環境濕度對全熱交換器新風風量影響的研究

翁俊杰，高英杰

（1.威凱檢測技術有限公司，廣州 510000；2.中國機械工業聯合會，北京 100037）

引言

全熱交換器是一種通過通風換氣實現新風和排風之間同時產生顯熱和潛熱交換的裝置。按照裝置風量驅動設備分類可以分為帶風機型和不帶風機型，按照工作狀態分類可以分為旋轉式和靜止式。由于旋轉式全熱交換器在工作其間可能發生新風和排風的直接混合現象，所以目前戶內使用的產品多為帶風機靜止式全熱交熱器。靜止式全熱交換器外殼普遍采用金屬框架，內部結構采用鈑金件進行連接，其核心部件是能量交換芯體。經過多年的研究和發展，能量交換芯體逐步發展成由各種復合材料制成，目前以復合纖維材料、復合聚脂材料、復合生物材料等為主，其結構具有能讓分子直徑較小的水蒸氣分子通過，而其他如CO2、PM2.5等分子直徑較大的氣體或細微固體等無法通過的特點。新風和排風通過在全熱交換器芯體內的溫度交換和濕度交換，使房間達到既能通風換氣保證室內空器質量，又能保持室內溫濕度穩定的效果。

1 全熱交換器能量交換原理及參數方程

在全熱交換器運行時，室內和室外的空氣能量交換主要通過新風和排風在能量交換芯體中的傳熱和傳質實現。作為全熱交換器的核心部件，能量交換芯體中透析膜兩側的新風和排風間存在溫度交換和水分交換，芯體中的溫度交換主要引起傳熱作用，水分交換主要引起傳質作用。芯體的流道結構較常見的有三角形、長方形、正方形，其中三角形芯體內部結構如圖1所示。

流道氣體處于層流充分發展狀態，沿程壓降△p的公式如下[1]：

根據伯努利方程得出的風速與壓力關系，風壓Pw的公式如下：

全熱交換芯體的阻力Fp計算公式如下[2]：

新風風量為流經新風出口截面積S與風速v的乘積，用下式表式：

式中：

f—阻力系數；

L—流道沿程長度，m；

ρ—空氣密度，kg·m-3；

v—流體流速，m/s；

d—流道直徑，m；

λ—沿程（摩擦）阻力系數。

2 實驗研究過程

2.1 風量測試要求

目前對全熱交換器進行性能評價主要依據標準GB/T 21087-2007測試產品風量、有效換氣率、焓交換效率等指標。對于關鍵性能指標之一“風量”進行評價時，可按照標準[3]表1規定的工況進行測量，并要求實際測得風量應大于名義值的95 %。

標準的測試工況表明，風量測量是在一定范圍的干球溫度下進行，但是對于濕球溫度沒有規定，即測試過程中空氣相對濕度不是確定的，空氣中水分含量可能高也可能低。而由此將對采用不同芯體材質的全熱交換器的實際風量產生較大的影響。

圖1 三角形芯體結構

圖2 被測全熱交換器結構圖

表1 全熱交換器風量測試工況

2.2 測試方案及結果

選取某型全換交熱器搭配3種不同能量交換芯體分別進行風量測試，樣機結構示意圖如圖2所示，樣機在新風出風隔室和排風出風隔室裝有相同風機，三種不同能量交換芯體如圖3所示。1#芯體的支撐件和透析膜均采用復合纖維制成，為三角形通道結構；2#芯體的支撐件為樹脂材料，透析膜采用復合纖維制成，為三角形通道結構；3#芯體的支撐件和透析膜采用復合聚脂材料制成，為三角形通道結構。

為了使測試結果便于比較，依據標準GB/T 21087-2007中的規定，將新風進風和排風進風干球溫度設定為相同，每次僅調整濕球溫度，樣機風速檔位都設定為高風檔。風量測試結果如表2、表3、表4所示。

將表2、表3、表4測得的相對濕度與新風風量數據放在一個坐標平面，能夠繪制趨勢圖如圖4所示。

對比風量測試結果中各項數據可以發現，被測樣機配用1#和2#芯體進行風量測試時，在維持環境溫度不變而調整環境濕度的工況條件下，空氣中相對濕度越大，樣機的風速越小，樣機的風量也隨著相對濕度的增加而減小；配用3#芯體進行測試時，在維持環境溫度不變而調整環境濕度時，樣機風量幾乎沒有變化。總體而言，被測樣機配用1#芯體進行測試時風量受環境相對濕度影響較為明顯，配用2#芯體進行測試時風量受環境相對濕度影響相對較小，配用3#芯體進行測試時風量幾乎不受環境相對濕度影響。

圖3 被測樣機的3種不同能量交換芯體

圖4 被測樣機環境相對濕度與新風風量趨勢圖

表2 全換交換器配用1#芯體測試結果

表3 全換交換器配用2#芯體測試結果

表4 全換交換器配用3#芯體測試結果

3 實驗結果分析與討論

從以上測試結果可以看出，全熱交換器在配用不同能量交換芯體，環境濕度的變化對風量測試結果影響不同。由于采用同一被測樣機進行測試，樣機外殼和鈑金件均為金屬制品，在相同干球溫度不同相對濕度下進行測試時外殼和鈑金受環境溫濕度的影響幾乎可以忽略，導致測試結果差異的主要原因在于全熱交換器的能量交換芯體。新風空氣和排風空氣在流經能量交換芯體的過程中，在芯體復合膜兩側的新風和排風存在溫度交換和水分交換，芯體復合膜的材料特性和傳導特性將對流體傳熱傳質和流速有明顯的影響；同時，芯體的結構，如微孔支撐件的構造、孔徑、孔分布也會對空氣流速產生影響[4]。

新風通道可以視為如圖5的一個流道。樣機運行時，新風出風側風機轉動產生的動壓使新風進口的空氣通過芯體流入室內。在能量交換芯體中壓力損失為△p,從圖5中可以得到，流道1-1＇中的壓力與流道3-3＇中的壓力關系為：△P=P3-P1，也可表示為：

由于流道3與外界大氣相通，所以P3保持不變。

當能量交換芯體（如1#芯體）采用復合纖維材料作為透析膜和支撐件時，流經芯體的新風空氣和排風空氣在膜兩側進行熱量和水分的傳導和擴散，復合纖維是親水性物質，有利于水分子的透過，但與此同時，纖維膜和支撐件受水分影響而發生的形變也較大。通過公式（1）可以知道，芯體中的壓力損失△P與直徑d成反比，即流道直徑越小，壓力損失越大。所以，當纖維質的芯體在受濕空氣影響時，纖維膜和支撐件吸收水分膨脹變厚，空氣流經的通道變窄，因直徑減小導致壓力損失變大。所以，采用纖維材質芯體的全熱交換器此時新風出口流道1-1＇中的壓力P1變小，根據公式（2）伯努利方程風壓與風速的關系成正比，可以得出新風出口的風速將減小，在新風出口面積不變的情況下，根據公式（4），樣機新風出口風量將變小。

當能量交換芯體（如2#芯體）采用復合纖維材料作為透析膜，復合聚酯材料作為支撐件時，僅透析膜受濕空氣影響而變厚，其流道形變較完全采用復合纖維作為透析膜和支撐件的芯體更小，樣機新風出口風量的變化也較小。

圖5 新風流道近似圖

當采用復合聚酯材料制作能量交換芯體的透析膜和支撐件時，因聚酯材料幾乎不會受濕空氣影響而導致芯體流道形變，所以最終樣機新風出口風速和風量也不會受到明顯影響。

4 結論

本文對采用復合纖維制成透析膜和支撐件的能量交換芯體、采用復合纖維制成透析膜和復合聚酯材料制成支撐件的能量交換芯體以及采用復合聚酯材料制作能量交換芯體分別配用在全熱交換器上，進行不同環境濕度下的風量測試。測試結果表示，復合纖維材質制成的能量交換芯體在環境空氣濕度變大的情況下，流道形變較復合聚酯材料制成的芯體更大；環境空氣濕度變大將引起復合纖維芯體流道的孔徑變小，從而導致芯體中流道沿程阻力變大，風壓損失變大，最終導致樣機新風出口風量將隨環境濕度的增加呈現不同程度的減小。