兩種間接蒸發(fā)冷卻熱回收新風(fēng)換氣機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

方 超 李無(wú)言 張 紅

（重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400044）

0 引言

人們?cè)谔岣呓ㄖ锏臍饷苄院蜔峤^緣性的同時(shí)降低室內(nèi)最小新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果導(dǎo)致了室內(nèi)有害物的濃度由于得不到新風(fēng)稀釋而提高，引起了室內(nèi)空氣品質(zhì)惡化。據(jù)世界衛(wèi)生組織估計(jì)約有30%的新建或改建建筑的室內(nèi)空氣品質(zhì)存在問(wèn)題，甚至引起建筑綜合癥，因此，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)已成為當(dāng)前建筑環(huán)境領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1]。

傳統(tǒng)的改變室內(nèi)空氣品質(zhì)的方法有很多，但是只能單一地往室內(nèi)輸送新風(fēng)，而等量的空氣攜帶著室內(nèi)的冷（熱）量被機(jī)械地排到了室外，這樣就加大了室內(nèi)供暖空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，增加了能耗，造成了能源的浪費(fèi)。熱回收新風(fēng)換氣機(jī)作為一種余熱回收裝置，能夠進(jìn)行室內(nèi)外雙向換氣，內(nèi)置靜止式熱交換器，使新風(fēng)和排風(fēng)進(jìn)行能量交換，把排風(fēng)所帶的能量傳遞給新風(fēng)，大幅度降低新風(fēng)處理所需的能量[2]；另外它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用起來(lái)比較方便，還能進(jìn)行一定的過(guò)濾處理。但是目前市面上常見(jiàn)的熱回收新風(fēng)換氣機(jī)存在的問(wèn)題是熱回收效率不高，無(wú)法有效對(duì)新風(fēng)降溫，因此尋找某些手段提高熱回收新風(fēng)機(jī)的熱回收效率，降低新風(fēng)負(fù)荷，對(duì)于建筑節(jié)能有重要意義。

1 間接蒸發(fā)冷卻（IEC）熱回收新風(fēng)換氣機(jī)

蒸發(fā)冷卻，是人類(lèi)很早就發(fā)現(xiàn)的一種降溫方法。間接蒸發(fā)冷卻（IEC），就是用循環(huán)水噴淋流經(jīng)換熱面的不飽和室內(nèi)空氣（在干燥地區(qū)亦可用室外空氣），由于噴淋使換熱面上覆蓋一層水膜，水分的蒸發(fā)不僅吸收水膜本身的熱量，而且吸收換熱面另一側(cè)室外空氣的熱量，使水膜和換熱面維持在較低的溫度上，來(lái)冷卻室外空氣。室外空氣在溫度降低的同時(shí)，其含濕量保持不變，實(shí)現(xiàn)了制冷。根據(jù)原理分析，間接蒸發(fā)冷卻的趨動(dòng)勢(shì)，是一次風(fēng)的干球溫度與二次風(fēng)的濕球溫度之差，即一次風(fēng)可能降到的最低溫度為二次風(fēng)的濕球溫度[3]。

間接蒸發(fā)冷卻常與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)建全熱回收型復(fù)合系統(tǒng)，利用間接蒸發(fā)冷卻來(lái)預(yù)冷新風(fēng)，降低空氣溫度[4]，這種系統(tǒng)可利用間接蒸發(fā)冷卻對(duì)室內(nèi)排風(fēng)進(jìn)行全熱回收，比傳統(tǒng)的空氣—空氣換熱器的顯熱回收更加有效，從而可減少一次能源消耗或利用相同的一次能源實(shí)現(xiàn)較大新風(fēng)比的空氣調(diào)節(jié)，促進(jìn)室內(nèi)空氣品質(zhì)的改善，因而具有重要意義。

筆者團(tuán)隊(duì)結(jié)合前人基礎(chǔ)，研發(fā)了IEC與顯熱回收芯體結(jié)合的熱回收新風(fēng)換氣機(jī)。這種機(jī)型回風(fēng)通道內(nèi)的回風(fēng)經(jīng)過(guò)水霧噴淋裝置與水霧混合之后，一起進(jìn)入換熱芯體換熱，之后排出室外，新風(fēng)通過(guò)換熱芯體降溫后送入室內(nèi)；其中，在換熱芯體中新風(fēng)和回風(fēng)呈逆叉流流動(dòng)[5]，中間通過(guò)親水鋁箔隔開(kāi)，新風(fēng)直接和親水鋁箔的一面接觸，回風(fēng)和親水鋁箔的另一面接觸，水霧噴淋裝置產(chǎn)生的水霧在親水鋁箔回風(fēng)一側(cè)的表面形成液體薄層，回風(fēng)吹過(guò)液體薄層，水分蒸發(fā)吸收熱量使鋁箔與回風(fēng)的溫度均下降，從而冷卻另一面的新風(fēng)。

本文重點(diǎn)對(duì)兩種型式的IEC熱回收新風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，這兩種型式的區(qū)別在于換熱芯體的擺放角度，一種機(jī)型芯體為水平放置，另一種機(jī)型芯體為豎直放置，制作這兩種機(jī)型進(jìn)行對(duì)比是考慮到芯體擺放角度不同時(shí)，親水鋁箔板上布液情況會(huì)有不同，可能會(huì)對(duì)機(jī)組的熱回收效率產(chǎn)生影響。

2 試驗(yàn)臺(tái)介紹

根據(jù)規(guī)范《空氣-空氣能量回收裝置》（GBT 21087-2007），采用兩室法對(duì)新風(fēng)換氣機(jī)的熱回收效率進(jìn)行測(cè)試[6]。

本實(shí)驗(yàn)中心，搭建了恒溫模擬小室，對(duì)房間溫度的控制在5-45℃，精度在±0.5℃。試驗(yàn)裝置由兩個(gè)恒溫恒濕小室、新風(fēng)機(jī)、溫濕度測(cè)試風(fēng)道、溫濕度測(cè)試儀器組成，實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，通過(guò)控制調(diào)節(jié)恒溫小室溫濕度，模擬各類(lèi)室外、室內(nèi)空氣參數(shù)，測(cè)試在不同參數(shù)下的新風(fēng)機(jī)熱回收效率。

冷熱源構(gòu)成：冷水機(jī)組2臺(tái)，5p；熱泵機(jī)1臺(tái)，3p；冷卻塔1臺(tái)；冷凍水泵1臺(tái)，冷卻水泵1臺(tái)；粗調(diào)加熱水箱分兩組，一組為18kW，另一組為9kW，精調(diào)加熱水箱總加熱量為9kW，由進(jìn)水溫度儀表和粗調(diào)水溫儀表分別自動(dòng)調(diào)節(jié)。

輸配系統(tǒng)和末端構(gòu)成：冷卻循環(huán)水泵1臺(tái)；冷源與冷水箱之間循環(huán)水泵1臺(tái)，水箱與末端循環(huán)水泵1臺(tái)，渦旋流量計(jì)1臺(tái)；房間空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)2臺(tái)，用皮帶傳送，保證運(yùn)行平穩(wěn)和低噪聲；空氣再處理設(shè)備采用了淺槽式蒸汽加濕器，總加濕功率為18kW，采用自動(dòng)調(diào)節(jié)，由室內(nèi)濕球調(diào)節(jié)儀表分別自動(dòng)控制，其加濕功率可以在0～18kW之間變化；送風(fēng)方式以頂部孔板送風(fēng)，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量在合理而精確的測(cè)試范圍內(nèi)。

恒溫小室的控制運(yùn)行過(guò)程介紹：為了保證控制的準(zhǔn)確性和控制時(shí)間，恒溫小室以循環(huán)風(fēng)為主體，當(dāng)設(shè)定房間干球溫度和濕球溫度在某一值時(shí)候，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)回風(fēng)判斷是否需要降溫或者除濕，然后啟動(dòng)加濕或者除濕，加熱或者降溫功能，將房間空氣參數(shù)控制在設(shè)定的值。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental platform

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)研究的主要目的是得到：（1）兩種型式的機(jī)組在夏季工況下的全熱回收效率；（2）循環(huán)噴淋水溫對(duì)機(jī)組性能狀態(tài)的影響；（3）循環(huán)噴淋水流量對(duì)機(jī)組性能的影響。

對(duì)該新風(fēng)換氣機(jī)進(jìn)行夏季熱交換率實(shí)驗(yàn)測(cè)試，參考《空氣-空氣能量回收裝置》（GBT 21087-2007）規(guī)范，測(cè)試過(guò)程中將室內(nèi)干球溫度控制在27℃，濕球溫度控制在19.5℃，通過(guò)控制面板調(diào)節(jié)恒溫小室溫濕度。

實(shí)驗(yàn)中，將新風(fēng)機(jī)安裝在兩個(gè)恒溫控制室之間，并密封好新風(fēng)換氣機(jī)的新風(fēng)入口OA、回風(fēng)入口RA、排風(fēng)出口EA三個(gè)出風(fēng)口，裝上風(fēng)管軟管，防止風(fēng)口之間過(guò)近使空氣的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)相互影響。將1號(hào)溫濕度測(cè)試儀器（每10秒自動(dòng)記錄一組數(shù)據(jù)）放在OA風(fēng)口進(jìn)風(fēng)處，將2-4號(hào)溫濕度測(cè)試儀器分別放于新風(fēng)送風(fēng)口SA、RA、EA風(fēng)機(jī)軟管內(nèi)，固定妥當(dāng)，測(cè)試均在高風(fēng)量下進(jìn)行，保持新風(fēng)與排風(fēng)的風(fēng)量相同。機(jī)組在測(cè)試工況下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行30min后，進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)控制調(diào)節(jié)恒溫小室溫濕度，模擬各類(lèi)室外空氣參數(shù)，測(cè)試在不同參數(shù)下的新風(fēng)機(jī)熱回收效率。

本實(shí)驗(yàn)需要計(jì)算熱回收新風(fēng)機(jī)的全熱回收效率，計(jì)算公式如下所示：

式中：ηh為全熱回收效率，以百分?jǐn)?shù)表示；iOA為新風(fēng)入口空氣焓值，kJ/kg（干）；iSA為新風(fēng)送風(fēng)口空氣焓值，kJ/kg（干）；iRA為回風(fēng)入口空氣焓值，kJ/kg（干）。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 夏季工況效率分析

分別對(duì)兩種機(jī)型進(jìn)行夏季實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試機(jī)組在室外空氣相對(duì)濕度為50%時(shí)，溫度從30℃（焓值64.71kJ/kg）到40℃（焓值101.68kJ/kg）的各工況熱交換效率。測(cè)試過(guò)程中將室內(nèi)干球溫度控制在27℃，濕球溫度控制在19.5℃（焓值56.03kJ/kg）。由于全熱的表征指標(biāo)是焓值，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果以新、回風(fēng)入口焓差為x軸，全熱回收效率為y軸表達(dá)。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種機(jī)型全熱回收效率與新、回風(fēng)焓差關(guān)系圖Fig.2 Total heat recovery efficiency of the two models and the new,return air enthalpy difference diagram

由測(cè)試結(jié)果可以看出，這種IEC結(jié)合顯熱回收芯體的裝置可以大幅度提高新風(fēng)換氣機(jī)的全熱回收效率。在室外空氣相對(duì)濕度50%水平下，芯體水平放置的機(jī)型（臥式機(jī)組）全熱回收效率在56%～80%之間，芯體豎直放置的機(jī)型（立式機(jī)組）全熱回收效率在58%～92%之間，且兩種機(jī)型的換熱效率均隨著新、回風(fēng)焓差的增加而降低，而傳統(tǒng)的無(wú)IEC的鋁箔板式熱回收新風(fēng)換氣機(jī)全熱回收效率只有30%左右[7]。效率有顯著提升的原因是，由于換熱芯體換熱薄層采用親水鋁箔材料制造，經(jīng)過(guò)噴淋之后，回風(fēng)一側(cè)鋁箔板表面形成一層水膜，回風(fēng)吹過(guò)這層水膜，會(huì)使水分蒸發(fā)吸收水膜和回風(fēng)中的熱量，使換熱芯體內(nèi)換熱溫差大幅提升，換熱量顯著增加，進(jìn)而熱回收效率變大。

由圖2還可看出，立式機(jī)組的全熱回收效率整體高于臥式機(jī)組。芯體水平放置和豎直放置對(duì)熱回收效率會(huì)有影響是因?yàn)樗椒胖玫膿Q熱芯體在噴淋時(shí)由于水的重力影響幾乎只有一面完全布液，噴淋無(wú)法發(fā)揮全部效力，導(dǎo)致回風(fēng)入口附近的一部分回風(fēng)溫度高于與之換熱的新風(fēng)溫度，新風(fēng)被回風(fēng)加熱，形成熱短路。而豎直放置的換熱芯體雙面布液，熱短路影響較小或無(wú)熱短路發(fā)生，新風(fēng)被冷卻程度更大，熱回收效率更高。

4.2 循環(huán)噴淋水溫和水量對(duì)機(jī)組性能的影響

本文在進(jìn)行不同室外空氣溫濕度對(duì)熱回收效率影響的實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用的是恒溫水槽水直接噴淋。為了探討循環(huán)噴淋水溫度和流量對(duì)機(jī)組性能的影響，本實(shí)驗(yàn)以立式機(jī)組為例，通過(guò)電加熱器控制水溫，減壓閥及水泵控制水壓力（繼而改變流量），在室外空氣狀態(tài)和室內(nèi)回風(fēng)狀態(tài)固定的條件下，分別測(cè)試不同噴淋水溫度和水量對(duì)室外進(jìn)風(fēng)與室內(nèi)送風(fēng)的溫度差（新風(fēng)冷卻能力，表征機(jī)組整體性能）的影響。噴淋水溫與機(jī)組性能之間的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示，實(shí)驗(yàn)中噴水量控制在平均4.5kg/s的水平。由圖3可以看出，噴淋水溫度升高10℃，室外進(jìn)風(fēng)與室內(nèi)送風(fēng)的溫差僅僅縮小0.2℃，可以得出結(jié)論，此機(jī)組的性能與噴淋水的溫度基本無(wú)關(guān)。

循環(huán)噴淋水量與機(jī)組性能之間的關(guān)系如圖4所示，實(shí)驗(yàn)中噴淋水溫度保持在21℃，結(jié)果顯示，加大循環(huán)噴淋水量，室外進(jìn)風(fēng)與室內(nèi)送風(fēng)的溫差的增量?jī)H有0.7℃左右，由此可得結(jié)論，此機(jī)組性能與循環(huán)噴淋水量基本無(wú)關(guān)。

圖3和圖4結(jié)果說(shuō)明改變循環(huán)噴淋水溫度和循環(huán)噴淋水量對(duì)空氣入、出口溫差也即機(jī)組性能基本沒(méi)有影響，說(shuō)明水分蒸發(fā)所吸收的汽化潛熱才是噴淋水熱量傳遞的主要部分，且對(duì)于此機(jī)組來(lái)說(shuō)，噴淋水量總是過(guò)量的。

圖3 循環(huán)噴淋水溫度與機(jī)組性能關(guān)系圖Fig.3 The relationship between circulating water temperature and machine performance

圖4 循環(huán)噴淋水流量與機(jī)組性能關(guān)系圖Fig.4 Cycle spray water flow and machine performance diagram

4.3 比節(jié)能率的提出[8]

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，這種IEC結(jié)合顯熱回收芯體的熱回收新風(fēng)機(jī)具有很高的全熱回收效率和新風(fēng)冷卻能力，但是在分析熱回收新風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)注意，熱回收新風(fēng)機(jī)從排風(fēng)中回收能量，降低了新風(fēng)能耗，但驅(qū)動(dòng)這些風(fēng)機(jī)又會(huì)消耗額外的電能，并且IEC與顯熱回收芯體結(jié)合的系統(tǒng)還要消耗水，這又是一部分能耗，總體的能耗情況是怎樣的，是否可提出一個(gè)綜合反映各方能耗貢獻(xiàn)的指標(biāo)，這是本文研究的另一個(gè)問(wèn)題。

對(duì)于IEC加顯熱回收新風(fēng)換氣機(jī)節(jié)能情況的綜合考量，我們引入比節(jié)能率δ（Specific net energy saving parameter）的概念去評(píng)估各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)整體性能的影響，δ表征引入每千克室外新風(fēng)所能節(jié)約的能量。該指標(biāo)表達(dá)式如下：

式中，Q為新風(fēng)機(jī)熱交換芯體回收的能量，為機(jī)組內(nèi)送風(fēng)風(fēng)機(jī)與排風(fēng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗的能量。fp是生產(chǎn)因子，表征生產(chǎn)1kWh的電能需要消耗更多的初級(jí)能源，在此式中fp可以取3，為是新風(fēng)通道的空氣質(zhì)量流量，ρ是空氣密度，表征制冷的總小時(shí)數(shù)，即機(jī)器的開(kāi)啟時(shí)間。只有當(dāng)δ為正值時(shí)，熱回收新風(fēng)機(jī)才節(jié)能，否則整套系統(tǒng)并不真正節(jié)能。此式可以計(jì)算IEC加顯熱交換系統(tǒng)在不同地區(qū)的適應(yīng)性。

5 結(jié)論

（1）在室外空氣相對(duì)濕度為50%，室內(nèi)回風(fēng)干球溫度控制在27℃，濕球溫度控制在19.5℃條件下，室外空氣溫度從30℃（焓值64.71kJ/kg）到40℃（焓值101.68kJ/kg）變化時(shí)，芯體水平放置的新風(fēng)機(jī)組全熱回收效率在56%～80%之間，芯體豎直放置的機(jī)組全熱回收效率在58%～92%之間，相比于傳統(tǒng)的顯熱回收新風(fēng)機(jī)，熱回收量均有很大提高。

（2）芯體豎直放置機(jī)型的全熱回收效率整體高于芯體水平放置的機(jī)型。換熱芯體水平放置使鋁箔芯體在噴淋時(shí)由于水的重力作用導(dǎo)致只有一面布液，回風(fēng)入口側(cè)的溫度高于與之換熱的新風(fēng)溫度，新風(fēng)被回風(fēng)加熱，形成熱短路，熱回收作用被抵消。

（3）循環(huán)噴淋水溫和水量對(duì)于新風(fēng)出口狀態(tài)基本沒(méi)有影響，說(shuō)明噴淋水的主要熱交換形式是蒸發(fā)潛熱，且噴淋水量總是過(guò)量的。

（4）提出了比節(jié)能率的概念及表達(dá)式，該指標(biāo)可以表征應(yīng)用IEC加顯熱回收芯體的新風(fēng)換氣機(jī)在不同地區(qū)的綜合節(jié)能情況。