管式换热器设计
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全热换热器应用于空调系统节能的研究进展点击：2060 日期：[ 2014-04-26 21:53:30 ] |
| 全热换热器应用于空调系统节能的研究进展 杨光 汤广发 熊帅 卢继龙 湖南大学土木工程学院建筑环境与设备工程系 中南大学土木建筑学院 汤莉 摘要：空调系统的大量使用导致了空调能耗所占社会总能耗的比重越来越大。因此，降低空调系统的能耗对降低建筑物耗能、节约能源有重要意义。全热交换器是一种可以降低空调负荷、节约系统能耗、提高系统效率的高效节能产品。它有效地解决了改善室内空气品质与空调节能之间的矛盾，在空调系统节能领域中是不可替代的。 关键词：空调 节能 全热换热器 1.我国空调节能的背景和意义 近年来，民用空调普及率极大提高。以上海为例，在1978---1996年间，高层建筑增加了十几倍。在这些新建建筑中，一般都安装大型集中式空调系统，而在大多数的改建项目中，增加或改造集中式空调系统也成了改造计划中的重要内容。建筑空调已经成为现代社会所必需的，可显著改善人们生活环境，提高生活质量。 但是从总体上看，我国目前的经济增长模式还是粗放型的，主要表现为资源利用率较低。空调作为耗能大户，与能源供应紧张特别是当前电力供应紧张有着密切的关系。随着空调的迅速普及，空调用电负荷逐年猛增，至2003年底，空调能耗已占全国耗电量的15%左右。在夏季用电高峰时段，空调用电负荷甚至高达城镇总体用电负荷的40%左右，大大增加了电网的负担。到2020年我国空调高峰负荷节电空间约9000万KW，相当于5个三峡电站的满负荷容量，相应可减少电力建设投资4000亿元以上。 降低空调系统的能耗对于减少建筑系统的能耗、缓解当前电力供应紧张状况、优化能源结构、提高能源利用效率等方面都有着非常重要的意义。 2.全热换热器在我国应用现状 众所周知，增大新风量稀释室内空气中有害气体的浓度是改善室内空气品质最直接，最有效的方法之一。因此，国内相关规范和标准均规定了室内最小新风量，并逐年有所提高。2003年颁布执行的《 室内空气质量标准》，对室内新风量做出了明确的规定。2003年出版的《 全国民用建筑工程设计技术措施（ 暖通空调·动力）》分册也对各类建筑物的最小新风量标准做出了重大调整。新风量的增大虽然显著地改善了室内空气品质，但也导致新风负荷相应增加，使提高室内空气品质与空调节能之间的矛盾更加突出。 全热换热器是一种高效节能产品，它可以利用排风中的能量来预冷（ 预热）引入室内的新风，在新风进入室内或空调机组的表冷器进行热湿处理之前，降低（ 增加）新风焓值，减小空调系统50%--80%的新风负荷。它的使用可以有效降低空调系统负荷，提高空调系统运行效率，减小空调系统设备装机容量，大大节省空调系统能耗和运行费用。全热换热器有效地解决了提高室内空气品质与空调节能之间的矛盾，在空调系统节能领域中具有不可替代的作用。 《 民用建筑热工设计规范》中规定：凡是空调面积在300m2以上的建筑，空调系统应选用匹配的热回收设备，利用空调排风中热量或冷量的总回收效率应达到40%---50%；国家质量监督检验检疫总局和建设部颁布的《 旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准》中规定：凡是在客房部分设置独立的新排风系统建筑，宜选用全热或显热交换器，其额定回收效率应不小于60%。 但是通过对几个大城市的集中式空调系统进行的调查发现：现有的空调系统中，绝大多数没有安装全热换热器等能量回收装置，致使冬季排风中的热量和夏季排风中的冷量被浪费，一些安装了空气热回收装置的空调系统由于运行管理不合理，未能达到应有的效果，加热和冷却室外新风的能耗相当大。 在西方经济发达国家，全热换热器作为一种性能优良的节能产品已经被广泛应用于各种类型空调系统当中。而在我国，全热换热器一直未能得到推广和普及，究其原因主要是由于： 1)国产全热换热器的热湿交换材料性能不佳，换热效率低，用国产纸的换热效率在40%左右，但价格不菲。如果需要提高国产全热换热器的效率则必须使用进口纸，而进口的材料和全热换热器，虽然效率高于国产的，但是价格较高。因此，迄今为止，国内全热换热器市场是：国产全热换热器整体性能不高，价格居高不下；而进口全热换热器的价格属于“ 天价”，大多数工程不用，因此大大制约了全热换热器在我国的推广和普及。 2)迎面风速对传统芯材全热换热器影响很大，往往需要将迎面风速控制很低，才能使产品的热回收效率达到相关规范中规定的下限值，因此产品体积庞大。当受到建筑条件限制时，体积庞大的全热换热器将无法安装。 3)设计师对全热换热器在空调系统中的应用形式和设计方法没有全面的认识和深入的了解，采用全热换热器的空调系统与常规空调系统相比，系统要复杂的多，不但需要全面了解全热换热器的结构、性能、尺寸，才能正确进行设计。而且如何处理好新风、回风、排风和送风的关系，存在相当的难度，因此不少设计师望而却步。 4)缺乏系统的全热换热器节能分析软件，设计师和用户都无法简便地评价使用全热换热器的空调系统经济性和节能性，因此无法确定在空调系统中安装全热换热器是否经济合理。 因此，开发性能优良的全热换热器热湿交换材料，进而研制出一系列高效全热换热器产品，是全热换热器在我国推广和普及的必要前提。与此同时，也应该进一步加强全热换热器在空调系统中应用方面的研究，对全热换热器在空调系统中应用形式进行归纳和总结，优化带全热换热器空调系统的系统设计方法，并全面、系统地评价全热换热器在空调系统中节能效果。 3.全热换热器种类和特点 转轮式全热换热器和板翅式全热换热器是两种最常见的全热换热器产品。转轮式全热换热器开发较早、技术较成熟，以其热湿交换效率高、性能较稳定等特点成了全热换热器的主流产品。但是，由于其自身所带的运动部件需要消耗一定的能量，而且由于结构固有缺陷，空气泄漏和芯体污染问题仍然无法避免，因此它作为节能产品，其综合效果受到了一定的影响。 转轮式热交换器主要由转芯、传动装置、自控调速装置及机体构成。转芯是转轮式全热交换器的主体，它可以采用各种不同材料和工艺制成。目前成熟的做法是采用铝箔或合金钢作为基本材料，添加硫酸钠、氯化钠和氯化锂等吸热剂和吸湿剂以及增加强度的胶料加工而成；也有采用硅酸盐类物质烧结而成的复合材料制作的。转轮呈蜂窝状，外形成轮形并转动。在换热器旋转体内，设有两侧分隔板，上半部通过新风，下半部通过室内排风，使新风与排风反向逆流。转轮以8---10r/min的速度缓慢旋转，把排风中冷热量收集在覆盖吸湿性涂层的抗腐蚀铝合金箔蓄热体里，然后传递给新风。空气以2.5---3.5m/s的流速通过蓄热体，靠新风与排风的温差和水蒸汽分压差来进行热湿交换。所以，它既能回收显热，又能回收潜热。其工作原理和处理过程的焓湿图见图 1、图2。 转轮式热交换器具有自净和净化功能。蓄热体是由平直形和波纹形相间的两种箔片构成，其相互平行轴向通道，使内部气流形成不偏斜的层流，避免了随气流带进粉尘微粒堵塞通道的现象。光滑的转轮表面及交替改变气流方向的层流，确保了蓄热体本身良好的自净作用。轮体外壳上连接了1个净化扇形器，当转轮从排气侧移向新风侧时，强迫少量新风经过扇形器，将暂时残留在蓄热体中的污物又冲入排气侧，防止了臭味、细菌向新风转移，对转轮体起到了净化作用。为了保护又薄又软的铝箔芯片不受磨损，必须在设备入口端设置空气过滤器。转轮式热交换器具有自控能力。转轮体附带的自动控制装置可以适应外界环境的变化，随时改变转速比，保证进入新风处理机前空气温湿度的设定值，使换热器能够全年经济运行。 板翅式全热换热器由于无运动部件，空气泄漏和芯体污染问题可完全避免，因此“ 9·11”之后，这种形式的全热换热器成了西方经济发达国家的研究重点，如果其全热交换效率能达到或超过转轮式全热换热器，其迎风面风速可以进一步提高，则板翅式全热换热器完全有可能全面替代转轮式全热换热器。板翅式全热换热器主要内部结构为1个板翅式换热器，其结构与板式换热器相似，只是在平板间通道内加装许多锯齿形、梯形等翅片，通常由铝材制成，它只能进行显热交换。全热式板翅换热器的隔板材质采用特殊加工的纸或膜，这种特殊材料具有良好的传热和透湿性，而不透气。当隔板两侧气流之间存在温差和水蒸汽分压差时，两股气流之间就产生传热和传质过程，进行全热交换。其结构见图3。 由图1可知，当室内空调排风和新风分别呈正交叉方式流经换热芯体时，由于分隔板两侧气流存在着温差和蒸汽分压差，两股气流通过分隔板时呈现传热传质现象，引起全热交换过程。 夏季运行时，新风从空调排风获得冷量，使温度降低，同时被空调风干燥，使新风含湿量降低；冬季运行时，新风从空调室排风获得热量，温度升高，同时被空调室排风加湿。这样，通过换热芯体的全热换热过程，让新风从空调排风中回收能量。 4.全热换热器的适用性特征及研究成果 全热交换器要在常温状态下保证有较高的热湿交换效率，取决于它所采用的芯体材料。因为采用一种既易于吸湿又易于解吸的芯体材料，就能够保证交换器在空气调节系统中有较高且连续的换热传湿效率，且无交叉污染。当采用高效芯体材料的全热交换器应用于北方地区的时侯，还可以使室外空气在进入室内时被加湿；而用于南方地区时，又使室外空气在进入室内时被减湿，并与排气进行换热，从而实现热湿的转移与交换，机内不会产生冷凝水析出现象。 从焓湿图中可以分析出，空调排风中可供回收的余热中潜热占很大部分，尤其在夏季，室外空气中潜热量明显要大于显热量，而在潮湿的室外空气条件下更是如此。因此，对于以湿热天气为特征的长江中下游地区使用全热交换器尤其适合。下面对两种常见全热换热器的优缺点做一分析。 4.1 全热换热器的适用性特征比较 4.1.1 转轮换热器的优点 1）既能回收显热，又能回收潜热； 2）排风与新风交替逆向流过转轮，具有自净作用； 3）通过转速控制，能适应不同的室内外空气参数； 4）回收效率高，可达到70%---80%； 5）适应较高温度≤80℃的排风系统。 4.1.2 转轮换热器的缺点 1）装置体积较大，占用建筑空间也较大。为了保证蓄热体高效率的性能，充分发挥热湿交换回收作用，限制了转轮的迎面风速，导致单位负荷转轮断面相对较大，使装置占用建筑空间过多。 2）转轮式换热器将送风和排风的接管位置固定，使系统难以灵活布置。 3）有传动设备，自身需消耗动力。 4）压力损失较大。因受旋转芯体密集结构及旋转变化通道的影响，气流压降较大，一般为25Pa。 5）由于送风与排风之间存在压差，气体相互有少量渗漏，无法完全避免交叉污染。 为了防止空气中的尘埃阻塞板翅式换热器，在送风和排风的入口端都应安装空气过滤器。同时为了防止结露和结霜等现象的发生，对进入换热器的空气环境有一定的限制： 温度：-10℃—+40℃； 湿度：低于80%； 温差：在通常的室内通风范围内。 4.1.3 板翅式换热器的优点 1）传热效率高。由于翅片对流的扰动，使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时所采用的材料（ 一般为铝）具有高导热性以及较小的当量直径，所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率，空气在强迫对流下的换热系数可达350W/m2·℃。 2） 结构紧凑。单位体积内的传热面积一般都能达到1500--2500m2/m3，最高可达5000m2/m3。就单位体积的传热面积而言，板翅式换热器为翅片管式换热器的2--5倍。 3）轻巧而牢固。由于翅片很薄，一般为0.2--0.3mm，换热器的结构紧凑、体积小，换热器一般全部用铝制造，因而重量很轻，同时翅片既是主要的换热表面又是两隔板的支撑，因此强度很高。例如用0.7mm厚的平隔板和0.2mm厚的翅片制成的板翅式换热器能承受4MPa表压的负荷。 4）适应性强。可用于气体—气体、气体—液体、液体—液体之间的热交换，也可用于存在相变的场合如冷凝与蒸发，这种换热器可在逆流、顺流、错流等流动情况下使用。 5）经济性好。由于结构紧凑、体积小，采用铝合金材质制造，其重量很轻，制造成本低。 4.1.4 板翅式换热器的缺点 1）换热效率小于转轮式换热器。 2）流动阻力较大，传热系数与压降之间的优选问题尚待解决。 3.）耐温、耐压并可长期使用的密封垫片需要进一步开发。对于以湿热天气为特征的长江中下游地区使用全热交换器尤其适用。对于像上海那样的海洋性气候，室外空气比较潮湿，可供回收的热量中潜热部分比重很大，因此采用全热交换器比显热交换器更为有利。 4.2 全热换热器的研究成果 在市场需求的推动下，近年来板翅式全热换热器的研究逐渐受到国内外同行的重视。通过对近年来有关板翅式全热换热器的研究成果进行分析可以发现，这些研究大致可以分为两大类。 4.2.1 对板翅式全热换热器本身性能优化进行的理论和实验研究。L.Z.Zhang等人对亲水膜芯材的传热传湿机理进行了系统研究，在七大基本假设的基础上，对透湿膜式板式全热交换器的传热传湿基本方程式、数学模型边界条件、亲水膜芯材边界层的传热传湿机理等进行了深入研究和模拟分析。YinPingZhang教授对透湿膜材料的传热传湿机理进行了研究，通过严格的理论推导建立了膜式板式全热交换器的数学模型。文献[9]从产品研制的方向、目的、方法和实验研究等方面详细介绍了一种新型板式全热交换器的研制过程。通过试验测试数据显示，这种板式全热交换器显热效率可达72.7%，全热效率可达55.7%。文献[10]对板翅式全热交换器在不同运行工况下的性能进行了试验研究，得出了运行工况和性能参数之间的变化曲线。通过试验发现：板翅式全热交换器的热交换效率随着所通过风量的增大而下降，压降却随风量的增大而增加，而且显热效率随风量的变化更具有线性关系；潜热效率随着排风和新风湿度差的变化而变化，当湿度差较大时，潜热效率随湿度差增大而增大的趋势比较明显；显热效率随着温度差的增大而有所增加，但是增加的幅度不明显。 这些研究揭示了板翅式全热换热器的热湿交换和节能机理，为板翅式全热换热器的开发和应用提供了理论基础，也为板翅式全热换热器的性能提高和改进提供了有益的参考和借鉴。 4.2.2 对使用全热换热器的空调系统进行节能分析及优化控制 一方面是优化带全热换热器空调系统的设计和控制方法，提高全热换热器在空调系统中的能量回收效果；另一方面是对使用全热换热器的空调系统进行能耗分析，并分析各种因素对全热换热器节能效果的影响。 YinPingZhang和J.L.Niu通过研究发现，使用膜式全热换热器比使用显热换热器具有更大的优势。他们开发的模型软件显示，香港地区使用膜式全热换热器每年可以节省58%的新风能耗，而使用显热换热器只能节省10%的新风能耗。从分析中得出，使用空气能量回收装置和变新风的空调系统节能与否和节能的多少与空气处理过程和室外气象条件相关。还对全国不同气候区的代表性城市使用空气能量回收装置和变新风量的节能效果进行了模拟分析。 这些研究对使用全热换热器的空调系统节能性分析和系统设计优化提供了工具，为不同空调系统合理选用空气能量回收装置提供了有益参考，也为进一步开发不同类型全热换热器的数学模型提供了借鉴。 5.结语 能源供应紧张已经成为一个世界性的问题。空调作为能耗大户，采取必要的节能措施降低其能耗已是势在必行。全热换热器作为一种重要的节能产品，在中国乃至国际市场上都具有极大的市场潜力。对于国内市场来说，目前传统的国产全热换热器低下的换热效率、居高不下的价格、庞大的体积、高的空气阻力、不合理的结构形式已经成为制约全热换热器在我国推广和普及的重要因素。 针对以上制约因素，建议全热换热器的研发单位围绕全热换热器结构优化和高性能全热换热器芯材的国产化两大主题，对全热换热器的结构优化过程、新型芯材开发过程和性能做对比试验，尽早研发出适合我国国情的全热回收产品，进一步推动我国空调系统的节能。（责编：罗增润） 参考文献 1.龙惟定，胡欣.上海公用建筑能耗现状及节能潜力分析.见：19984年全国暖通空调制冷学术年会论文集"+北京：中国建筑工业出版社.1998.166---168. 2.周石清，刘惠，王亮，等.提升中国建筑空调能效水平的必要性和技术可行性2004.10.26. 3.吴天.解读空调26度.2004.07.05. 4. 国家质量监督检验检疫总局，国家环境保护总局，卫生部.室内空气质量标准.北京：中国标准出版社，2003 5.中国建筑科学研究院.民用建筑热工设计规范.北京：中国标准出版社，2002 6.中国建筑科学研究院.旅游旅馆建筑热工与空气调节的节能设计标准.北京：中国标准出版社，2003 7.王强.空气能量回收装置在变新风量系统中的应用研究：[学位论文].北京：北京工业大学，2003 8.程珈宁.关于客房排气的热回收系统.暖通空调，2001.31（2）：50--51 9.代伯清，汪莉.铝+纸高效板式空气—空气全热新风交换器的研制"建筑热能通风空调，2003.22（5）：12--13 10.汪妇欢，次晋芳.板翅式全热交换器运行条件对性能影响的研究.制冷空调与电力机械，2004.26（93）：29--32 |
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