯體在不同風量下的換熱效率，結果如表3所示。

表3 溫度效率計算

根據溫度效率計算結果,表3繪制平行式芯體和導軌式芯體的溫度換熱效率曲線，如圖9所示。

從圖3～圖9和表3中可以看出平行式芯體的全熱交換器的換熱效果優于導軌式芯體的全熱交換器的換熱效果。其原因是，在全熱交換器同等外形尺寸、同等風機安裝尺寸的前提下，從物理模型中可以看出，圖3～圖5室內出風側的空氣流動狀態優于圖6～圖8的室內出風側的空氣流動狀態。并且，平行式芯體的全熱交換器所有空氣是在一個平面內流動，不存在“死角”，而導軌式芯體的全熱交換器的空氣流動存在“死角”，空氣流動狀態較差。平行式芯體的全熱交換器換熱效果在溫度換熱效率以及空氣流動方面優于導軌式芯體的全熱交換器。平行式換熱芯體的相對空氣流動時間更長，其全熱交換器的整機布置、空氣流道更加合理。

4 結束語

本文在充分考慮全熱交換器外形尺寸一致以及風機安裝尺寸一致的情況下，采用FLOEFD流體仿真軟件對平行式芯體和導軌式芯體的全熱交換器的溫度換熱效果進行了研究，為改善全熱交換器的換熱效果以及結構優化設計提供了基礎的分析依據。因此，在相同外形尺寸的情況下，采用平行式芯體的全熱交換器的換熱效果優于導軌式芯體的全熱交換器的換熱效果，其原因在于平行式芯體的全熱交換器的空氣流道設計優于導軌式芯體的全熱交換器，為設計與優化全熱交換器的結構提供了指導，在提高換熱芯體本身的換熱效率外，其空氣流道和整機布置也極為重要。

[1] 郭猛.淺談中國建筑節能發展趨勢[J].建筑節能,2013,41(263):74-76.

[2] 梁才航.膜法全熱回收制冷除濕系統的數值模擬與實驗研究[D].廣州:華南理工大學,2010.

[3] MO J H,ZHANG Y P,XU Q J,et al.Photocatalytic purification of volatile organic compounds in indoor air:A literature review [J].Atmospheric Environment,2009,43(14):2229-2246.

[4] 朱棟華,郭淑娟,曹婉.室內空氣質量標準與檢測方法[J].建筑節能,2008,36(203):5-7.

[5] 馬力雙,楊潔,張旭.板式空氣全熱交換器在上海地區的應用性分析[J].建筑節能,2011,39(246):16-18.

[6] ZHANG L Z,JIANG Y.Heat and mass transfer in a membrane-based energy recovery ventilator [J].Journal of Membrane Science,1999(163):29-38.

[7] 陸亞俊,馬最良,鄒平華.暖通空調[M].3版.北京:中國建筑工業出版社,2015.

Influence Factors Analysis of Heat Exchange Effect of Total Heat Exchanger

TONG Ke-nan1,FENG Jing2,ZHU Yi-dan2

(1.CSIC Hebowi (Jiangsu) Technology Development Co.,Ltd,Yangzhou 225000,China; 2.The 723 Instiute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

As a main ventilation mode without windows,the total heat exchanger has been gradually accepted by people.The total heat exchanger core has the function of energy exchange,can reduce the use efficiency of air conditioning,and has been widely used as an energy-saving product.This paper performs the fluid simulation to total heat exchangers of parallel core and guide core.The results indicate:under the premise of same dimension and wind turbine installation size,the total heat exchanger with parallel core is better than the total heat exchanger with guide core in terms of temperature exchang effect and air flow performance,the reason is that the relative air flow time of parallel heat exchanger core is longer,and its whole collocation is more reasonable.

total heat exchanger;parallel core;guide core;fluid simulation;heat exchang effect

2016-09-01

TU834

A

CN32-1413(2017)01-0115-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.026