全热交换器换热效果的影响因素分析

童克南 ，冯 静，朱亦丹

(1.中船重工海博威(江苏)科技发展有限公司，江苏 扬州225000,China； 2.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州225001,China)

全热交换器换热效果的影响因素分析

童克南1，冯 静2，朱亦丹2

(1.中船重工海博威(江苏)科技发展有限公司，江苏 扬州225000,China； 2.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州225001,China)

全热交换器作为一种无需开窗通风的主要通风方式已经慢慢地被人们所接受。全热交换器的芯体具有能量交换功能，可以降低空调的使用效能，作为一种节能产品被更广泛使用。对平行式芯体的全热交换器和导轨式芯体的全热交换器进行流体仿真，结果表明：在全热交换器相同外形尺寸、风机安装尺寸的前提下，平行式芯体的全热交换器换热效果在温度换热效率以及空气流动方面优于导轨式芯体的全热交换器，其原因在于平行式换热芯体的相对空气流动时间更长，以及其整体布置更加合理。

全热交换器；平行式芯体；导轨式芯体；流体仿真；换热效果

0 引 言

我国能源形势紧张，节能建筑已经成为我国能源发展的重要战略[1]。建筑能耗未来将持续增长，而空调能耗是建筑能耗的主要组成部分。因此，空调系统必须向着节能的方向发展[2]。随着人民对生活空气质量的要求逐渐提高，对室内空气品质的要求也越来越高[3-4]，致使新风能耗成为空调能耗的重要组成部分。如何保证在降低空调能耗的前提下，完成室内空气质量的改善已成为国际空调界关注的重要课题。研究表明：全热交换器可以有效地解决两者之间的矛盾[5]，全热交换器以其优异的热回收特性成为近年来空调行业的研究热点。

全热交换器的换热效果是近年来空调行业研究的重点。许多研究者对其换热芯体进行了深入的研究，研究出不同材质、不同结构组合方式以及不同芯体流道的换热芯体，换热效率有了很大的改善。但是，全热交换器的整机布置以及换热芯体的形状也综合影响全热交换器的换热效果。在同样的芯体流道的前提下，换热芯体有平行式和导轨式2种安装方式，平行式芯体是用芯体上下两面作为导轨使用，没有具体的导轨安装，而导轨式芯体是由芯体棱边作为滑槽使用，有具体的导轨安装。目前，随着全热交换器的紧凑化和小型化的影响，其换热芯体也紧凑化和小型化，这便导致换热效果会受到影响，全热交换器的整机布置和芯体内部相对空气流动时间显得尤为重要。

本文在充分考虑全热交换器外形尺寸一致以及风机安装尺寸一致的情况下，采用FLOEFD流体仿真软件对平行式芯体和导轨式芯体的全热交换器的换热效果进行了研究，为改善全热交换器的换热效果以及优化设计空气流道和整机布置等方面提供了基础的分析依据。

1 物理模型

平行式芯体的全热交换器的模型如图1所示，图1中左侧为室内侧，右侧为室外侧。

导轨式芯体的全热交换器的模型如图2所示，图中左侧为室内侧，右侧为室外侧。图1和图2中没有显示风机模型，但是平行式芯体的全热交换器和导轨式芯体的全热交换器预留有相同的风机安装空间，保证研究具有可靠性。

在全热交换器运行时，室外空气经过全热交换器的新风进风口与室内回风空气在换热芯体处进行能量交换。平行式芯体全热交换器的空气流道均在一个平面内，而导轨式全热交换器的空气流道是分2层来实现的。

对图1、图2中的物理模型进行如下假设：

(1) 除换热芯体外，不考虑其余的器件散热与吸热以及器件的空气阻力；

(2) 将全热交换器的壁面设定为绝热面，其表面不参与空气的热交换过程；

(3) 将新风进风以及室内回风控制在恒定空气状态下进行流体仿真。

2 控制方程及性能参数

对于图1、图2所示的全热交换器的换热芯体，在芯体内部，本文以新风进风流动方向为x方向，以室外排风流动方向为y方向，以流道高度方向为z方向，建立直角坐标系。流道中传热方程为[6]：

(1)

式中：ρ为空气密度；υ为进口空气流速；T为温度；cp为空气比热；h为对流换热系数；下标n表示新风侧或者排风侧；j表示新风流动方向x或排风流动方向y；下标o表示出口。

新风侧及排风侧的边界条件为：

(2)

温度效率用下式表达[7]：

(3)

式中：Tfi为室外空气温度，即新风进风；Tfo为交换后温度，即新风出风；Tei为交换前温度，即室内回风；ηT为温度交换效率；下标i表示流道进口。

3 模拟仿真及结果讨论

对如图1、图2所示的物理模型进行流体仿真，观察其温度换热效率，模拟参数设定如表1所示。

表1 模拟参数设定

基于以上数据，选取不同的新风进风风量和室内回风风量对平行式芯体和导轨式芯体的全热交换器进行流体仿真，进行多次仿真排除风量或风速对芯体温度换热效率的影响，新风进风风量以及室内回风风量的选取如表2所示。

表2 风量选取

同时，其余模拟参数保持恒定。流体仿真结果如图3～图8所示。

根据仿真结果图3～图8和温度效率计算公式(3)可以得到平行式芯体和导轨式芯体在不同风量下的换热效率，结果如表3所示。

表3 温度效率计算

根据温度效率计算结果,表3绘制平行式芯体和导轨式芯体的温度换热效率曲线，如图9所示。

从图3～图9和表3中可以看出平行式芯体的全热交换器的换热效果优于导轨式芯体的全热交换器的换热效果。其原因是，在全热交换器同等外形尺寸、同等风机安装尺寸的前提下，从物理模型中可以看出，图3～图5室内出风侧的空气流动状态优于图6～图8的室内出风侧的空气流动状态。并且，平行式芯体的全热交换器所有空气是在一个平面内流动，不存在“死角”，而导轨式芯体的全热交换器的空气流动存在“死角”，空气流动状态较差。平行式芯体的全热交换器换热效果在温度换热效率以及空气流动方面优于导轨式芯体的全热交换器。平行式换热芯体的相对空气流动时间更长，其全热交换器的整机布置、空气流道更加合理。

4 结束语

本文在充分考虑全热交换器外形尺寸一致以及风机安装尺寸一致的情况下，采用FLOEFD流体仿真软件对平行式芯体和导轨式芯体的全热交换器的温度换热效果进行了研究，为改善全热交换器的换热效果以及结构优化设计提供了基础的分析依据。因此，在相同外形尺寸的情况下，采用平行式芯体的全热交换器的换热效果优于导轨式芯体的全热交换器的换热效果，其原因在于平行式芯体的全热交换器的空气流道设计优于导轨式芯体的全热交换器，为设计与优化全热交换器的结构提供了指导，在提高换热芯体本身的换热效率外，其空气流道和整机布置也极为重要。

[1] 郭猛.浅谈中国建筑节能发展趋势[J].建筑节能,2013,41(263):74-76.

[2] 梁才航.膜法全热回收制冷除湿系统的数值模拟与实验研究[D].广州:华南理工大学,2010.

[3] MO J H,ZHANG Y P,XU Q J,et al.Photocatalytic purification of volatile organic compounds in indoor air:A literature review [J].Atmospheric Environment,2009,43(14):2229-2246.

[4] 朱栋华,郭淑娟,曹婉.室内空气质量标准与检测方法[J].建筑节能,2008,36(203):5-7.

[5] 马力双,杨洁,张旭.板式空气全热交换器在上海地区的应用性分析[J].建筑节能,2011,39(246):16-18.

[6] ZHANG L Z,JIANG Y.Heat and mass transfer in a membrane-based energy recovery ventilator [J].Journal of Membrane Science,1999(163):29-38.

[7] 陆亚俊,马最良,邹平华.暖通空调[M].3版.北京:中国建筑工业出版社,2015.

Influence Factors Analysis of Heat Exchange Effect of Total Heat Exchanger

TONG Ke-nan1,FENG Jing2,ZHU Yi-dan2

(1.CSIC Hebowi (Jiangsu) Technology Development Co.,Ltd,Yangzhou 225000,China; 2.The 723 Instiute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

As a main ventilation mode without windows,the total heat exchanger has been gradually accepted by people.The total heat exchanger core has the function of energy exchange,can reduce the use efficiency of air conditioning,and has been widely used as an energy-saving product.This paper performs the fluid simulation to total heat exchangers of parallel core and guide core.The results indicate:under the premise of same dimension and wind turbine installation size,the total heat exchanger with parallel core is better than the total heat exchanger with guide core in terms of temperature exchang effect and air flow performance,the reason is that the relative air flow time of parallel heat exchanger core is longer,and its whole collocation is more reasonable.

total heat exchanger;parallel core;guide core;fluid simulation;heat exchang effect

2016-09-01

TU834

A

CN32-1413(2017)01-0115-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.026