两种间接蒸发冷却热回收新风换气机实验研究

方 超 李无言 张 红

（重庆大学城市建设与环境工程学院 重庆 400044）

0 引言

人们在提高建筑物的气密性和热绝缘性的同时降低室内最小新风量标准，结果导致了室内有害物的浓度由于得不到新风稀释而提高，引起了室内空气品质恶化。据世界卫生组织估计约有30%的新建或改建建筑的室内空气品质存在问题，甚至引起建筑综合症，因此，改善室内空气品质已成为当前建筑环境领域内的一个研究热点[1]。

传统的改变室内空气品质的方法有很多，但是只能单一地往室内输送新风，而等量的空气携带着室内的冷（热）量被机械地排到了室外，这样就加大了室内供暖空调设备的运行负担，增加了能耗，造成了能源的浪费。热回收新风换气机作为一种余热回收装置，能够进行室内外双向换气，内置静止式热交换器，使新风和排风进行能量交换，把排风所带的能量传递给新风，大幅度降低新风处理所需的能量[2]；另外它的结构比较简单，应用起来比较方便，还能进行一定的过滤处理。但是目前市面上常见的热回收新风换气机存在的问题是热回收效率不高，无法有效对新风降温，因此寻找某些手段提高热回收新风机的热回收效率，降低新风负荷，对于建筑节能有重要意义。

1 间接蒸发冷却（IEC）热回收新风换气机

蒸发冷却，是人类很早就发现的一种降温方法。间接蒸发冷却（IEC），就是用循环水喷淋流经换热面的不饱和室内空气（在干燥地区亦可用室外空气），由于喷淋使换热面上覆盖一层水膜，水分的蒸发不仅吸收水膜本身的热量，而且吸收换热面另一侧室外空气的热量，使水膜和换热面维持在较低的温度上，来冷却室外空气。室外空气在温度降低的同时，其含湿量保持不变，实现了制冷。根据原理分析，间接蒸发冷却的趋动势，是一次风的干球温度与二次风的湿球温度之差，即一次风可能降到的最低温度为二次风的湿球温度[3]。

间接蒸发冷却常与常规空调系统相结合构建全热回收型复合系统，利用间接蒸发冷却来预冷新风，降低空气温度[4]，这种系统可利用间接蒸发冷却对室内排风进行全热回收，比传统的空气—空气换热器的显热回收更加有效，从而可减少一次能源消耗或利用相同的一次能源实现较大新风比的空气调节，促进室内空气品质的改善，因而具有重要意义。

笔者团队结合前人基础，研发了IEC与显热回收芯体结合的热回收新风换气机。这种机型回风通道内的回风经过水雾喷淋装置与水雾混合之后，一起进入换热芯体换热，之后排出室外，新风通过换热芯体降温后送入室内；其中，在换热芯体中新风和回风呈逆叉流流动[5]，中间通过亲水铝箔隔开，新风直接和亲水铝箔的一面接触，回风和亲水铝箔的另一面接触，水雾喷淋装置产生的水雾在亲水铝箔回风一侧的表面形成液体薄层，回风吹过液体薄层，水分蒸发吸收热量使铝箔与回风的温度均下降，从而冷却另一面的新风。

本文重点对两种型式的IEC热回收新风机进行实验研究，这两种型式的区别在于换热芯体的摆放角度，一种机型芯体为水平放置，另一种机型芯体为竖直放置，制作这两种机型进行对比是考虑到芯体摆放角度不同时，亲水铝箔板上布液情况会有不同，可能会对机组的热回收效率产生影响。

2 试验台介绍

根据规范《空气-空气能量回收装置》（GBT 21087-2007），采用两室法对新风换气机的热回收效率进行测试[6]。

本实验中心，搭建了恒温模拟小室，对房间温度的控制在5-45℃，精度在±0.5℃。试验装置由两个恒温恒湿小室、新风机、温湿度测试风道、温湿度测试仪器组成，实验台结构示意图如图1所示，通过控制调节恒温小室温湿度，模拟各类室外、室内空气参数，测试在不同参数下的新风机热回收效率。

冷热源构成：冷水机组2台，5p；热泵机1台，3p；冷却塔1台；冷冻水泵1台，冷却水泵1台；粗调加热水箱分两组，一组为18kW，另一组为9kW，精调加热水箱总加热量为9kW，由进水温度仪表和粗调水温仪表分别自动调节。

输配系统和末端构成：冷却循环水泵1台；冷源与冷水箱之间循环水泵1台，水箱与末端循环水泵1台，涡旋流量计1台；房间空气循环风机2台，用皮带传送，保证运行平稳和低噪声；空气再处理设备采用了浅槽式蒸汽加湿器，总加湿功率为18kW，采用自动调节，由室内湿球调节仪表分别自动控制，其加湿功率可以在0～18kW之间变化；送风方式以顶部孔板送风，保证室内空气质量在合理而精确的测试范围内。

恒温小室的控制运行过程介绍：为了保证控制的准确性和控制时间，恒温小室以循环风为主体，当设定房间干球温度和湿球温度在某一值时候，控制系统会根据回风判断是否需要降温或者除湿，然后启动加湿或者除湿，加热或者降温功能，将房间空气参数控制在设定的值。

图1 实验台结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental platform

3 实验测试

本实验研究的主要目的是得到：（1）两种型式的机组在夏季工况下的全热回收效率；（2）循环喷淋水温对机组性能状态的影响；（3）循环喷淋水流量对机组性能的影响。

对该新风换气机进行夏季热交换率实验测试，参考《空气-空气能量回收装置》（GBT 21087-2007）规范，测试过程中将室内干球温度控制在27℃，湿球温度控制在19.5℃，通过控制面板调节恒温小室温湿度。

实验中，将新风机安装在两个恒温控制室之间，并密封好新风换气机的新风入口OA、回风入口RA、排风出口EA三个出风口，装上风管软管，防止风口之间过近使空气的温度测试数据相互影响。将1号温湿度测试仪器（每10秒自动记录一组数据）放在OA风口进风处，将2-4号温湿度测试仪器分别放于新风送风口SA、RA、EA风机软管内，固定妥当，测试均在高风量下进行，保持新风与排风的风量相同。机组在测试工况下连续稳定运行30min后，进行测量。通过控制调节恒温小室温湿度，模拟各类室外空气参数，测试在不同参数下的新风机热回收效率。

本实验需要计算热回收新风机的全热回收效率，计算公式如下所示：

式中：ηh为全热回收效率，以百分数表示；iOA为新风入口空气焓值，kJ/kg（干）；iSA为新风送风口空气焓值，kJ/kg（干）；iRA为回风入口空气焓值，kJ/kg（干）。

4 实验结果及分析

4.1 夏季工况效率分析

分别对两种机型进行夏季实验测试，测试机组在室外空气相对湿度为50%时，温度从30℃（焓值64.71kJ/kg）到40℃（焓值101.68kJ/kg）的各工况热交换效率。测试过程中将室内干球温度控制在27℃，湿球温度控制在19.5℃（焓值56.03kJ/kg）。由于全热的表征指标是焓值，所以实验结果以新、回风入口焓差为x轴，全热回收效率为y轴表达。测试结果如图2所示。

图2 两种机型全热回收效率与新、回风焓差关系图Fig.2 Total heat recovery efficiency of the two models and the new,return air enthalpy difference diagram

由测试结果可以看出，这种IEC结合显热回收芯体的装置可以大幅度提高新风换气机的全热回收效率。在室外空气相对湿度50%水平下，芯体水平放置的机型（卧式机组）全热回收效率在56%～80%之间，芯体竖直放置的机型（立式机组）全热回收效率在58%～92%之间，且两种机型的换热效率均随着新、回风焓差的增加而降低，而传统的无IEC的铝箔板式热回收新风换气机全热回收效率只有30%左右[7]。效率有显著提升的原因是，由于换热芯体换热薄层采用亲水铝箔材料制造，经过喷淋之后，回风一侧铝箔板表面形成一层水膜，回风吹过这层水膜，会使水分蒸发吸收水膜和回风中的热量，使换热芯体内换热温差大幅提升，换热量显著增加，进而热回收效率变大。

由图2还可看出，立式机组的全热回收效率整体高于卧式机组。芯体水平放置和竖直放置对热回收效率会有影响是因为水平放置的换热芯体在喷淋时由于水的重力影响几乎只有一面完全布液，喷淋无法发挥全部效力，导致回风入口附近的一部分回风温度高于与之换热的新风温度，新风被回风加热，形成热短路。而竖直放置的换热芯体双面布液，热短路影响较小或无热短路发生，新风被冷却程度更大，热回收效率更高。

4.2 循环喷淋水温和水量对机组性能的影响

本文在进行不同室外空气温湿度对热回收效率影响的实验时，采用的是恒温水槽水直接喷淋。为了探讨循环喷淋水温度和流量对机组性能的影响，本实验以立式机组为例，通过电加热器控制水温，减压阀及水泵控制水压力（继而改变流量），在室外空气状态和室内回风状态固定的条件下，分别测试不同喷淋水温度和水量对室外进风与室内送风的温度差（新风冷却能力，表征机组整体性能）的影响。喷淋水温与机组性能之间的关系，结果如图3所示，实验中喷水量控制在平均4.5kg/s的水平。由图3可以看出，喷淋水温度升高10℃，室外进风与室内送风的温差仅仅缩小0.2℃，可以得出结论，此机组的性能与喷淋水的温度基本无关。

循环喷淋水量与机组性能之间的关系如图4所示，实验中喷淋水温度保持在21℃，结果显示，加大循环喷淋水量，室外进风与室内送风的温差的增量仅有0.7℃左右，由此可得结论，此机组性能与循环喷淋水量基本无关。

图3和图4结果说明改变循环喷淋水温度和循环喷淋水量对空气入、出口温差也即机组性能基本没有影响，说明水分蒸发所吸收的汽化潜热才是喷淋水热量传递的主要部分，且对于此机组来说，喷淋水量总是过量的。

图3 循环喷淋水温度与机组性能关系图Fig.3 The relationship between circulating water temperature and machine performance

图4 循环喷淋水流量与机组性能关系图Fig.4 Cycle spray water flow and machine performance diagram

4.3 比节能率的提出[8]

由上述实验结果可以看出，这种IEC结合显热回收芯体的热回收新风机具有很高的全热回收效率和新风冷却能力，但是在分析热回收新风机的节能效果时，我们应当注意，热回收新风机从排风中回收能量，降低了新风能耗，但驱动这些风机又会消耗额外的电能，并且IEC与显热回收芯体结合的系统还要消耗水，这又是一部分能耗，总体的能耗情况是怎样的，是否可提出一个综合反映各方能耗贡献的指标，这是本文研究的另一个问题。

对于IEC加显热回收新风换气机节能情况的综合考量，我们引入比节能率δ（Specific net energy saving parameter）的概念去评估各个环节对整体性能的影响，δ表征引入每千克室外新风所能节约的能量。该指标表达式如下：

式中，Q为新风机热交换芯体回收的能量，为机组内送风风机与排风风机运转所消耗的能量。fp是生产因子，表征生产1kWh的电能需要消耗更多的初级能源，在此式中fp可以取3，为是新风通道的空气质量流量，ρ是空气密度，表征制冷的总小时数，即机器的开启时间。只有当δ为正值时，热回收新风机才节能，否则整套系统并不真正节能。此式可以计算IEC加显热交换系统在不同地区的适应性。

5 结论

（1）在室外空气相对湿度为50%，室内回风干球温度控制在27℃，湿球温度控制在19.5℃条件下，室外空气温度从30℃（焓值64.71kJ/kg）到40℃（焓值101.68kJ/kg）变化时，芯体水平放置的新风机组全热回收效率在56%～80%之间，芯体竖直放置的机组全热回收效率在58%～92%之间，相比于传统的显热回收新风机，热回收量均有很大提高。

（2）芯体竖直放置机型的全热回收效率整体高于芯体水平放置的机型。换热芯体水平放置使铝箔芯体在喷淋时由于水的重力作用导致只有一面布液，回风入口侧的温度高于与之换热的新风温度，新风被回风加热，形成热短路，热回收作用被抵消。

（3）循环喷淋水温和水量对于新风出口状态基本没有影响，说明喷淋水的主要热交换形式是蒸发潜热，且喷淋水量总是过量的。

（4）提出了比节能率的概念及表达式，该指标可以表征应用IEC加显热回收芯体的新风换气机在不同地区的综合节能情况。