畜舍熱交換芯體-風(fēng)機(jī)熱回收通風(fēng)系統(tǒng)的熱回收效果

李 琴，劉 鵬，劉中英，王美芝，劉繼軍，吳中紅

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畜舍熱交換芯體-風(fēng)機(jī)熱回收通風(fēng)系統(tǒng)的熱回收效果

李 琴，劉 鵬，劉中英，王美芝，劉繼軍，吳中紅※

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100193）

熱回收通風(fēng)作為一種節(jié)能的通風(fēng)換氣方式，可緩解畜舍保溫能耗與通風(fēng)的矛盾。然而民用一體式熱回收通風(fēng)系統(tǒng)在畜舍中直接應(yīng)用時(shí)存在通風(fēng)量小、單位通風(fēng)量的設(shè)備造價(jià)高等問題。該研究設(shè)計(jì)了適用于畜舍的新型節(jié)能熱回收通風(fēng)系統(tǒng)，并研究該熱回收通風(fēng)系統(tǒng)在以下3種不同配置條件下的熱回收效果，探究該系統(tǒng)在畜舍中的較佳運(yùn)行條件：板翅式熱交換芯體配置不同迎面風(fēng)速的熱回收效果；新風(fēng)依次經(jīng)過2個(gè)串聯(lián)連接的板翅式熱交換芯體后的熱回收效果；優(yōu)化了板式熱交換芯體與噪聲小、風(fēng)量大的軸流風(fēng)機(jī)的參數(shù)配比后的熱回收效果。結(jié)果表明：在舍內(nèi)外溫差為12.08 ℃，芯體配置迎面風(fēng)速分別為1.05和0.86 m/s時(shí)，新風(fēng)溫度經(jīng)過板翅式熱交換芯體后分別升高了1.93和2.79 ℃，顯熱回收效率、熱回收負(fù)荷和能效比分別為35.88%和43.63%、0.16和0.19 kW，1.37和1.61，兩者顯熱回收效率均未達(dá)到冬季65%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。在舍內(nèi)外溫差為10.49 ℃時(shí)，新風(fēng)依次經(jīng)過串聯(lián)的2個(gè)板翅式熱回收芯體，經(jīng)過第1次熱交換后新風(fēng)溫度升高2.59 ℃，顯熱回收效率為52.11%，熱回收負(fù)荷及能效比分別為0.39 kW，3.26；新風(fēng)經(jīng)過第2次熱交換芯體時(shí)熱回收作用甚微。優(yōu)化板式熱交換芯體與風(fēng)機(jī)配比后，在舍內(nèi)外溫差為12.12 ℃，迎面風(fēng)速為4 m/s時(shí)，新風(fēng)溫度升高8.23 ℃，顯熱回收效率為69.9%，能效比為8.0，達(dá)到了冬季節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。從該研究熱回收效果看，第3種配置參數(shù)條件平衡了熱回收效率及通風(fēng)需求的關(guān)系，可滿足畜舍大通風(fēng)量及節(jié)能的需求。

熱回收；熱交換；通風(fēng)；畜舍；顯熱回收效率；熱回收負(fù)荷

0 引 言

目前，畜禽生產(chǎn)中冬季普遍存在保溫能耗與通風(fēng)換氣的矛盾，為保證舍內(nèi)適宜溫度，畜舍選擇少通風(fēng)或不通風(fēng)，從而導(dǎo)致舍內(nèi)濕度大，有害氣體濃度高，引起動(dòng)物呼吸道疾病和皮膚疾病頻發(fā)。若是對(duì)畜舍進(jìn)行通風(fēng)換氣，則舍內(nèi)熱量快速散失（尤其是高寒地區(qū)），不僅溫度調(diào)控成本增加，同時(shí)溫度大幅波動(dòng)更容易引起畜禽患病，尤其是影響幼畜的成活率。因此，如何解決冬季保溫能耗與通風(fēng)換氣的矛盾是冬季環(huán)境調(diào)控的難點(diǎn)之一。熱回收通風(fēng)技術(shù)作為一種有效的通風(fēng)換氣方式，可緩解冬季舍內(nèi)保溫能耗與通風(fēng)的矛盾，節(jié)省能耗，改善舍內(nèi)空氣質(zhì)量[1-2]。熱回收通風(fēng)設(shè)備在民用建筑中作為一種節(jié)能的通風(fēng)方式已經(jīng)有廣泛應(yīng)用和研究[3-5]。畜舍相對(duì)民用建筑來(lái)說是一個(gè)高能量富集的場(chǎng)所，舍內(nèi)供暖、動(dòng)物自身產(chǎn)熱等途徑產(chǎn)生大量的能量，同時(shí)由于畜舍產(chǎn)生大量的有害氣體，生產(chǎn)所需的實(shí)際通風(fēng)量明顯高于民用建筑[6-7]，因此熱回收通風(fēng)設(shè)備在畜舍有很大的使用價(jià)值。國(guó)外有關(guān)熱回收通風(fēng)設(shè)備在畜舍中應(yīng)用研究最初是由Giese等開展的，但由于受到設(shè)備投資高和能源價(jià)格相對(duì)較低等限制，熱回收通風(fēng)技術(shù)在畜舍中并沒有廣泛的使用[8]。隨著熱回收通風(fēng)技術(shù)和設(shè)備逐漸成熟，能量效率提高，畜舍通風(fēng)、供暖、降溫的耗能所占整個(gè)畜舍能源消耗的比例逐漸增大，使得熱回收通風(fēng)技術(shù)在畜舍中的應(yīng)用潛力逐漸增大，實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)效益大大提高[9-10]。熱回收通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果主要取決于室外氣候條件、顯熱熱回收效率、風(fēng)機(jī)耗能、新風(fēng)換氣率[11]。Han等[12]研究表明冬季在雞舍使用熱回收通風(fēng)設(shè)備可節(jié)省能耗55%；Liang等[13]在雞舍中使用熱回收通風(fēng)，每個(gè)供暖季折合節(jié)省1 410美元的供暖費(fèi)用，可以占到整個(gè)供暖費(fèi)用的14%~20%。

目前，中國(guó)民用建筑使用的熱回收通風(fēng)設(shè)備主要是一體式的，即進(jìn)排風(fēng)風(fēng)機(jī)和熱回收芯體三者放置在同一機(jī)箱內(nèi)。該設(shè)備在畜舍中使用時(shí)存在芯體迎風(fēng)面積小、通風(fēng)量小的問題，若要滿足畜舍內(nèi)冬季動(dòng)物最小通風(fēng)量的需求，要么所需的一體式熱回收設(shè)備的數(shù)量多，設(shè)備成本高；要么所需設(shè)備體積大，占用畜舍的空間較大，不便于畜舍安裝。此外該一體式設(shè)備存在接管固定、布置安裝不靈活的缺點(diǎn)。

針對(duì)以上問題，本研究打破民用一體式熱回收設(shè)備的模式，將設(shè)備的送風(fēng)風(fēng)機(jī)、排風(fēng)風(fēng)機(jī)及芯體拆解，減少各部分的體積，利用通風(fēng)管道將新風(fēng)風(fēng)機(jī)、污風(fēng)風(fēng)機(jī)和熱交換芯體配套組合，設(shè)計(jì)形成一套適用于畜禽舍的新型節(jié)能熱回收通風(fēng)系統(tǒng)，同時(shí)研究該新型節(jié)能熱回收通風(fēng)系統(tǒng)在不同配置條件下的熱回收效果，探究其在畜舍中的最佳運(yùn)行條件，為新型熱回收通風(fēng)系統(tǒng)在畜舍中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方案及材料

針對(duì)民用建筑中使用的一體式熱回收通風(fēng)設(shè)備存在設(shè)備體積大及占用空間大、接管固定、布置安裝不靈活等問題，設(shè)計(jì)適用于畜舍的新型節(jié)能熱回收通風(fēng)系統(tǒng)：熱交換芯體與風(fēng)機(jī)通過連接件分體安裝，可以根據(jù)需要安裝在舍內(nèi)不同位置，進(jìn)而減少設(shè)備總體積，使安裝方案更加靈活。新風(fēng)風(fēng)機(jī)與污風(fēng)風(fēng)機(jī)分別處于新風(fēng)管道及污風(fēng)管道上；2組管道垂直交叉，相接的位置安裝熱交換芯體，將新風(fēng)入口與污風(fēng)出口的距離拉開5 m以上，避免氣流短路，影響通風(fēng)換氣效果；同時(shí)保證污風(fēng)與新風(fēng)之間的比例要大致相等[14]。

影響熱回收通風(fēng)效果的設(shè)備參數(shù)包括熱回收芯體、迎面風(fēng)速、風(fēng)量、壓降等[4,15]；要提高熱回收通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果，需要重點(diǎn)考慮熱傳導(dǎo)率好的芯體材料和高性能的風(fēng)機(jī)。因此本研究選擇了常用的板翅式熱交換芯體和板式熱交換芯體，并根據(jù)熱交換芯體類型和連接方式、迎面風(fēng)速大小等分以下3種配置條件進(jìn)行研究（表1）。

表1 各配置條件下的參數(shù)

配置一（圖1a）：采用離心風(fēng)機(jī)、板翅式熱交換芯體，設(shè)計(jì)板翅式熱交換芯體配置不同的迎面風(fēng)速（1.05和0.86 m/s），使用離心風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量分別為400、200 m3/h，板翅式熱交換芯體的尺寸均為500 mm′500 mm′250 mm，芯體翅片間距為4 mm；采取正壓送風(fēng)，負(fù)壓排風(fēng)。

配置二（圖1b）：2個(gè)板翅式熱交換芯體串聯(lián)安裝，新風(fēng)依次經(jīng)過2個(gè)板翅式熱交換芯體。選用芯體參數(shù)同配置一。新風(fēng)入口的離心風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為400 m3/h，用通風(fēng)管道將離心風(fēng)機(jī)與2個(gè)板翅式熱交換芯體依次串聯(lián)連接。采取正壓送風(fēng)，負(fù)壓排風(fēng)。

配置三（圖1 c）：在民用建筑中考慮熱交換效率隨著風(fēng)速的增加而降低，通常采用的芯體迎面風(fēng)速為0.30～2.89 m/s[16]，而在畜舍中考慮熱交換效率及較大的通風(fēng)量需求，本配置中選用的迎面風(fēng)速為4 m/s，選擇風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量為2 500 m3/h。在風(fēng)機(jī)的選擇上考慮風(fēng)量、風(fēng)壓、噪聲及其克服阻力的能力等方面因素，選擇軸流風(fēng)機(jī)作為新風(fēng)風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)風(fēng)量增大，為提高熱回收效率，芯體體積也相應(yīng)增加。本配置選用的板式熱交換芯體尺寸為600 mm′600 mm′600 mm，芯體翅片間距為4 mm。采用負(fù)壓送、排風(fēng)，保證了換氣量，減少了漏風(fēng)和排風(fēng)側(cè)有害氣體對(duì)送風(fēng)的污染等。

1.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法

采用MODE-6004熱線式風(fēng)速儀（日本加野麥克斯公司，精度為±（指示值的5%+0.1) m/s）測(cè)定熱交換芯體的迎面風(fēng)速。采用APRESYS179-TH溫濕度自動(dòng)記錄儀（艾普瑞（上海）精密光電有限公司，±0.3℃, ±0.3%RH）連續(xù)測(cè)定室外溫度及熱交換通風(fēng)設(shè)備新風(fēng)入口、新風(fēng)出口、污風(fēng)入口和污風(fēng)出口的溫濕度。

目前，評(píng)價(jià)熱回收通風(fēng)系統(tǒng)效果的主要指標(biāo)是熱回收效率和能效比。反映熱回收通風(fēng)能量效率的指標(biāo)包括熱回收效率、能效比、熱回收負(fù)荷等，通過這些指標(biāo)分析熱回收通風(fēng)節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性[16-17]。熱回收效率是熱回收通風(fēng)實(shí)際回收熱量與理論最大回收熱量之間的比值；能量回收負(fù)荷是熱回收通風(fēng)回收能量的絕對(duì)值；熱回收通風(fēng)自身的風(fēng)機(jī)是耗能的，考慮這部分耗能，使用能效比（coefficient of performance, COP）這一指標(biāo)，是熱回收通風(fēng)回收的能量與熱回收通風(fēng)風(fēng)機(jī)耗能之間的比值。當(dāng)室內(nèi)外的濕度差較小時(shí)，潛熱回收的潛力低[18]；畜舍正好屬于這種情況，所以本研究都使用顯熱回收效率。計(jì)算顯熱回收效率、熱回收負(fù)荷和能耗比的公式為：

顯熱回收效率：（1）

熱回收負(fù)荷：（2）

能效比： COP =/（3）

式中1、2、3分別表示新風(fēng)入口溫度、新風(fēng)出口溫度、污風(fēng)入口溫度，℃；m、min分別表示送風(fēng)風(fēng)量、送風(fēng)風(fēng)量和排風(fēng)風(fēng)量?jī)烧咧g的較小風(fēng)量值，m3/h；為新風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s；c表示空氣的比定壓熱容，常溫下取1.005 kJ/(kg·℃)。為熱回收設(shè)備的能量回收負(fù)荷，kW；為熱回收設(shè)備的風(fēng)機(jī)單位耗能，kW。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel進(jìn)行均值處理，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。差異顯著性采用SPSS中的單因素方差分析進(jìn)行處理，差異顯著水平為<0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 板翅式熱交換芯體配置不同迎面風(fēng)速的熱回收效果

由圖2及表2可知，當(dāng)舍內(nèi)外溫差為12.08 ℃，迎面風(fēng)速為1.05 m/s的情況下，新風(fēng)經(jīng)過板翅式熱交換芯體后溫度由2.40 ℃升至4.33 ℃，排出的污風(fēng)溫度由9.01 ℃降至5.82 ℃；芯體迎面風(fēng)速為0.86 m/s時(shí)，新風(fēng)溫度由2.89 ℃升至5.67 ℃，污風(fēng)溫度由9.26 ℃降至5.93 ℃。迎面風(fēng)速高的熱回收芯體新風(fēng)入出口溫差顯著低于迎面風(fēng)速低的熱回收芯體（<0.05），說明風(fēng)速高的氣流在熱交換芯體內(nèi)進(jìn)行熱量交換的時(shí)間短，溫度升高幅度低于風(fēng)速低的氣流。有研究表明當(dāng)室外溫度從–21 ℃變化到23 ℃時(shí)，畜舍使用熱回收通風(fēng)設(shè)備時(shí)新風(fēng)進(jìn)出口溫差逐漸降低；當(dāng)舍外溫度為20 ℃時(shí)，新風(fēng)的進(jìn)出口溫度基本沒有變化，且在整個(gè)試驗(yàn)過程中新風(fēng)出口溫度與室內(nèi)溫度相差不超過5 ℃，提高新風(fēng)溫度有利于緩解新風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)造成的冷應(yīng)激。本研究也有相似的趨勢(shì)，有可能因?yàn)闇y(cè)定的溫度范圍較小，效果趨勢(shì)不明顯。

圖2 板翅式熱交換芯體配置不同迎面風(fēng)速時(shí)熱交換芯體各風(fēng)口的溫度變化

表2 板翅式熱交換芯體配置不同迎面風(fēng)速時(shí)熱交換芯體各風(fēng)口的平均溫度

注：同列數(shù)值不同小寫字母表示差異顯著（< 0.05）。下同。

Note: Means in the same line with different lowercase letters differ significantly (< 0.05). Same as below.

在設(shè)備運(yùn)行期間（圖3和表3），當(dāng)舍內(nèi)外溫差為12.08 ℃，迎面風(fēng)速分別為1.05和0.86 m/s時(shí)，設(shè)備的顯熱回收效率及熱回收負(fù)荷的平均值分別為35.88%、43.63%和0.16、0.19 kW，兩者的顯熱回收效率均未達(dá)到冬季節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)（65%）的要求；計(jì)算出2種風(fēng)速條件下的能效比平均值分別為1.37和1.61。配置小迎面風(fēng)速的熱回收芯體的顯熱回收效率、熱回收負(fù)荷和能效比均顯著高于配置大迎面風(fēng)速的芯體（<0.05）。在管道、芯體相同的情況下，提供風(fēng)量小的芯體顯熱回收效率相對(duì)較高，由于通風(fēng)量小，小迎面風(fēng)速芯體回收的絕對(duì)熱負(fù)荷量要大于大迎面風(fēng)速。

圖3 板翅式熱交換芯體配置不同迎面風(fēng)速時(shí)熱交換芯體的顯熱回收效率及熱回收負(fù)荷

表3 板翅式熱交換芯體配置不同迎面風(fēng)速時(shí)熱交換芯體的運(yùn)行效率

研究表明隨著迎面風(fēng)速的增加，顯熱回收效率下降[1,19]。在本研究中，與配置小迎面風(fēng)速的熱交換芯體相比，大迎面風(fēng)速熱交換芯體的新風(fēng)入出口溫差小，顯熱回收效率和熱回收負(fù)荷分別低21.6%和18.6%。這說明當(dāng)迎面風(fēng)量增加后，熱交換芯體兩側(cè)的氣流能量交換的時(shí)間縮短，新風(fēng)溫度的升高幅度降低，出現(xiàn)熱回收效率的下降[20]。另外，2種風(fēng)速條件下的能效比也較低。迎面風(fēng)速與芯體壓降呈現(xiàn)正相關(guān)[21]。芯體壓降高說明芯體阻力大，阻礙氣流通過芯體會(huì)減少風(fēng)量使設(shè)備無(wú)法達(dá)到所需通風(fēng)量，同時(shí)增加風(fēng)機(jī)的能耗。迎面風(fēng)速偏小時(shí)，雖然有利于提高熱回收效率和減少壓降，但單位體積的熱交換芯體提供的風(fēng)量減少，設(shè)備的利用效率偏低。因此控制適合的迎面風(fēng)速很重要。本研究中芯體配置小迎面風(fēng)速雖有較高的顯熱回收效率，風(fēng)機(jī)能耗小，但其提供的通風(fēng)量不能滿足畜舍冬季所需的最小通風(fēng)量，達(dá)不到畜舍通風(fēng)的目的，因此要綜合考慮通風(fēng)量與熱交換效率平衡關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中要適當(dāng)?shù)脑黾语L(fēng)機(jī)風(fēng)量和芯體體積才能滿足大通風(fēng)量的需求。此次配置的額定風(fēng)量為400和200 m3/h，實(shí)際測(cè)得的風(fēng)量更低，加上新風(fēng)通過的迎風(fēng)面積較?。▋H為0.062 5 m2），芯體迎風(fēng)面積與風(fēng)機(jī)風(fēng)量配比不當(dāng)，也是導(dǎo)致熱回收效果不夠理想的原因之一。此時(shí)送排風(fēng)選用的離心風(fēng)機(jī)需克服較大的風(fēng)壓，所需的能耗高，噪聲較大。

板翅式熱交換芯體保養(yǎng)維護(hù)比較困難，局部壓力損失大，氣流易存在交叉污染的問題。其熱交換效果除了受到自身傳熱材料性能的影響外，還受到排風(fēng)和新風(fēng)的比例，兩者風(fēng)速等因素的影響[22-23]。研究表明舍內(nèi)外溫差達(dá)到8 ℃時(shí)有很好的熱回收效果[24]，在本配置條件中當(dāng)舍內(nèi)外溫差為12.08 ℃時(shí)，2種迎面風(fēng)速條件下顯熱回收效率最高僅為43.63%，可能與芯體和風(fēng)機(jī)配比不適、芯體與風(fēng)管的連接處漏風(fēng)等有關(guān)。采用這種正壓連接方式時(shí)，新風(fēng)側(cè)風(fēng)壓高，向排風(fēng)側(cè)漏風(fēng)量較大。

2.2 新風(fēng)依次經(jīng)過2個(gè)板翅式熱交換芯體的熱回收效果

由圖4及表4可知，2個(gè)板翅式熱交換芯體串聯(lián)安裝時(shí)，新風(fēng)經(jīng)過第1級(jí)熱交換芯體后，溫度從3.60 ℃升高到6.42 ℃，污風(fēng)溫度從9.21 ℃下降到7.63 ℃，有一定的熱交換作用；經(jīng)過第2級(jí)熱交換芯體后出口溫度為7.90 ℃，此時(shí)污風(fēng)溫度在通過熱交換芯體前后基本沒有變化（9.78，9.53 ℃）。第1級(jí)熱交換芯體的新風(fēng)入出口溫差顯著高于第2級(jí)熱交換芯體（<0.05）。在舍內(nèi)外溫差平均為10.49℃，舍外溫度在–3.89~2.98 ℃范圍變化時(shí)，第1級(jí)熱交換芯體的迎面風(fēng)速為0.93 m/s，顯熱回收效率、熱回收負(fù)荷及能效比分別為52.11%、0.39 kW和3.26。串聯(lián)后經(jīng)過第2級(jí)芯體的迎面風(fēng)速甚微。

圖4 2個(gè)板翅式熱交換芯體串聯(lián)連接時(shí)各風(fēng)口的溫度變化

表4 2個(gè)板翅式熱交換芯體串聯(lián)時(shí)芯體各風(fēng)口的平均溫度

有研究表明板翅式熱交換芯體的熱交換效率范圍在50%~70%，迎面風(fēng)速為1.0~3.0 m/s[22,25]。本研究中第1級(jí)熱交換芯體實(shí)際配套的迎面風(fēng)速為0.93 m/s，顯熱回收效率平均為52.11%，沒有達(dá)到國(guó)內(nèi)冬季節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求（65%）。同時(shí)，新風(fēng)經(jīng)過第2級(jí)熱交換芯體時(shí)，風(fēng)速受芯體壓降、風(fēng)管等阻力的影響衰減，污風(fēng)風(fēng)速相對(duì)大些，此時(shí)即使新風(fēng)入口與污風(fēng)入口有一定的溫度差，新風(fēng)與污風(fēng)也無(wú)法充分進(jìn)行能量交換，污風(fēng)入口與出口的溫度基本無(wú)變化，從而導(dǎo)致第2級(jí)熱交換芯體的熱交換作用減弱，其熱回收效率及熱回收負(fù)荷較低，給舍內(nèi)提供的新風(fēng)量較小。由此可見，在畜舍內(nèi)串聯(lián)安裝2個(gè)熱交換芯體時(shí)，不僅對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的熱回收效果無(wú)增加作用，反而增加了系統(tǒng)的壓力損失，增加了風(fēng)機(jī)的能耗，降低了送風(fēng)效率，不具有可行性。本研究中室內(nèi)外溫差均值為10.5℃，應(yīng)具有較好的熱回收潛力，但第一級(jí)熱交換芯體的實(shí)際熱交換效率沒有達(dá)到65%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，可能與板翅式熱交換芯體逐級(jí)連接造成的通風(fēng)阻力大、該熱交換芯體的結(jié)構(gòu)尺寸與風(fēng)機(jī)風(fēng)量不匹配等有關(guān)。

圖5 第1級(jí)熱交換芯體的顯熱回收效率及熱回收負(fù)荷

2.3 優(yōu)化板式芯體與風(fēng)機(jī)配比后的熱回收效果

針對(duì)上述研究結(jié)果中存在的問題，本配置條件優(yōu)化了板式熱回收芯體跟風(fēng)機(jī)配比參數(shù)，提供適宜的迎面風(fēng)速。圖6為板式熱回收通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)新風(fēng)和污風(fēng)的溫濕度變化趨勢(shì)。新風(fēng)經(jīng)過板式熱交換芯體后，溫度提升幅度較大，升高了8.23 ℃。此外在新風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)的過程中，除了熱交換芯體的預(yù)熱作用外，風(fēng)機(jī)自身的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱也起到一定的預(yù)熱作用，使新風(fēng)溫度從8.51 ℃升高到11.74 ℃，這種氣流經(jīng)過風(fēng)機(jī)溫度上升的現(xiàn)象在冬季使用熱回收通風(fēng)進(jìn)行熱量回收的情況下是有利的，能夠利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)熱將新風(fēng)溫度提升一定幅度，有利于室內(nèi)保溫[7]。同時(shí)，舍外新風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)后其相對(duì)濕度也有顯著下降趨勢(shì)。

圖6 板式熱交換芯體運(yùn)行時(shí)風(fēng)口的溫濕度變化

從測(cè)定結(jié)果來(lái)看，板式熱交換芯體的迎面風(fēng)速為4.00m/s，風(fēng)機(jī)風(fēng)量約為2 500 m3/h。在舍內(nèi)外溫差為12.12 ℃，舍外溫度在–0.29~0.34 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，其顯熱回收效率為69.9%，達(dá)到了冬季節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)（65%）。顯熱回收效率受畜舍內(nèi)外氣溫的影響較大，冬季舍內(nèi)氣溫升高會(huì)提高顯熱回收效率。因此若冬季畜舍內(nèi)供暖較好，熱回收效率會(huì)更高，節(jié)省的能耗會(huì)更多。有研究表明熱回收通風(fēng)系統(tǒng)的能效比大于2.5時(shí)認(rèn)為具有節(jié)能作用[16-17]，本配置中熱回收負(fù)荷平均值為7.4 kW，其能效比為8.0，說明該配置條件下節(jié)能效果較好，符合節(jié)能的工況。

板式熱回收設(shè)備的熱交換效率范圍在50%~80%，迎面風(fēng)速范圍為1~5 m/s[26-27]。本試驗(yàn)測(cè)定的數(shù)據(jù)與上述范圍相一致。本配置條件中，為滿足畜禽舍大通風(fēng)的需求，適當(dāng)增加了熱回收芯體的尺寸和風(fēng)機(jī)風(fēng)量，保證芯體與風(fēng)機(jī)的密封性，完善了兩者之間的配比。有研究表明在同一迎面風(fēng)速條件下，大尺寸芯體的熱回收效率高于小尺寸芯體的熱回收效率[28]。熱回收芯體尺寸增大后，換熱通道長(zhǎng)度增加，可提高熱交換效率，且在較大風(fēng)速時(shí)效果更明顯。芯體尺寸的增大雖提高了熱交換效率，但通風(fēng)阻力也升高，隨之芯體成本也增加。因此，在選用板式熱交換芯體時(shí)，應(yīng)綜合考慮熱交換效率與成本和運(yùn)行費(fèi)用三者之間的平衡關(guān)系，從而確定最佳芯體尺寸。

研究表明當(dāng)芯體翅片間距范圍為1~5mm時(shí)，熱回收效率隨著翅片間距的增加而減小[26]。熱交換芯體密度越大，空氣過芯體的有效換熱面積越大，但芯體密度的增大會(huì)造成芯體壓降增加，從而加大系統(tǒng)克服壓降的動(dòng)力消耗[29]。如果回收的能量少于系統(tǒng)克服壓降消耗的能量，此時(shí)就不適合應(yīng)用該熱回收設(shè)備。本研究中芯體翅片的間距為4 mm，密度適中，其顯熱回收效率為69.9%，在畜舍使用時(shí)其熱回收效率及提供的風(fēng)量都是適宜的。另外選用的軸流風(fēng)機(jī)在通風(fēng)時(shí)所形成的壓力較離心式風(fēng)機(jī)低，輸送的空氣量比離心式風(fēng)機(jī)大、噪聲小，避免了噪聲對(duì)畜禽生產(chǎn)的影響。軸流風(fēng)機(jī)與芯體負(fù)壓連接時(shí)氣流組織更加平穩(wěn)，能降低芯體的滲漏，減少排風(fēng)側(cè)的有害氣體對(duì)新風(fēng)的污染，保證了換氣量。

表5 板式熱交換通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率

綜上，配置一和配置二雖完善了設(shè)備連接方式，體積小便于安裝，但其能效比低，其顯熱回收效率低于節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)（65%），通風(fēng)效率難以滿足畜舍的需求。配置三在上述基礎(chǔ)上平衡了熱回收效率及通風(fēng)效率的關(guān)系，既具備較高的通風(fēng)效率又能保證良好的熱回收效果，同時(shí)可提高舍內(nèi)環(huán)境的熱舒適度，具有良好的經(jīng)濟(jì)可行性。配置三中一臺(tái)設(shè)備提供的2 500 m3/h風(fēng)量可滿足約400只肉兔的最小通風(fēng)需求（肉兔最小通風(fēng)量需求按照1.5 m3/kg體質(zhì)量計(jì)算[30]）；在冬季密閉性好的供暖畜禽舍，舍內(nèi)外的溫差較大，應(yīng)用配置3種條件下的設(shè)備參數(shù)具有較大的能量回收潛力。同時(shí)該配置條件可明顯提高冬季新風(fēng)出口溫度，有效降低冷風(fēng)對(duì)畜禽舍內(nèi)的動(dòng)物特別是幼畜的冷應(yīng)激，提高動(dòng)物生產(chǎn)性能。另外該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，可根據(jù)畜舍的空間結(jié)構(gòu)靈活安裝，減少占用空間，具有安裝可行性。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)研究打破民用一體式熱回收設(shè)備的模式，通過不斷完善熱回收芯體與風(fēng)機(jī)的類型、配比及連接方式，監(jiān)測(cè)其熱回收效率及能效比等得出以下結(jié)論：

1）在一定風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)速越小，熱回收設(shè)備的顯熱回收效率、能效比相比較高。

2）熱回收設(shè)備在畜禽舍內(nèi)串聯(lián)連接時(shí)，其熱回收效率及通風(fēng)效果不理想。

3）將板式熱回收芯體與軸流風(fēng)機(jī)負(fù)壓連接，平衡了熱回收效率及通風(fēng)效率的關(guān)系，熱回收系統(tǒng)的顯熱回收效率可達(dá)到69.9%，能效比為8.0，達(dá)到冬季節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。該配置適合應(yīng)用于為改善舍內(nèi)空氣質(zhì)量而通風(fēng)需求量大的畜禽舍。

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Heat recovery effect of heat recovery ventilation system with heat exchanger-fan for livestock house

Li Qin, Liu Peng, Liu Zhongying, Wang Meizhi, Liu Jijun, Wu Zhonghong※

(100193,)

Heat recovery ventilation, as a kind of energy saving ventilation, can alleviate the contradiction between heating energy consumption and ventilation. The application of heat recovery ventilation system for residential buildings has turned out that it has the problems of low ventilation efficiency and high cost when applied in the livestock house. A modified heat recovery ventilation system for livestock house was designed in this study, and the efficiency of heat recovery ventilation equipment under 3 different operating conditions was tested to find out the optimal operation conditions. In the first operating condition, the temperature difference inside and outside the livestock house was 12.08 ℃. The size of plate-fin heat exchanger was 500 mm′500 mm′250 mm. Fresh air supply adopted a positive pressure way and exhaust air used a negative pressure way. When the approach velocities were 1.05 and 0.86 m/s, the fresh air temperature through the heat exchanger increased by 1.93 and 2.79 ℃, the sensible heat recovery efficiency was 35.88% and 43.63%, the heat recovery load was 0.16 and 0.19 kW, and the coefficient of performance was 1.37 and 1.61, respectively. The sensible heat efficiency under both approach velocities was far below the energy saving standard in winter (≥65%). In the second operating condition, 2 plate-fin heat exchangers were in cascade connection, and the fresh air went through the 2 plate-fin heat exchangers in sequence. The size of heat exchanger, fan type and ventilation pattern were the same with the first condition. In this way, when the temperature difference between inside and outside was 10.49 ℃, the fresh air temperature passing through the first heat exchanger increased by 2.59 ℃. The sensible heat recovery efficiency was 52.11%, and meanwhile the heat recovery load and the coefficient of performance were respectively 0.39 kW and 3.26. The poor performance of the second heat exchanger showed that the two heat exchangers in series for livestock house were unnecessary. In the third configuration condition, both matching parameters and connection ways between heat exchanger and fans were optimized. The plate heat exchanger and the axial flow fan with low noise and large volume were used. The heat exchanger size was 600 mm′600 mm′600 mm. Both fresh air supply and exhaust air used a negative pressure way. When the temperature difference between inside and outside was 12.12 ℃ and the approach velocity was 4 m/s, the fresh air temperature increased by 8.23 ℃. The sensible heat recovery efficiency was 69.9%, and the coefficient of performance was 8.0, meeting the national energy-saving standard requirement. It is concluded that the heat recovery ventilation aimed to improve the balance between heat recovery efficiency and ventilation efficiency can meet the requirement of large volume ventilation and energy saving in the livestock house. So it is of great value to optimize the parameter and structure of heat recovery ventilation system for livestock house.

heat recovery; heat exchangers; ventilation; livestock house; sensible heat recovery efficiency; heat recovery load

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.024

S882

A

1002-6819(2017)-08-0176-07

2016-08-17

2017-04-01

福利低碳環(huán)保養(yǎng)雞設(shè)施技術(shù)與設(shè)備研發(fā)（2014BAD08B08-3）；南方地區(qū)草食家畜舍飼小氣候調(diào)控技術(shù)研究（201303145）；國(guó)家兔產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-44-D-4）

李 琴，女，湖北仙桃人，研究方向：畜禽環(huán)境工程。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，100193。Email：crystal_stefer@126.com

吳中紅，女，甘肅靜寧人，博士生導(dǎo)師，研究方向：畜禽環(huán)境工程、環(huán)境應(yīng)激與動(dòng)物生殖發(fā)育。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，100193。Email：wuzhh@cau.edu.cn

李琴，劉鵬，劉中英，王美芝，劉繼軍，吳中紅. 畜舍熱交換芯體-風(fēng)機(jī)熱回收通風(fēng)系統(tǒng)的熱回收效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(8)：176－182. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.024 http://www.tcsae.org

Li Qin, Liu Peng, Liu Zhongying, Wang Meizhi, Liu Jijun, Wu Zhonghong. Heat recovery effect of heat recovery ventilation system with heat exchanger-fan for livestock house [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 176－182. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.024 http://www.tcsae.org