環(huán)境濕度對(duì)全熱交換器新風(fēng)風(fēng)量影響的研究

翁俊杰，高英杰

（1.威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510000；2.中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)，北京 100037）

引言

全熱交換器是一種通過(guò)通風(fēng)換氣實(shí)現(xiàn)新風(fēng)和排風(fēng)之間同時(shí)產(chǎn)生顯熱和潛熱交換的裝置。按照裝置風(fēng)量驅(qū)動(dòng)設(shè)備分類可以分為帶風(fēng)機(jī)型和不帶風(fēng)機(jī)型，按照工作狀態(tài)分類可以分為旋轉(zhuǎn)式和靜止式。由于旋轉(zhuǎn)式全熱交換器在工作其間可能發(fā)生新風(fēng)和排風(fēng)的直接混合現(xiàn)象，所以目前戶內(nèi)使用的產(chǎn)品多為帶風(fēng)機(jī)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(nèi)部結(jié)構(gòu)采用鈑金件進(jìn)行連接，其核心部件是能量交換芯體。經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，能量交換芯體逐步發(fā)展成由各種復(fù)合材料制成，目前以復(fù)合纖維材料、復(fù)合聚脂材料、復(fù)合生物材料等為主，其結(jié)構(gòu)具有能讓分子直徑較小的水蒸氣分子通過(guò)，而其他如CO2、PM2.5等分子直徑較大的氣體或細(xì)微固體等無(wú)法通過(guò)的特點(diǎn)。新風(fēng)和排風(fēng)通過(guò)在全熱交換器芯體內(nèi)的溫度交換和濕度交換，使房間達(dá)到既能通風(fēng)換氣保證室內(nèi)空器質(zhì)量，又能保持室內(nèi)溫濕度穩(wěn)定的效果。

1 全熱交換器能量交換原理及參數(shù)方程

在全熱交換器運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)和室外的空氣能量交換主要通過(guò)新風(fēng)和排風(fēng)在能量交換芯體中的傳熱和傳質(zhì)實(shí)現(xiàn)。作為全熱交換器的核心部件，能量交換芯體中透析膜兩側(cè)的新風(fēng)和排風(fēng)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(zhì)作用。芯體的流道結(jié)構(gòu)較常見(jiàn)的有三角形、長(zhǎng)方形、正方形，其中三角形芯體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

流道氣體處于層流充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，沿程壓降△p的公式如下[1]：

根據(jù)伯努利方程得出的風(fēng)速與壓力關(guān)系，風(fēng)壓Pw的公式如下：

全熱交換芯體的阻力Fp計(jì)算公式如下[2]：

新風(fēng)風(fēng)量為流經(jīng)新風(fēng)出口截面積S與風(fēng)速v的乘積，用下式表式：

式中：

f—阻力系數(shù)；

L—流道沿程長(zhǎng)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(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程

2.1 風(fēng)量測(cè)試要求

目前對(duì)全熱交換器進(jìn)行性能評(píng)價(jià)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21087-2007測(cè)試產(chǎn)品風(fēng)量、有效換氣率、焓交換效率等指標(biāo)。對(duì)于關(guān)鍵性能指標(biāo)之一“風(fēng)量”進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，可按照標(biāo)準(zhǔn)[3]表1規(guī)定的工況進(jìn)行測(cè)量，并要求實(shí)際測(cè)得風(fēng)量應(yīng)大于名義值的95 %。

標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試工況表明，風(fēng)量測(cè)量是在一定范圍的干球溫度下進(jìn)行，但是對(duì)于濕球溫度沒(méi)有規(guī)定，即測(cè)試過(guò)程中空氣相對(duì)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(duì)采用不同芯體材質(zhì)的全熱交換器的實(shí)際風(fēng)量產(chǎn)生較大的影響。

圖1 三角形芯體結(jié)構(gòu)

圖2 被測(cè)全熱交換器結(jié)構(gòu)圖

表1 全熱交換器風(fēng)量測(cè)試工況

2.2 測(cè)試方案及結(jié)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(jìn)行風(fēng)量測(cè)試，樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，樣機(jī)在新風(fēng)出風(fēng)隔室和排風(fēng)出風(fēng)隔室裝有相同風(fēng)機(jī)，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(fù)合纖維制成，為三角形通道結(jié)構(gòu)；2#芯體的支撐件為樹(shù)脂材料，透析膜采用復(fù)合纖維制成，為三角形通道結(jié)構(gòu)；3#芯體的支撐件和透析膜采用復(fù)合聚脂材料制成，為三角形通道結(jié)構(gòu)。

為了使測(cè)試結(jié)果便于比較，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21087-2007中的規(guī)定，將新風(fēng)進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)進(jìn)風(fēng)干球溫度設(shè)定為相同，每次僅調(diào)整濕球溫度，樣機(jī)風(fēng)速檔位都設(shè)定為高風(fēng)檔。風(fēng)量測(cè)試結(jié)果如表2、表3、表4所示。

將表2、表3、表4測(cè)得的相對(duì)濕度與新風(fēng)風(fēng)量數(shù)據(jù)放在一個(gè)坐標(biāo)平面，能夠繪制趨勢(shì)圖如圖4所示。

對(duì)比風(fēng)量測(cè)試結(jié)果中各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，被測(cè)樣機(jī)配用1#和2#芯體進(jìn)行風(fēng)量測(cè)試時(shí)，在維持環(huán)境溫度不變而調(diào)整環(huán)境濕度的工況條件下，空氣中相對(duì)濕度越大，樣機(jī)的風(fēng)速越小，樣機(jī)的風(fēng)量也隨著相對(duì)濕度的增加而減小；配用3#芯體進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在維持環(huán)境溫度不變而調(diào)整環(huán)境濕度時(shí)，樣機(jī)風(fēng)量幾乎沒(méi)有變化?？傮w而言，被測(cè)樣機(jī)配用1#芯體進(jìn)行測(cè)試時(shí)風(fēng)量受環(huán)境相對(duì)濕度影響較為明顯，配用2#芯體進(jìn)行測(cè)試時(shí)風(fēng)量受環(huán)境相對(duì)濕度影響相對(duì)較小，配用3#芯體進(jìn)行測(cè)試時(shí)風(fēng)量幾乎不受環(huán)境相對(duì)濕度影響。

圖3 被測(cè)樣機(jī)的3種不同能量交換芯體

圖4 被測(cè)樣機(jī)環(huán)境相對(duì)濕度與新風(fēng)風(fēng)量趨勢(shì)圖

表2 全換交換器配用1#芯體測(cè)試結(jié)果

表3 全換交換器配用2#芯體測(cè)試結(jié)果

表4 全換交換器配用3#芯體測(cè)試結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

從以上測(cè)試結(jié)果可以看出，全熱交換器在配用不同能量交換芯體，環(huán)境濕度的變化對(duì)風(fēng)量測(cè)試結(jié)果影響不同。由于采用同一被測(cè)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，樣機(jī)外殼和鈑金件均為金屬制品，在相同干球溫度不同相對(duì)濕度下進(jìn)行測(cè)試時(shí)外殼和鈑金受環(huán)境溫濕度的影響幾乎可以忽略，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果差異的主要原因在于全熱交換器的能量交換芯體。新風(fēng)空氣和排風(fēng)空氣在流經(jīng)能量交換芯體的過(guò)程中，在芯體復(fù)合膜兩側(cè)的新風(fēng)和排風(fēng)存在溫度交換和水分交換，芯體復(fù)合膜的材料特性和傳導(dǎo)特性將對(duì)流體傳熱傳質(zhì)和流速有明顯的影響；同時(shí)，芯體的結(jié)構(gòu)，如微孔支撐件的構(gòu)造、孔徑、孔分布也會(huì)對(duì)空氣流速產(chǎn)生影響[4]。

新風(fēng)通道可以視為如圖5的一個(gè)流道。樣機(jī)運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)出風(fēng)側(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)壓使新風(fēng)進(jìn)口的空氣通過(guò)芯體流入室內(nèi)。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(guān)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(dāng)能量交換芯體（如1#芯體）采用復(fù)合纖維材料作為透析膜和支撐件時(shí)，流經(jīng)芯體的新風(fēng)空氣和排風(fēng)空氣在膜兩側(cè)進(jìn)行熱量和水分的傳導(dǎo)和擴(kuò)散，復(fù)合纖維是親水性物質(zhì)，有利于水分子的透過(guò)，但與此同時(shí)，纖維膜和支撐件受水分影響而發(fā)生的形變也較大。通過(guò)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(dāng)纖維質(zhì)的芯體在受濕空氣影響時(shí)，纖維膜和支撐件吸收水分膨脹變厚，空氣流經(jīng)的通道變窄，因直徑減小導(dǎo)致壓力損失變大。所以，采用纖維材質(zhì)芯體的全熱交換器此時(shí)新風(fēng)出口流道1-1＇中的壓力P1變小，根據(jù)公式（2）伯努利方程風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系成正比，可以得出新風(fēng)出口的風(fēng)速將減小，在新風(fēng)出口面積不變的情況下，根據(jù)公式（4），樣機(jī)新風(fēng)出口風(fēng)量將變小。

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

圖5 新風(fēng)流道近似圖

當(dāng)采用復(fù)合聚酯材料制作能量交換芯體的透析膜和支撐件時(shí)，因聚酯材料幾乎不會(huì)受濕空氣影響而導(dǎo)致芯體流道形變，所以最終樣機(jī)新風(fēng)出口風(fēng)速和風(fēng)量也不會(huì)受到明顯影響。

4 結(jié)論

本文對(duì)采用復(fù)合纖維制成透析膜和支撐件的能量交換芯體、采用復(fù)合纖維制成透析膜和復(fù)合聚酯材料制成支撐件的能量交換芯體以及采用復(fù)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(jìn)行不同環(huán)境濕度下的風(fēng)量測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表示，復(fù)合纖維材質(zhì)制成的能量交換芯體在環(huán)境空氣濕度變大的情況下，流道形變較復(fù)合聚酯材料制成的芯體更大；環(huán)境空氣濕度變大將引起復(fù)合纖維芯體流道的孔徑變小，從而導(dǎo)致芯體中流道沿程阻力變大，風(fēng)壓損失變大，最終導(dǎo)致樣機(jī)新風(fēng)出口風(fēng)量將隨環(huán)境濕度的增加呈現(xiàn)不同程度的減小。