摘要：空調系統的大量使用導致了空調能耗所占社會總能耗的比重越來越大。因此，降低空調系統的能耗對降低建筑物耗能、節約能源有重要意義。全熱交換器是一種可以降低空調負荷、節約系統能耗、提高系統效率的高效節能產品。它有效地解決了改善室內空氣品質與空調節能之間的矛盾，在空調系統節能領域中是不可替代的。
　　關鍵詞：空調 節能 全熱換熱器
　　1.我國空調節能的背景和意義
　　近年來，民用空調普及率極大提高。以上海為例，在1978-1996年間，高層建筑增加了十幾倍。在這些新建建筑中，一般都安裝大型集中式空調系統，而在大多數的改建項目中，增加或改造集中式空調系統也成了改造計劃中的重要內容。建筑空調已經成為現代社會所必需的，可顯著改善人們生活環境，提高生活質量。   
　　但是從總體上看，我國目前的經濟增長模式還是粗放型的，主要表現為資源利用率較低。空調作為耗能大戶，與能源供應緊張特別是當前電力供應緊張有著密切的關系。隨著空調的迅速普及，空調用電負荷逐年猛增，至2003年底，空調能耗已占全國耗電量的30%左右。在夏季用電高峰時段，空調用電負荷甚至高達城鎮總體用電負荷的40%左右，大大增加了電網的負擔。到2020年我國空調高峰負荷節電空間約900萬KW，相當于5個三峽電站的滿負荷容量，相應可減少電力建設投資4000億元以上。   
　　降低空調系統的能耗對于減少建筑系統的能耗、緩解當前電力供應緊張狀況、優化能源結構、提高能源利用效率等方面都有著非常重要的意義。
　　2.全熱換熱器在我國應用現狀
　　眾所周知，增大新風量稀釋室內空氣中有害氣體的濃度是改善室內空氣品質最直接，最有效的方法之一。因此，國內相關規范和標準均規定了室內最小新風量，并逐年有所提高。2003年頒布執行的《 室內空氣質量標準》，對室內新風量做出了明確的規定2003年出版的《 全國民用建筑工程設計技術措施（ 暖通空調·動力）》分冊也對各類建筑物的最小新風量標準做出了重大調整。新風量的增大雖然顯著地改善了室內空氣品質，但也導致新風負荷相應增加，使提高室內空氣品質與空調節能之間的矛盾更加突出。
　　全熱換熱器是一種高效節能產品，它可以利用排風中的能量來預冷（ 預熱）引入室內的新風，在新風進入室內或空調機組的表冷器進行熱濕處理之前，降低（ 增加）新風焓值，減小空調系統50%-80%的新風負荷。它的使用可以有效降低空調系統負荷，提高空調系統運行效率，減小空調系統設備裝機容量，大大節省空調系統能耗和運行費用。全熱換熱器有效地解決了提高室內空氣品質與空調節能之間的矛盾，在空調系統節能領域中具有不可替代的作用。
　　《 民用建筑熱工設計規范》中規定：凡是空調面積在300m2以上的建筑，空調系統應選用匹配的熱回收設備，利用空調排風中熱量或冷量的總回收效率應達到40%-50%；國家質量監督檢驗檢疫總局和建設部頒布的《 旅游旅館建筑熱工
與空氣調節節能設計標準》中規定% ：凡是在客房部分設置獨立的新排風系統建筑，宜選用全熱或顯熱交換器，其額定回收效率應不小于60。
     但是通過對幾個大城市的集中式空調系統進行的調查發現：現有的空調系統中，絕大多數沒有安裝全熱換熱器等能量回收裝置，致使冬季排風中的熱量和夏季排風中的冷量被浪費，一些安裝了空氣熱回收裝置的空調系統由于運行管理不合理，未能達到應有的效果，加熱和冷卻室外新風的能耗相當大。  
     在西方經濟發達國家，全熱換熱器作為一種性能優良的節能產品已經被廣泛應用于各種類型空調系統當中。而在我國，全熱換熱器一直未能得到推廣和普及，究其原因主要是由于：
      1）國產全熱換熱器的熱濕交換材料性能不佳，換熱效率低，用國產紙的換熱效率在40%左右，但價格不菲。如果需要提高國產全熱換熱器的效率則必須使用進口紙，而進口的材料和全熱換熱器，雖然效率高于國產的，但是價格較高。因此，迄今為止，國內全熱換熱器市場是：國產全熱換熱器整體性能不高，價格居高不下；而進口全熱換熱器的價格屬于“ 天價”，大多數工程不用，因此大大制約了全熱換熱器在我國的推廣和普及。
     2）迎面風速對傳統芯材全熱換熱器影響很大，往往需要將迎面風速控制很低，才能使產品的熱回收效率達到相關規范中規定的下限值，因此產品體積龐大。當受到建筑條件限制時，體積龐大的全熱換熱器將無法安裝。
    3）設計師對全熱換熱器在空調系統中的應用形式和設計方法沒有全面的認識和深入的了解，采用全熱換熱器的空調系統與常規空調系統相比，系統要復雜的多，不但需要全面了解全熱換熱器的結構、性能、尺寸，才能正確進行設計。而且如何處理好新風、回風、排風和送風的關系，存在相當的難度，因此不少設計師望而卻步。
   4）缺乏系統的全熱換熱器節能分析軟件，設計師和用戶都無法簡便地評價使用全熱換熱器的空調系統經濟性和節能性，因此無法確定在空調系統中安裝全熱換熱器是否經濟合理。
     因此，開發性能優良的全熱換熱器熱濕交換材料，進而研制出一系列高效全熱換熱器產品，是全熱換熱器在我國推廣和普及的必要前提。與此同時，也應該進一步加強全熱換熱器在空調系統中應用方面的研究，對全熱換熱器在空調系統中應用形式進行歸納和總結，優化帶全熱換熱器空調系統的系統設計方法，并全面、系統地評價全熱換熱器在空調系統中節能效果。
    3 全熱換熱器種類和特點
    轉輪式全熱換熱器和板翅式全熱換熱器是兩種最常見的全熱換熱器產品。轉輪式全熱換熱器開發較早、技術較成熟，以其熱濕交換效率高、性能較穩定等特點成了全熱換熱器的主流產品。但是，由于其自身所帶的運動部件需要消耗一定的能量，而且由于結構固有缺陷，空氣泄漏和芯體污染問題仍然無法避免，因此它作為節能產品，其綜合效果受到了一定的影響。
     轉輪式熱交換器主要由轉芯、傳動裝置、自控調速裝置及機體構成。轉芯是轉輪式全熱交換器的主體，它可以采用各種不同材料和工藝制成。目前成熟的做法是采用鋁箔或合金鋼作為基本材料，添加硫酸鈉、氯化鈉和氯化鋰等吸熱劑和吸濕劑以及增加強度的膠料加工而成；也有采用硅酸鹽類物質燒結而成的復合材料制作的。轉輪呈蜂窩狀，外形成輪形并轉動。在換熱器旋轉體內，設有兩側分隔板，上半部通過新風，下半部通過室內排風，使新風與排風反向逆流。轉輪以8-10r/min的速度緩慢旋轉，把排風中冷熱量收集在覆蓋吸濕性涂層的抗腐蝕鋁合金箔蓄熱體里，然后傳遞給新風。空氣以2.5-3.5m/s的流速通過蓄熱體，靠新風與排風的溫差和水蒸汽分壓差來進行熱濕交換。所以，它既能回收顯熱，又能回收潛熱。其工作原理和處理過程的焓濕圖見圖1、圖2。
    轉輪式熱交換器具有自凈和凈化功能。蓄熱體是由平直形和波紋形相間的兩種箔片構成，其相互平行軸向通道，使內部氣流形成不偏斜的層流，避免了隨氣流帶進粉塵微粒堵塞通道的現象。光滑的轉輪表面及交替改變氣流方向的層流，確保了蓄熱體本身良好的自凈作用。輪體外殼上連接了1個凈化扇形器，當轉輪從排氣側移向新風側時，強迫少量新風經過扇形器，將暫時殘留在蓄熱體中的污物又沖入排氣側，防止了臭味、細菌向新風轉移，對轉輪體起到了凈化作用。為了保護又薄又軟的鋁箔芯片不受磨損，必須在設備入口端設置空氣過濾器。轉輪式熱交換器具有自控能力。轉輪體附帶的自動控制裝置可以適應外界環境的變化，隨時改變轉速比，保證進入新風處理機前空氣溫濕度的設定值，使換熱器能夠全年經濟運行。
     板翅式全熱換熱器由于無運動部件，空氣泄漏和芯體污染問題可完全避免，因此9.11之后，這種形式的全熱換熱器成了西方經濟發達國家的研究重點，如果其全熱交換效率能達到或超過轉輪式全熱換熱器，其迎風面風速可以進一步提高，則板翅式全熱換熱器完全有可能全面替代轉輪式全熱換熱器。板翅式全熱換熱器主要內部結構為1個板翅式換熱器，其結構與板式換熱器相似，只是在平板間通道內加裝許多鋸齒形、梯形等翅片，通常由鋁材制成，它只能進行顯熱交換。全熱式板翅換熱器的隔板材質采用特殊加工的紙或膜，這種特殊材料具有良好的傳熱和透濕性，而不透氣。當隔板兩側氣流之間存在溫差和水蒸汽分壓差時，兩股氣流之間就產生傳熱和傳質過程，進行全熱交換。其結構見圖3。
    由圖1可知，當室內空調排風和新風分別呈正交叉方式流經換熱芯體時，由于分隔板兩側氣流存在著溫差和蒸汽分壓差，兩股氣流通過分隔板時呈現傳熱傳質現象，引起全熱交換過程。夏季運行時，新風從空調排風獲得冷量，使溫度降低，同時被空調風干燥，使新風含濕量降低；冬季運行時，新風從空調室排風獲得熱量，溫度升高，同時被空調室排風加濕。這樣，通過換熱芯體的全熱換熱過程，讓新風從空調排風中回收能量。
      4.全熱換熱器的適用性特征及研究成果全熱交換器要在常溫狀態下保證有較高的熱濕交換效率，取決于它所采用的芯體材料。因為采用一種既易于吸濕又易于解吸的芯體材料，就能夠保證交換器在空氣調節系統中有較高且連續的換熱傳濕效率，且無交叉污染。當采用高效芯體材料的全熱交換器應用于北方地區的時侯，還可以使室外空氣在進入室內時被加濕；而用于南方地區時，又使室外空氣在進入室內時被減濕，并與排氣進行換熱，從而實現熱濕的轉移與交換，機內不會產生冷凝水析出現象。
     從焓濕圖中可以分析出，空調排風中可供回收的余熱中潛熱占很大部分，尤其在夏季，室外空氣中潛熱量明顯要大于顯熱量，而在潮濕的室外空氣條件下更是如此。因此，對于以濕熱天氣為特征的長江中下游地區使用全熱交換器尤其適合。 下面對兩種常見全熱換熱器的優缺點做一分析。
           
           
     4.1 全熱換熱器的適用性特征比較
     4.1.1轉輪換熱器的優點
     1）既能回收顯熱，又能回收潛熱；
     2）排風與新風交替逆向流過轉輪，具有自凈作用；
     3）通過轉速控制，能適應不同的室內外空氣參數；
     4）回收效率高，可達到70%-90%；
     5）適應較高溫度≤80℃的排風系統。
     4.1.2轉輪換熱器的缺點
     1）裝置體積較大，占用建筑空間也較大。為了保證蓄熱體高效率的性能，充分發揮熱濕交換回收作用，限制了轉輪的迎面風速，導致單位負荷轉輪斷面相對較大，使裝置占用建筑空間過多。
     2）轉輪式換熱器將送風和排風的接管位置固定，使系統難以靈活布置。
     3）有傳動設備，自身需消耗動力。
     4）壓力損失較大。因受旋轉芯體密集結構及旋轉變化通道的影響，氣流壓降較大，一般為125Pa。
     5）由于送風與排風之間存在壓差，氣體相互有少量滲漏，無法完全避免交叉污染。
    為了防止空氣中的塵埃阻塞板翅式換熱器，在送風和排風的入口端都應安裝空氣過濾器。同時為了防止結露和結霜等現象的發生，對進入換熱器的空氣環境有一定的限制：
    溫度：-10℃---+40℃
    濕度：低于80%；
    溫差：在通常的室內通風范圍內。
    4.1.3 板翅式換熱器的優點
    1）傳熱效率高。由于翅片對流的擾動，使邊界層不斷破裂，因而具有較大的換熱系數；同時所采用的材料（一般為鋁）具有高導熱性以及較小的當量直徑，所以使得板翅式換熱器可以達到很高的效率，空氣在強迫對流下的換熱系數可達350W/(m2.℃)
    2） 結構緊湊。單位體積內的傳熱面積一般都能達到1500-2500m2/m3，最高可達5000m2/m3。就單位體積的傳熱面積而言，板翅式換熱器為翅片管式換熱器的2-5倍。
    3）輕巧而牢固。由于翅片很薄，一般為0.2-0.3mm，換熱器的結構緊湊、體積小，換熱器一般全部用鋁制造，因而重量很輕，同時翅片既是主要的換熱表面又是兩隔板的支撐，因此強度很高。例如用0.7mm厚的平隔板和0.2mm厚的翅片制成的板翅式換熱器能承受4MPa表壓的負荷。
     4）適應性強。可用于氣體—氣體、氣體—液體、液體—液體之間的熱交換，也可用于存在相變的場合如冷凝與蒸發，這種換熱器可在逆流、順流、錯流等流動情況下使用。
     5）經濟性好。由于結構緊湊、體積小，采用鋁合金材質制造，其重量很輕，制造成本低。
     4.1.4 板翅式換熱器的缺點
     1）換熱效率小于轉輪式換熱器。
     2）流動阻力較大，傳熱系數與壓降之間的優選問題尚待解決。
     3）耐溫、耐壓并可長期使用的密封墊片需要進一步開發。對于以濕熱天氣為特征的長江中下游地區使用全熱交換器尤其適用。對于像上海那樣的海洋性氣候，室外空氣比較潮濕，可供回收的熱量中潛熱部分比重很大，因此采用全熱交換器比顯熱交換器更為有利。
    4.2 全熱換熱器的研究成果
    在市場需求的推動下，近年來板翅式全熱換熱器的研究逐漸受到國內外同行的重視。通過對近年來有關板翅式全熱換熱器的研究成果進行分析可以發現，這些研究大致可以分為兩大類。
    4.2.1 對板翅式全熱換熱器本身性能優化進行的理論和實驗
     研究L.Z.Zhang等人對親水膜芯材的傳熱傳濕機理進行了系統研究，在七大基本假設的基礎上，對透濕膜式板式全熱交換器的傳熱傳濕基本方程式、數學模型邊界條件、親水膜芯材邊界層的傳熱傳濕機理等進行了深入研究和模擬分析。YinPingZhang教授對透濕膜材料的傳熱傳濕機理進行了研究，通過嚴格的理論推導建立了膜式板式全熱交換器的數學模型。文獻,-.從產品研制的方向、目的、方法和實驗研究等方面詳細介紹了一種新型板式全熱交換器的研制過程。通過試驗測試數據顯示，這種板式全熱交換器顯熱效率可達72.7%，全熱效率可達55.7%。對板翅式全熱交換器在不同運行工況下的性能進行了試驗研究，得出了運行工況和性能參數之間的變化曲線。通過試驗發現：板翅式全熱交換器的熱交換效率隨著所通過風量的增大而下降，壓降卻隨風量的增大而增加，而且顯熱效率隨風量的變化更具有線性關系；潛熱效率隨著排風和新風濕度差的變化而變化，當濕度差較大時，潛熱效率隨濕度差增大而增大的趨勢比較明顯；顯熱效率隨著溫度差的增大而有所增加，但是增加的幅度不明顯。
    這些研究揭示了板翅式全熱換熱器的熱濕交換和節能機理，為板翅式全熱換熱器的開發和應用提供了理論基礎，也為板翅式全熱換熱器的性能提高和改進提供了有益的參考和借鑒。
    4.2.2 對使用全熱換熱器的空調系統進行節能分析及優化控制
     一方面是優化帶全熱換熱器空調系統的設計和控制方法，提高全熱換熱器在空調系統中的能量回收效果；另一方面是對使用全熱換熱器的空調系統進行能耗分析，并分析各種因素對全熱換熱器節能效果的影響。
      L.Z.Zhang和J.L.Niu通過研究發現，使用膜式全熱換熱器比使用顯熱換熱器具有更大的優勢。他們開發的模型軟件顯示，香港地區使用膜式全熱換熱器每年可以節省58%的新風能耗，而使用顯熱換熱器只能節省10%的新風能耗。從分析
中得出，使用空氣能量回收裝置和變新風的空調系統節能與否和節能的多少與空氣處理過程和室外氣象條件相關。還對全國不同氣候區的代表性城市使用空氣能量回收裝置和變新風量的節能效果進行了模擬分析。
     這些研究對使用全熱換熱器的空調系統節能性分析和系統設計優化提供了工具，為不同空調系統合理選用空氣能量回收裝置提供了有益參考，也為進一步開發不同類型全熱換熱器的數學模型提供了借鑒。
     5.結語
     能源供應緊張已經成為一個世界性的問題。空調作為能耗大戶，采取必要的節能措施降低其能耗已是勢在必行。全熱換熱器作為一種重要的節能產品，在中國乃至國際市場上都具有極大的市場潛力。對于國內市場來說，目前傳統的國產全熱換熱器低下的換熱效率、居高不下的價格、龐大的體積、高的空氣阻力、不合理的結構形式已經成為制約全熱換熱器在我國推廣和普及的重要因素。