空调系统排风热回收

1 绪论
随着社会的快速发展，人们生活水平的日益提高，空调在人们生活中得到普遍的应用。

但是这又带来了新的问题：一方面，随着经济的快速发展，能源的短缺日益严重，空调行业作为建筑物的主要的能耗之一，其节能性和经济性已越来越受相关机构和人士的重视；另一方面，伴随人们健康意识的提高，对室内空气品质的要求也越来越高。

如何在满足人们对室内空气品质要求的同时节省空调的投资和运行费用，是很多人都很关心的问题。

使用排风热回收装置，利用排风中的冷热量来对新风进行预处理，就可以在节能的同时增加室内的新风，提高室内空气品质。

这无疑是解决上述问题的一个很好的举措。

1.1 排风热回收装置产生的背景
1.1.1 节能与经济的需要
随着我国经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，对生活环境的舒适度也要求越来越高，空调系统及其设备已经成为人们生活中的一部分，并成为人们舒适生活、正常生产的重要保证。

空调作为建筑物的主要的能耗之一（可高达总能耗的40％），其节能性和经济性已越来越受相关机构和人士的重视。

在一些欧美国家，建筑能耗中的采暖、通风和空调的耗能占全国总能耗的30%，在我国也达到20%左右，高级民用建筑的中央空调耗能可以达到建筑总耗能的30%一60%[1]。

而且随着我国住宅业的快速发展及空调普及率的大幅度提高，势必造成空调用电和能耗的迅速增加[2]。

由于空调具有使用时间集中、季节性负荷大的特点，更加重了峰谷电量差距的矛盾，电网负荷率下降，造成电力设施的资源浪费。

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。

在建筑物的空调负荷中，新风负荷一般要占到空调总负荷的30%甚至更多[3]。

在常规空调中，排风不经过处理直接排至室外，未免造成其中的冷热量能量的浪费，如果能将这一部风能量加以回收利用则可以大大节省能源。

用排风中的余冷余热来预处理新风，不仅可以减少处理新风所需的能量，还可以降低机组负荷，提高空调系统的经济性。

当把空调房间的热量排放到大气中时，既造成城市的热污染，又白白的浪费了能量。

有效的利用能源，把排掉的能量充分利用起来，节约有限的能源，是非常必要的。

1.1.2 室内空气品质的保证
另一方面，随着人民生活水平的提高，建筑物的室内空气品质越来越被人们所重视。

20世纪70年代以来的能源危机使人们开始意识到建筑节能的重要性，此后的建筑物就开始向更为节约的方向发展，为了使建筑热损失减小，建筑维护结构就更为紧密，由门窗缝隙的进风量大大减少。

这样一来，由于室外空气换气的减少，室内的空气品质开始有所下降。

20世纪以来，人们在室内活动的时间越来越长，特别是老人和儿童，有的可达全天的90%以上。

而由于室内空气品质不好所导致的病态建筑综合症(SBS)会使得人们的身心健康和工作效率受到很大的影响，因此室内空气品质(IAQ )逐渐成为人们所关注的问题。

美国疾病控制中心的数据图表显示，在20世纪80年代，由于恶劣的室内空气品质导致因哮喘死亡的人数上升了46%。

在空调设计中，保证建筑物足够的新风量以满足室内空气品质的要求是必需的。

为了保证室内的空气品质，一般的空调系统都要设计新风系统来稀释室内的有害物。

对于建筑物内的新风量的规定随着建筑物本身的密封性和人们对室内空气品质了解和重视程度的变化也在不停的变化。

为此，《ASHRAE标准62- 1989》中提出了两个改进措施：①将设计新风量增大到原来的2-4倍；②建筑物内空气相对湿度保持在30%-60%。

随后的《ASHRAE标准62-1989R》进一步提出了同时考虑人员和建筑物污染的最小新风量计算方法。

经过多方讨论和研究，1999年颁布了以这两个标准为基础的《ASHRAE标准62-1999》。

这一标准己成为当前合理确定空调系统中最小新风量的较为成熟的依据[4]。

另外，在一些特殊的场合，如医院、商场、剧院、体育馆、会议室等人员密集的地方，或是如吸烟室、洁净室等对室内的通风
和空气品质有更高要求的地方，新风的需求量则更大，有的甚至要求全新风。

这样的话，由新风所带来的负荷就非常大了，会成为整个系统能耗的主要部分。

而如果能够将系统排风中的能源加以利用，用其来预处理近来的新风，就可以在节约能源的同时保证甚至加大室外新风量，这对人们的健康来说无疑是件好事。

对空调机组排气进行热回收也是切实可行的。

夏季，白天排风温度低于室外新风温度，室内含湿量也低于室外新风含湿量。

利用热回收对排风和新风进行热交换，可以降低新风温度和湿度。

冬季，排风温度高于室外新风温度，排风含湿量高于室外新风含湿量，热回收可以利用排风热量预热和加湿新风。

正是由于上述原因，排风热回收装置应运而生。

在许多节能标准中明文规定，建议使用排风热回收。

《旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准》中规定：“凡在客房部分设置独立的新排风系统的建筑，宜选用全热或显热热回收装置，其额定热回收效率应不低于60%。

”《民用空调建筑节约用电的若干规定》中也规定：“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，利用空调排风中的热量或冷量，总的热回收效率应达到40%-50%。

”在新近颁发的《公共建筑节能设计标准》中也对排风热回收进行了相关的规定，并强调凡设计有独立的新风和排风系统的场合，应认真考虑回收排风中冷热量来预冷热新风的措施。

1.2 排风热回收装置的发展
排风热回收技术在国外已经比较成熟。

在美国和加拿大，这一方面的研究从几十年前就已经开始了。

现在已有比较完整的研究体系，还有专门的热回收组织。

且相关排风热回收的产品已广泛的应用于各种家用住宅和商用建筑，各种类型的热回收设备也已经面向市场全面销售。

国外的一些组织和机构还出台了相关的技术规范标准（如ASHRAE Standard 84-1991、 ARI Standard 1060-2005等）。

这些标准不仅给出了排风热回收装置和系统中的一些重要参数的定义，还给出了对于各种不同热回收装置的热回收效率进行测量的实验条件（包括冬、夏季的测试环境条件）、实验设备仪器、测试程序和方
法步骤，以及如何对数据进行处理等，并给出了热交换器标准化的效率计算公式等[5]。

排风热回收在国内刚刚起步，这方面的研究不是很多，不过也有一定得成果。

国内目前已研制成功蜂窝状铝膜式，热管式等显热回收器，以及可同时解决夏季全热回收的纸质和高分子膜式透湿型全热回收器。

介于热回收对节能的强大的潜力，我国在这一方面还要有更多的研究才是。

不过就国内现在有的使用情况来看，还是有着比较好的回收效果和回收期的。

1.3 本章小结
本章指出了排风热回收装置具有节能性和改善室内空气品质的优点，并从全球能源危机、空调能耗过大及人们对室内环境的重视情况提出了排风热回收装置产生的背景和原因。

指出了这一装置在国内外的发展状况，并指出国内需要加强这方面的研究力度。

2 排风热回收系统介绍
在空调系统中，为了维持室内空气量的平衡，送入室内的新风量和排出室外的排风量要保持相等。

由室外进入的新风通过一些空调段的处理（冷却、加湿、加热等）到合适的状态才能被送入室内，并使室内最终达到的计状态点。

这样，新风和排风之间就存在一种能耗，一般称之为新风负荷。

新风量越大，需要被处理的空气越多，则新风负荷就越大。

新风负荷一般所占比例较大。

而对于常规的空调系统，排风都是不经过处理而直接排至室外，结果这一部分的能量就被白白的浪费掉。

如果我们利用排风经过热交换器来处理新风（预冷或预热），从排风中回收一些新风能耗，就可以降低新风负荷，从而降低空调的总能耗。

2.1 排风热回收装置工作原理
图2-1 带排风热回收装置的空调系统
图2-1是典型的带排风热回收装置的空调系统的示意图。

如图所示，从空调房间出来的空气一部分经过热回收装置与新风进行换热，从而对新风进行预处理，换热后的排风以废气的形式排出，经过预处理的新风与回风混合后再被处理到送风状态送入室内。

多数时候仅仅靠回风中回收的能热量还不足以将新风处理至送风状态点，这时需要对这一空气进行再处理，图中的辅助加热/冷却盘管就是起这个作用。

如果室内外温差较小，就没有必要使用排风热回收。

所以在新风的入口处设置了一个旁通管道，在过渡季节时将其打开。

2.2 排风热回收装置效率
图中的1、2、3、4点分别代表新风入口、新风经排风热回收预处理后的出口、排风经预处理前的入口、排风出口这四个状态点。

用X 表示气体在各个点的参数，则热交换器的效率可以表示如下[3]：
12min 13()()s m X X m X X −ε=
− （2-1）
其中， ε――热交换器的效率，
X 1――室外新风的状态参数，
X 2――新风经预处理后的状态参数，
X 3――室内排风状态参数，
X 4――排出废气的状态参数，
m s ――送风的气流量，
M min ――送风和排风中较小的气流量。

根据热交换器种类的不同，可大致将其分为显热热交换器和全热热交换器。

前者只是利用新风和排风之间的温差进行传热，仅是热量的传递；后者不仅有热量的传递，还有湿量的转移。

根据不同的热交换器，就存在显热效率（温度效率），湿度效率和全热效率（焓值效率）。

对于利用新风和排风温差进行热量回收的显热热交换器的效率可以表示如下：显热效率：12min 13()()
s m T T m T T Τ−ε=
− （2-2）其中， Τε――显热效率，
T 1――室外新风的温度，℃，
T 2――新风经预处理后的温度，℃，
T 3――室内排风温度，℃，
T 4――排出废气的温度，℃。

对于一个特定的显热交换器，其显热效率只取决于热交换器本身的结构及新风量和排风量，和新风及排风的参数无关。

如果已知新风量和排风量，根据排风温度、室外温度及显热效率即可算出新风经过预热或预冷后的温度值T 2。

对全热热交换器，同时传递显热和潜热，不仅有热量的传递，还有湿量的转移。

例如在夏季，新风的含湿量一般会大于室内排风的含湿量，这类热交换器能利用两者的含湿量的差将新风中较大的含湿量传递至排风，由排风带走。

这类热交换器存在两种效率：湿度效率：12min 13()()s d m d d m d d ε−=
− （2-3）全热效率：12min 13()()
s h m h h m h h ε−=
− （2-4）其中， d ε、h ε――湿度效率和全热效率，
d 1、h 1――室外新风湿度和焓值，
d 2、h 2――新风经预处理后的湿度和焓值，
d 3、h 3――室内排风湿度和焓值，
d 4、h 4――排出废气湿度和焓值。

全热交换量由显热和潜热共同组成，两者占的比例和它们的状态参数有关。

由于潜热效率和显热效率在并不一定相等，所以对于全热交换器而言，其全热效率不仅与新风量和排风量有关，还与新风参数和排风参数有关。

同样，如果已知新风量和排风量，根据排风焓值（含湿量）、室外焓值（含湿量）及全热效率（潜热效率）即可算出新风经过预热或预冷后的焓值h 2（含湿量d 2）。

在实际的应用中，以上的几种效率都无法用理论的方法来进行计算。

这些值都应由有关的厂家或是研究部门根据相关的测试规范来进行测量得出，并在产品的样本中给出。

2.3 本章小结
本章简要介绍了排风热回收装置使用时在系统中的安装位置，介绍了系统的运行原理，并再此基础上介绍了排风热回收装置进行热回收时的重要参数：换热效率。

介绍了其定义、分类及计算方法。

通过此章，即可了解装置的具体的工作原理和基本特性。

3 排风热交换器的种类
排风热回收装置的核心是其中的热交换器，因为针对的是空气之间的换热，一般被称为空气-空气热交换器。

根据热回收设备应用范围的不同可以将空气一空气热回收装置分为三类[6]：
(1) 工艺―工艺型：主要用于工艺生产过程中的热回收，起到减少能耗的作用，这也是一种典型的工业上的余热回收。

主要进行的是显热的回收，而且由于工作环境的关系，在这样的设备中需要考虑冷凝和腐蚀的问题。

(2) 工艺―舒适型：此类热回收装置是将工业艺中的能量用于暖通空调系统中。

它节省的能量较工艺―工艺型的要少，也是回收显热。

(3) 舒适一舒适型：这一类的热回收装置进行的是指排风与新风之间的热回收。

它既可以回收显热，也可以回收全热。

我们这里所讨论的是第三类热回收装置。

这一类热回收方式比较多，但归纳起来大致可分为两大类[7]：
(1) 显热回收装置。

(2) 全热回收装置。

显热回收装置只能回收显热，常见的有板式显热热交换器，热管式热交换器和中间热媒式热交换器；全热回收装置既可回收显热，又能回收潜热，常见的有板翅式热交换器、转轮式热交换器和热泵式热交换器。

下面将对这几种热交换器分别予以介绍。

3.1 板式显热热交换器
图3-1 板式显热热交换器的工作原理
空气-空气板式显热热交换器和常规的水-水板式换热器大致相同。

图3-1为板式显热热交换器的工作原理图。

如图所示，新风和排风交叉通过换热器进行热交换，然后分别送入室内和排出室外。

板式换热器具有不需要传动设备，不需消耗电力，设备费用低；结构简单，运行安全可靠；而且不需要中间热媒，没有温差损失的优点。

但是由于其设备体积较大，需要占用较大的建筑空间；而且其接管的位置相对固定，所以在实际应用布置时没有很好的灵活性。

在实际应用时要注意以下几点[8]：
(1) 在新风和排风进入换热器之前，应加设过滤装置，以免污染设备；
(2) 当新风温度过低时，排风侧会有结霜，要有一定的结霜保护措施。

如在换热器前安置新风预热装置。

3.2 热管式热交换器
热管式热交换器是一种借助管内工质的相变进行热传递的换热元件。

它传递的是显热。

图3-2热管式热交换器的原理图
上图是典型的热管结构图。

制作时先将管内抽成一定的负压，在此状态下充入适量的工质，将紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充入液体后加以密封[9]。

热管的基本工作原理是利用充在热管中的介质的相变过程，将高温热源端的热量传递给低温端。

即介质在高温端吸热，从液态变为汽态，汽态介质到达冷端后释放汽化潜热，变为液态，再通过吸液芯回流到热端，从而实现冷热端热交换的过程。

相变过程中冷热端基本上没有温差，因此热管从冷端至热端具有近似零热阻特性。

热管技术在化工、热电等高温热源热回收领域己有较为广泛的应用，现在在通风空调领域也渐渐的开始应用起来。

利用其极低的热阻特性，制成套片或翅片热管式热回收器，能够很好的回收排风显热，可以将其用在商场等地进行热回收[10]。

另外由于在布风均匀性、翅片凝结水排除、清洁方而均优于板式显热换热器，因此热管对高湿情况下显热回收是非常适用的，如某啤酒厂的灌装车间和某牛奶生产基地的前处理车间均采取通风除湿加热管热回收方法[11]。

与常规换热技术相比，热管技术具有如下重要特点[9]：
(1) 传热效率高。

热管具有很强的导热性，与银、铜、铝等金属相比，单位质量热管可以多传递几个数量级的热量。

因此热管换热器的效率往往可达到80%以上，可以有效地利用下业废热、太阳能、地热能等低品位能源和回收空调系统的新、排风之间的小温差能。

(2) 管壁温度具有可调性。

调整管壁温度，使冷端温度低于冷流体露点温度，达到回收显热和增强去湿、降低潜热负荷的目的，从而改善空调系统的效果。

(3) 具有恒温特性。

可变导热管的开发可以实现变工况情况下冷、热源的恒温
特性，既可以在热负荷或热源温度发生很大变化时，保持冷凝段或热汇的温度不变，又可成功地用于保持热管或热源温度不随热负荷或热汇温度的变化而变化。

热管的这种特性使其在空调工程中显示出其他换热方式所不具备的优势。

(4) 适应性较强。

由热管组成的换热设备的受热部分和放热部分结构设计和位置非常灵活，汇源分离的距离可以根据实际需要及所采用的热管性能来定，可以从几十厘米到100米，可以实现冷热流体之间零泄漏。

在空调下程中特别适用于有毒环境下的废热、余热回收。

此外，热管换热器还有安全可靠、阻力小、单向导热（热二极管）等特性。

热管换热器几乎没有什么机械障碍，属于一次间壁换热，热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时损坏，所以增强了设备运行的可靠性。

热管换热器非常适合回收各种连续生产工艺的余热作为空调的热源。

热二极管原理在太阳能、地热能利用及空调系统进排风热回收工程中有很重要的应用价值。

图3-3 热管式热交换器的种类
热管热交换器的外形图如图3-3所示。

热管通常分为重力式和水平式两种形式。

图3-3中（a）即为重力式，（b）（c）为水平式。

对重力式而言，热管的倾斜度对其传热性能有较大的影响。

如果热管的冷凝段的位置高于蒸发段，液态的工质就很容易回到蒸发段，热量的传递就能较好的连续运行；而如果冷凝段的位置低于蒸发段到一定的程度时，内芯的毛细作用将很难使工质回到蒸发段，将大大影响其换热效果。

当热管热交换器用于夏季和冬季两季的热回收时，冷凝段和蒸发段的部位应予
以互换。

这就对热管具有改变倾斜方向方面提出了要求。

正是由于这方面的原因，就有了水平式热管的产生。

水平式热管具有体积小、结构紧凑、节能效果更好的优点，对于对新风换气要求小的空调单元来说是一种较好的新型通风换气装置。

图3-4 热管工作原理示意图
上图是热管的工作原理示意图。

它是由多根独立的热管组合而成，沿气流方向热管排数通常为4~10排。

为了增大传热面积，管外加有翅片。

热交换器的中间设有隔板将其分成两个区；每个热管被分成两个部分，分别至于新风区和排风区中。

在排风区中热管中的工质回收排风中的冷热量，并改变自身状态回到另一端；再由热量工质将回收的冷热量传递给新风区中通过的新风，由此形成热量的转移，实现了热回收。

利用热管进行空调热回收时，温度范围一般为-20~+40℃。

在这个温度范围之内可以使用的管内工质有很多种，由于氨的传热性能好，热管温降小，并可以和许多材料相容，通常认为氨比较好。

另外，由于冷热空气温差较小，仅为十几度到二三十度，应选择热阻值较小的管材，为导热较好的铝或铝合金，且翅化比取较大值。

在国外，热管技术在空调中的应用已经渗透到了很多领域，它在大型集中空调中的应用已是一项成热的技术。

在日本，许多人的空调设备制造公司已将热回收技术广泛应用于工业及民用建筑的空调系统中[12]。

Mathur在空调系统的热回收方面有很多成果[13]~[15]。

他针对美国许多城市的气候条件对利用热管回收排风中的冷热量进行了研究，分析热管对空调系统运行时的峰值负荷的影响并计算所节省的能量。

为
了更好的计算热回收量，他还专门编制了一个预测热回收效果的模拟程序来计算实际的冷热负荷，并对其进行经济分析，结果得出结论：对现有空调系统加装热管换热器的简单改装费在不到一年的时间即能全部收回。

另外，他还对热管换热器使用直接蒸发冷却和间接蒸发冷却作了对比分析[16]~[19]。

通过试验，在夏季分别使用直接和间接蒸发冷却时，热管可使进风温度分别降低7.5℃和11℃，显然，间接蒸发冷却具有更好的优越性。

国内对热管的研究也在不断地开展。

潘阳等人成功的研究出的热管式空调通风换热器、热管式空调换热器等[20]~[21]；上海市民用建筑设计院和航天部五院501设计部也共同研制的氨-铝低温热管换热器[22]，该装置成功用于上海游泳馆的空调余热回收，换热器效率达到80%，显热回收效率达到60%，运行效果令人满意。

热管热交换器的热交换效率与进排风的风速、热管的机构设计、换热面积及空气的流动阻力等有较大关系。

一般风速在2~4m/s的范围内，具体的数据应参考产品样本。

由于热管在进行换热时不存在新风和排风的直接接触，在换热过程中不存在空气间的交叉污染，可以用在室内污染较严重或特殊的空调区域如吸烟室、医院、生物和制药厂所等。

另外由于热管式热交换器是由许多根热管组成，这样在实际运行是即使有一根出现问题，也不会影响到其他热管的正常工作，更不会出现全部不能使用的现象，具有较好的稳定性。

在进行实际设计时，要注意以下几点：
(1) 空调工程热回收系统中应用的一般都是重力式热管，对重力式热管热交换器，应保持合适的倾斜度，以免影响工质的回流，影响热量回收的效果；
(2) 新风和排风在热交换器中应保持逆流状态，这样跟更有利于传热；
(3) 当空气温差加大时，热管的表面可能出现凝结水，此时要考虑到排水；
(4) 如果根据季节的不同要调解热管的倾斜度，则热管和风管的连接应用软管连接。

近几十年来热管技术在空调系统中的应用以及对热管式空调换气装置的实验研
究结果，充分证明了将热管技术用于空调系统，不论从技术方面，还是从经济性方面考虑，都是可行的。

从换热效率的角度考虑，热管热交换器具有较好的换热效率，其显热换热效率可达到45%~65%[23]；从设备特性上考虑，热管具有其他热交换器所不具备的如除湿性较好、新排风之间无交叉污染等优点，这使得热管技术将具有巨大的应用潜力；从节能方面考虑，热管技术用在空调热回收中也是极具潜力的，利用热管换热器从排风中回收能量能大量减小新风负荷，并能有效降低空调运行负荷。

使用热管可以节约空调负荷10~20%[24]，更有甚者，可以比常规的空调系统节能25%~30%[25]。

3.3 中间冷媒式换热器
中间冷媒式热回收装置又被称为盘管环路式热回收装置。

这是一种用几种常规装置设备组成的热回收装置，如图3-5为其最简单情况下的工作原理示意图[26]。

图3-5 中间冷媒式热回收装置工作原理图
中间冷媒式热回收装置由两个换热盘管和一个工质循环泵所组成。

如上图所示，在空气处理装置的新风进口处和排风出口处各设置一个换热盘管，并用一组管路将两者连接起来，形成一个封闭的环路。

环路内的工作流体由循环泵驱动，在两个盘管之间循环流动，将热量由一端带到另外一端。

中间冷媒式热回收装置传递的是显热。

其具体工作情况如下：夏季，工作流体经过排风出的换热盘管时，被室内排风所冷却至低于室外温度的某个值，当它循环至新风侧的换热盘管时就可以将冷量传递至新风，降低新风的温度，从而实现夏季排风冷量的回收。

冬季则正好相反，。