一种高效集成在建筑立面中的通风装置的设计与性能评估，该装置采用了基于膜的焓交换器技术

《Alexandria Engineering Journal》：Design and performance assessment of a high efficiency facade-integrated ventilation unit with membrane-based enthalpy exchanger

　　穆罕默德·易卜拉欣 | 蒂莫亚·贝雅特 | 马蒂厄·马里奥托 | 法比安·布鲁亚 | 杰罗姆·亚历山大 | 穆罕默德·法耶德 | 乌萨马·易卜拉欣
中东美国大学工程学院，科威特

**摘要**
与通风相关的热量和水分损失可能占总供暖和制冷需求的很大一部分。传统的集中式热回收系统在改造环境中往往难以实施。在这项研究中，设计了一种基于膜式总热交换器的新型 fa?ade-integrated 分散式通风单元，并在真实运行条件下通过全尺寸测试模型进行了实验评估，以量化其显热、潜热和焓回收性能。使用 MATLAB 开发了一个耦合的热质传递数值模型，该模型经过校准和验证，并通过运行时联合仿真与整个建筑的 EnergyPlus 模型集成，以评估建筑规模的能源影响。实验结果表明，显热回收效率高达 82%，潜热回收效率高达 68%，焓回收效率在 60–70% 之间，同时保持适合分散式运行的低压力损失。建筑规模模拟显示，所提出的系统可以分别将与通风相关的显热和潜热负荷减少约 70% 和 55%。这些结果表明，该系统是减少建筑改造应用中通风能量损失的有效和实用解决方案，具有显著的潜力来提高建筑能源效率。

**1. 引言**
最近的研究表明，建筑物仍然是欧洲最大的能源消费者，约占最终能源使用的 40% [1]，是最大的终端使用部门。空间供暖是这一消耗的主要来源。空间供暖需求主要是由于围护结构的热量损失以及所需通风引起的空气流动热量损失和渗透。在住宅建筑中，通风热量损失可达 35–40 kWh/(m2-year) [2]。根据建筑类型、使用情况和居住者的需求，每个欧洲国家都规定了每小时一定的空气交换率（ach）。例如，对于住宅建筑，所需的通风率在 0.4 至 0.6 ach 之间。

通风中的热量和水分损失是总建筑能源需求的重要组成部分，特别是在能源高效和改造环境中，此时围护结构被密封得更紧密，并且需要机械通风来保证室内空气质量。全球范围内越来越关注开发集成建筑围护结构解决方案，以同时解决热性能、湿度控制和居住者舒适性问题，最近的研究强调了用于能源高效建筑的混合材料系统和多功能 fa?ade [3]。

热质回收技术可以通过从一个流中回收和传递能量（热量/质量）来帮助减少能源需求并提高热舒适度 [4]。例如，奥萨姆 [5] 是最早发表关于总热交换器数值研究的研究者之一。他提出了一个通过浸有吸湿剂的平板交叉流总热交换器的耦合质量与热量传递的数值模型，该模型与实验数据吻合良好。主要结论是，质量传递由膜的质量阻力驱动，而显热传递由空气到膜的热阻驱动。

此后，关于总热交换器 (THEX) 的许多研究相继开展。文献中涉及了不同的主题，如耦合质量与热量传递的理论和科学方法、膜材料的发展、热交换器技术、整体性能以及其他系统的比较 [6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。Labban 等人 [13] 将膜技术与两种其他冷却技术进行了比较，表明膜技术可以减少冷却负荷的变化并具有稳健的性能。一些研究探讨了 THEX 在寒冷气候下的潜力，因为这种技术可以降低结霜风险，相比仅使用显热交换器而言。刘等人 [14] 开发了准逆流膜热交换器的理论结霜模型，并指出水分传递的扩散阻力对结霜有重要影响。张 [15] 对基于膜的热交换器技术的发展进展进行了全面的总结。关于热交换器技术，可以采用逆流配置，并使用翅片来支撑膜以增强热量和质量的传递。Koester 等人 [16] 指出了改进的膜间隔物对 THEX 质量和热量回收的经济效益。张还研究了板翅式三角形管道 [17]、准逆流膜基总热交换器 [18] 和交叉波纹三角形管道 [19]。这些研究表明，良好的热设计对于实现高效的总热交换器是必要的，未来仍需探索许多创新解决方案。

未来可能会出现针对建筑改造的热法规。常见的有效改造方案包括热绝缘、窗户更换以及带有热回收的通风。如果未安装机械通风系统，这样的改造干预通常会导致外部围护结构的气密性增强，从而导致室内空气质量下降；如果采用自然通风，则会导致能源消耗增加（用于供暖和/或制冷）。其中一个解决方案是安装一个能量回收通风系统，为室内空间提供新鲜空气并最小化热量损失。然而，许多现有公寓使用机械排风系统，缺乏安装供应管道和中央热回收单元的空间。在单户独立住宅中，常见的做法是将能量回收通风系统安装在阁楼中。为了节省空间和减少通风能耗，可以在每个房间的同一 fa?ade 上同时安装供应和排风系统。这可以减少摩擦损失，便于安装，并允许进行局部热回收 [20]、[21]。这项技术通常被称为“分散式通风”，可以服务于单个房间或独立住宅。然而，Zeng 等人 [4] 报告了分散式通风单元靠近用户时可能产生的噪音问题，但他们指出这种基于膜的除湿方式不需要再生核心部件。刘等人 [22] 也强调了这一优势。

最近的研究越来越多地关注带有热和能量回收的分散式通风系统，以此来减少与通风相关的能源损失，同时克服与集中式管道系统相关的安装限制。Zender-?wiercz 等人 [23] 研究了使用不同存储和回收概念的分散式 fa?ade-integrated 热回收单元，证明 fa?ade-mounted 解决方案在真实运行条件下可以实现显著的显热回收。

除了纯热性能外，Schabek [24] 从能源和经济角度审视了热回收通风系统，表明这些系统在与围护结构绝缘策略适当结合时可以显著减少供暖需求。这项研究强调，分散式通风解决方案的可行性不仅取决于回收效率，还取决于其成本效益和适应现有建筑的能力，这突显了需要紧凑且适合改造的设计。

最近的研究还关注了动态性能和气候敏感性。Tu 等人 [25] 对不同气候区域的能量回收通风器进行了分析，强调了控制策略的重要性。他们的结果表明，性能随室外条件和运行模式有很大差异，从而强调了在建筑规模评估通风系统时需要采用瞬态仿真方法。

从建模角度来看，Wang 等人 [26] 开发了一个理论框架，用于分析影响能量回收通风系统中显热和潜热回收的因素，特别关注湿度梯度和气流速率。他们的发现证实，潜热回收对运行条件和膜性能非常敏感。Zemitis 等人 [27] 通过实验研究了压力差及其对分散式通风性能的影响，分析了气流行为、热回收效率和声学性能。他们的工作强调了压力损失、效率以及与舒适性相关的方面（如噪音）之间的权衡，这对于安装在居住者附近的分散式系统至关重要。

尽管这些最新研究共同展示了分散式和基于膜的通风系统的潜力，但现有文献大多关注组件级别的性能、简化的建模方法或孤立方面的研究，如热效率、控制或声学。结合全尺寸实验验证、基于物理的热质传递建模和建筑规模瞬态联合仿真的综合研究仍然有限。特别是那些同时实现显热和潜热回收并专为改造应用设计的 fa?ade-integrated 基于膜的总热交换器受到的关注相对较少。

尽管集中式热回收通风技术取得了进展，但对于现有建筑来说，实际的挑战仍然存在，包括管道空间有限、改造成本高，以及需要可扩展的分散式解决方案，以实现显热和潜热的回收。在这种情况下，本研究调查了一种带有基于膜的热量交换器和专利蜂窝分离器的分散式 fa?ade-integrated 总热交换器 (THEX)，旨在减少与通风相关的能源损失，同时适用于作为分散式通风单元。该单元的新颖之处在于其专利的蜂窝结构分离器 [28]。虽然分散式通风单元和基于膜的焓交换器已被广泛研究，但大多数现有系统都是设计为室内安装的设备或紧凑的墙体单元，与建筑围护结构的集成有限。此外，许多研究要么关注组件级别的性能，要么进行没有实际条件下的数值分析。本研究的特点是提出了一种专门为满足建筑改造应用的空间、安装和性能要求而设计的 fa?ade 通风单元。

除了系统设计之外，本研究的特点还在于结合了全尺寸实验验证、基于物理的数值建模和建筑规模联合仿真框架。这种多层次方法直接关联了组件级别的温湿度性能及其对整个建筑显热和潜热需求的影响。通过展示在高对比度气候条件下的高能量回收效率以及量化减少的通风相关负荷，本研究推进了对分散式基于膜的通风系统的理解和实际应用性。

在以下部分，我们将介绍：
- 新型总热交换器 (THEX)
- 在真实尺寸测试模型中进行的研究，其中 THEX 被集成到外部 fa?ade 中。展示了实验评估结果并进行了讨论
- 用于 THEX 的热质传递的数值模型，该模型经过校准并基于实验数据进行了验证
- 通过运行时联合仿真方法研究 THEX 对典型房屋的显热和潜热负荷的影响，其中在 MATLAB 中开发的 THEX 数值模型与整个建筑能源仿真程序 EnergyPlus 相结合另外还放置了两个过滤器，一个位于新鲜空气通道，另一个位于排风通道，用于捕捉空气流中的污染物。Engarnevis等人[31]的研究表明，膜表面上的颗粒物积聚会显著降低通过膜的传湿速率，因此建议使用过滤器来保持膜的高效性。在新鲜空气通道处需要一个旁路执行器，以避免高湿度条件下可能出现的冷凝风险，并在夏季室外条件适宜时启动自然冷却功能。

图2展示了基于膜的总体热交换器（THEX）的组件。将THEX面板集成到立面结构中会对布局和用于安装旁路的可用空间产生空间限制。该执行器是一个电控圆柱形活塞，占用20厘米的空间，并在其末端连接了一块矩形板，通过来回移动可以控制其位置。当完全关闭时，矩形板会被压紧在内部框架上，确保气密性。

最终，THEX面板被集成到实际尺寸测试单元的外部保温墙中，如图3所示。THEX面板内部还添加了一层保温材料以及石膏板装饰层（图3中未显示）。在新鲜空气和排风通道的每个进出口都放置了四根塑料导管，用于测量进出口空气条件：温度、相对湿度、空气流速和压力损失。所有导管都覆盖有保温材料，外部导管除保温层外还覆盖有反射铝胶带，以减少太阳辐射的影响。每个室外导管末端还装有金属挡板，以防止雨水进入。

与传统的平面或网状膜间隔器相比，专利的蜂窝状分离器提供了均匀的气流分布、连续的机械膜支撑以及低压降的流动路径。明确的平行微通道确保了热量和水分的均匀传递，同时防止了膜变形，允许使用超薄的吸湿膜。与波纹或高度曲折的间隔器不同，蜂窝几何结构能够在没有过度压力损失的情况下实现高效的热量和潜热回收，适用于分散式立面集成应用。

表1对所提出的基于膜的THEX系统与代表性通风技术（包括热回收装置HRV和旋转轮）进行了性能对比。回收效率和压力降的数值来自已发表的文献和制造商数据，但需注意这些数值会受到气流速度和核心类型的影响。

表1. 所提出的基于膜的THEX系统与代表性分散式通风技术的对比：能量回收效率、空气侧压力降及指示性成本范围（零售设备价格因市场、气流容量、过滤等级和安装范围而异）。

技术（示例） | 典型回收效率 | 典型压力降（Pa） | 来源/参考
---|-----------------|---------------|----------
基于膜的THEX（本研究） | 热量回收约0.82；潜热回收约0.68；焓回收约0.60–0.70 | ～20–55
HRV（地面安装、天花板下、墙壁安装） | 热量回收0.75–0.90；潜热回收最高0.63 | ～50–350 | 制造商数据和独立测试报告：Ventbox系列[32]
旋转热交换器 | 效率约0.7–0.83 | ～50–180 | Zmrhalet等人，2023 [33]

在这种情况下，所提出的THEX系统在相对较低的压力降下实现了较高的热量和潜热回收效率，对于风扇能耗和噪音要求较高的分散式应用来说非常有利。

3. 实验研究
3.1. 仪器
图3显示了室内侧的导管及其集成的传感器。在每个进气管道和出气管道上都安装了温度、相对湿度、空气流速和差压传感器，这些传感器可以评估THEX系统的性能，特别是其热量回收效率、潜热回收效率和焓回收效率。使用四个T型热电偶（每个管道一个）和四个相对湿度传感器来测量空气温度和相对湿度。在每个管道的排风口（室内侧）和新鲜空气出口（室内侧）各安装了两个空气流速传感器。所有传感器都垂直安装在接收和输送空气的圆形管道的中间位置。使用两个差压计测量了能源交换器两侧的压降。

表2列出了设备的制造商、型号及其声明的不确定性。

3.2. 实验结果
我们选择了实验过程中的一个代表性时间段来展示结果。在此期间，连续几天内应用了不同的场景。第一个场景是完全打开旁路。这个场景将展示THEX系统在旁路开启时的表现，以及两个空气流之间是否会有任何热交换。换句话说，在完全旁路模式下，是否应该有一些热量或水分的交换？在这个场景中，加热系统被关闭，意味着室内空气处于自由流动状态。

接下来是第二个场景：加热系统被开启，设定温度为30°C，以确保室内外有足够的温度差。在这个场景中，启动了水分生成装置，并偶尔进行开关控制。这一步骤对于在室内外环境中创建湿度差非常重要。

在第三个场景中，加热系统开启但关闭了水分生成装置。两个空气流的体积流量固定为36立方米/小时，相当于测试单元每小时换气0.5次。这个值通常在建筑设计中对通风有要求。

在所有后续的温度和湿度图中，图例说明如下：
- 蓝色和红色曲线分别代表新鲜空气和排风（室内）空气。
- 对于新鲜空气和排风空气，虚线曲线代表入口条件，实线曲线代表出口条件。
- 排风空气始终是室内空气，新鲜空气始终是室外空气。

图4显示了考虑时间段内新鲜空气和排风空气的进出口温度。实验数据每1分钟记录一次，所有图表均显示了10分钟的平均值。

通过分析第一个场景，我们可以观察到即使旁路完全打开，室外新鲜空气仍被排风空气加热了3°C。可以得出三个假设来解释这一现象：
1. 尽管旁路完全打开，两个空气流之间仍存在一定的热交换。这意味着尽管流动路径发生偏移，仍有一定量的空气通过THEX核心组件。
2. 比室内空气更冷的室外空气从通过THEX单元的室内空气向室外传递的热量损失中获取了一些热量。
3. 安装了传感器的圆形管道尽管覆盖有保温层，但仍从室内空间吸收了一些热量。

因此，这些原因中的一个或组合可能是造成这一现象的原因。第一个假设不会影响THEX性能指标（热量回收效率、潜热回收效率和焓回收效率）的计算结果。如果是第二个假设导致新鲜空气加热，则可以将其视为额外的能量回收。也就是说，THEX系统从排风空气流以及通过单元的“室内到室外”的热流中回收了热量。然而，如果是第三个原因，由于热量从室内空间传递到管道，最终传递到管道内的温度传感器，那么THEX的性能指标会被高估。值得注意的是，我们在管道长度上安装了三个温度传感器以检查是否存在温度梯度，结果显示变化小于0.5°C，这在传感器的不确定性范围内。

在旁路运行期间，新鲜空气温度的升高可能是由于多种因素共同作用的结果：少量的压力不平衡导致通过交换器核心的泄漏、通过管道壁和外壳的传导热传递，以及室内空气与交换器外壳之间的残余热耦合。这些现象在真实的立面集成系统中是不可避免的。重要的是，它们不影响交换器性能的评估，因为所有热量回收效率的计算都是在完全关闭旁路条件下进行的。

在第二个场景中，加热系统被开启以保持室内空气温度在30°C左右，并启动了水分生成装置向室内空气中添加水蒸气。选择这个较高的设定温度是为了确保室内空气始终比室外空气更热。这是因为在某些阳光强烈的日子里，我们观察到一些不符合物理规律的现象，例如排风出口温度高于排风入口温度和新鲜空气入口温度。这是因为太阳辐射加热了装有传感器的室外管道。因此，在这些受太阳辐射影响的期间，性能计算没有实际意义。因此，所有热量回收效率指标都是基于低辐射条件和夜间条件计算得出的，这些条件下的测量结果不受太阳辐射的影响。

图4显示，新鲜空气出口温度始终高于26°C。例如，当入口温度约为10°C时，出口温度约为27°C。在所有考虑的时间段内，尤其是在夜间新鲜空气和排风空气温差最大的时候，新鲜空气出口温度有显著升高，最多增加了16°C。

图5显示了考虑的流量下的通风热负荷，如前所述，包括使用THEX面板和不使用THEX面板的情况，以及由于热交换器存在而产生的热量增益。通风热负荷的计算使用了公式（15）。

图5的结果表明THEX面板具有显著的节能潜力。使用THEX面板后，通风热负荷降低了约65%至85%。值得注意的是，在保温性能良好的建筑中（如新建建筑或深度改造的建筑），通风需求所造成的加热/冷却需求约占建筑总需求量的30%至40%。因此，_total热交换器可以显著减少这部分能量需求。

图A2显示了热量增益的不确定性。这种不确定性主要是由于测量气流速度时的不确定性造成的。

在第二个场景中，测试单元内部产生了水分。图6显示了新鲜空气和排风空气的入口和出口绝对湿度。在所考虑的期间，由于任意产生的水分，新鲜空气和排气空气在入口处的绝对湿度之间存在较大差异。在这种情况下，我们可以展示在不同入口条件下的水分传递效率。例如，对于湿度差为15克/千克（wFA,i=8克/千克和wEA,i=23克/千克）的情况，新鲜空气出口的湿度比为18克/千克，排气空气出口的湿度比为13克/千克。因此，有10克/千克的质量传递通过膜。对于湿度差为5克/千克（wFA,i=7克/千克和wEA,i=12克/千克）的情况，新鲜空气出口的湿度比为10克/千克，排气空气出口的湿度比为9克/千克。因此，有3克/千克的质量传递通过膜。

图6. 新鲜空气和排气空气的入口和出口湿度比。THEX面板的性能指标由显热效率、潜热效率（水分传递）和焓效率定义，如图7所示。这些指标是在旁通管关闭时计算的。它们也依赖于工作条件，即入口处的温度和湿度比。

图7. 热交换器的显热效率、潜热效率和焓效率。温度效率（ηs）在0.7到0.8之间变化。夜间，由于入口之间的温差较大，我们得到的ηs值较高。在所考虑的期间，最后一天的白天的ηs值降低到较低的水平（0.5–0.6）。原因是如图6所示，入口之间的温差非常小。水分传递效率（ηl）的范围在0.5–0.7之间。当入口间的绝对湿度差非常大时，ηl的值会超过0.7。对于较小的湿度差，ηl大约在0.55–0.6之间。在第三种情况下，当水分生成被关闭时，由于两个空气流入口之间的绝对湿度差非常小（小于0.5克/千克），水分传递效率的差异很大。因此，在这种情况下进行效率计算不够准确。

图8显示了在水分产生后的时期（第二和第三种情况），显热效率作为新鲜空气和排气空气入口温差的功能，以及潜热效率作为新鲜空气和排气空气入口绝对湿度差的功能。如前所述，当考虑入口湿度差较小时，水分传递效率的准确性不高。

为了研究空气流速对THEX性能和压降的影响，进行了另一项实验。在短时间内，体积流速在风扇能够达到的最小值和最大值之间变化。风扇保持特定速度的时间约为15分钟。这样做的原因是我们需要相同的工作条件（入口条件），以便能够比较不同流速下的THEX性能。

图9显示了不同空气流速下THEX的潜热效率（上图）以及入口温度和湿度差（下图）。显然，由于我们在实际天气条件下操作，入口条件总是会有一些变化。

图10显示了随着新鲜空气和排气空气入口温差的变化，显热效率的变化，以及随着新鲜空气和排气空气入口绝对湿度差的变化，潜热效率的变化。图9表明，空气流速对THEX的性能有显著影响。随着空气流速的增加，潜热效率降低。例如，当流速为14立方米/小时时，ηl约为0.8；然而，当流速为55立方米/小时时，它降低到0.55。由于实验设置的边界条件，体积流速的最大限制为57立方米/小时。

表3总结了所有调查的操作情况下的显热效率、潜热效率和焓效率以及相应的压降，从而可以直接比较系统性能。

表3. 基于膜的总热交换器（THEX）的显热效率、潜热效率、焓效率及其对应的压降的比较总结，作为体积流速和入口温度及湿度梯度的函数。

图10显示了不同空气流速下THEX的新鲜空气和排气空气流的压力降。压降几乎随着流速的增加而线性增加。例如，当流速从15立方米/小时增加到55立方米/小时时，压降从5帕增加到38帕。在实验研究中，名义流速为36立方米/小时（相当于0.5次/小时的空气更换率），压降约为22帕。

图4总结了数值模型中使用的控制热和质量传递方程。新鲜空气出口温度和绝对湿度的模拟值与测量值之间存在误差。为了定量评估测量数据与模拟值之间的一致性，计算了以下指标：
- 百分比均方根误差（PRMSE），其定义如下（公式31）：
$$ PRMSE = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( T_{si} - T_{mi} \right)^2 \cdot 100 $$
其中 $ n $ 是某个时期内的总测量次数，$ T_{si} $ 和 $ T_{mi} $ 分别是模拟值和测量值。
- 均方根误差（RMSE），使用公式（32）计算：
$$ RMSE = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( T_{si} - T_{mi} \right)^2 $$

- 模拟值与测量值之间的平均绝对差（公式（33）及其标准差（公式（34））：
$$ \bar{\Delta} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( T_{si} - T_{mi} \right) $$
$$ \sigma_{\Delta} = \sqrt{\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \Delta_{i} - \bar{\Delta} \right)^2 } $$
其中 $ \Delta_{i} = T_{si} - T_{mi} $$

PRMSE和RMSE表明模拟值与测量数据之间有很好的一致性。如表6所示，新鲜空气和排气空气出口温度的PRMSE分别约为4.2%和8.6%。对于湿度比，新鲜空气出口的PRMSE约为10.7%，排气空气出口的PRMSE约为5.2%。测量值与模拟值之间的平均差异（$\bar{\Delta}$）分别为新鲜空气出口约0.69°C和排气空气出口约1.47°C，标准差分别为约0.65°C和1.07°C。新鲜空气和排气空气出口湿度比的平均差异分别为约0.98 g/kg和0.42 g/kg，标准差分别为约0.56 g/kg和0.37 g/kg。

表6. 评估模拟值与实验数据一致性的性能指标。

在考虑的时期内，新鲜空气流通过膜的测量和模拟的热通量和水分通量如图14所示，以及误差差异。该图显示数值模型在热通量估计方面给出了非常令人满意的结果。然而，在某些时期，特别是在旁路完全打开的情况下（第一种情况），模型高估了热通量。对于其他时期，我们可以观察到模型能够以非常小的误差再现实验数据。关于水分通量，数值模型在高湿度产生时高估了这一通量。在高室内湿度条件下潜热传递的这种轻微过度预测主要是由于几个建模假设和参数不确定性造成的。首先，模型假设水蒸气在膜表面达到平衡吸附状态，而实际上，在湿度变化迅速的情况下可能会发生瞬态吸附和解吸过程。其次，忽略了湿敏膜内的瞬态水分储存，这可能导致在高湿度梯度下水分通量的高估。最后，关于膜在较高湿度水平下的有效水分扩散率仍存在不确定性，因为这一属性对膜的水分含量和操作条件非常敏感。

为了进一步说明测量值与模拟值之间的一致性，我们将模拟结果作为测量数据的函数绘制在图15中。该图还显示了与完美一致情况相对应的直线，以及与完美一致情况相差±15%的两个区间。模拟数据始终在±15%的误差范围内。从所呈现的所有内容以及考虑测量中的不确定性来看，我们可以得出结论：数值模型能够以可接受的误差范围再现实验数据。

**5. 建筑规模数值模拟**

**5.1. 方法论**
将使用数值模拟来评估这种通风系统对典型两层独立住宅能耗的影响。所使用的方法是将整个建筑能耗模拟程序EnergyPlus1中的房屋数值模型与（之前展示的）MATLAB中开发的总热交换器模型进行联合模拟。

**5.2. “EnergyPlus”房屋模型**
**5.2.1. 几何描述**
所考虑的房屋是一个面积约为100平方米的两层住宅，带有阁楼和爬行空间。所有外墙都得到了良好的保温处理（外墙、屋顶和地板的热传导率为0.25 W/(m2·K)）。所有窗户都是双层玻璃，U值为2.6 W/(m2·K)， solar heat gain coefficient为0.61。模拟了一个真实情况下的人员占用场景。

**气候**
考虑了两个不同气候的城市：里昂（法国）和阿布扎比（阿拉伯联合酋长国）。里昂（北纬45.75°，东经4.85°）冬季寒冷干燥，以供暖负荷为主；阿布扎比（北纬24.45°，东经54.37°）夏季极其炎热潮湿，以制冷/除湿负荷为主。天气数据的来源是IWEC（国际能源计算天气数据）[40]。IWEC数据文件是适用于建筑能耗模拟程序的典型天气文件，这些数据来源于长达18年的存档每小时天气数据。

**5.2.2. HVAC系统和控制设定点**
在EnergyPlus中选择了一个理想化的HVAC系统，该系统将调节空间的内部空气温度保持恒定：里昂气候下为19°C的供暖设定点，阿布扎比气候下为26°C的制冷设定点。为了检查THEX对减少潜热负荷的影响，HVAC系统还将室内空气相对湿度保持在50%（除了温度控制之外）。通风率为0.5 ach，并且始终保持“开启”状态。渗透率设定为0.1 ach（始终开启）。

**5.3. 将EnergyPlus与MATLAB耦合**
MATLAB?通过MLE+ [41]协议与EnergyPlus进行耦合。后者使用BCVTB [42]协议进行模型耦合。在每个时间步长为15分钟的情况下，对于1年的模拟周期，两个程序按照以下方式交换信息：EnergyPlus向MATLAB发送室内和室外空气的温度和湿度比。使用这些输入作为边界条件，MATLAB?模型计算热质交换系统的热量和质量传递，计算出口温度和湿度比。通风的显热/制冷负荷按照公式（15）计算。通风的加湿/除湿负荷按照公式（35）计算。这些通风显热和潜热负荷被发送回EnergyPlus并作为内部负荷进行整合。

**5.4. 模拟结果**
对于阿布扎比的气候，考虑了制冷和除湿。首先进行了不带热回收的传统机械通风系统的模拟。我们考虑的是第一层（底层的数据也适用）。年显热制冷负荷为86 kWh/m2，其中通风显热负荷为20 kWh/m2（占23%）。安装THEX后，通风负荷减少到6.4 kWh/m2，减少了68%。年总显热负荷约为73 kWh/m2。图17显示了全年有无THEX情况下的每小时显热通风负荷。

对于里昂的气候，考虑了供暖和加湿。首先进行了不带热回收的传统机械通风系统的模拟。我们考虑的是第一层（底层的数据也适用）。年显热供暖负荷为54 kWh/m2，其中通风显热负荷为19 kWh/m2（占36%）。安装THEX后，通风负荷减少到5.2 kWh/m2，减少了73%。年总显热负荷约为40.2 kWh/m2。年潜热加湿负荷为14 kWh/m2（室内相对湿度设定点为50%），其中通风潜热负荷为11.5 kWh/m2。安装THEX后，通风潜热负荷减少到5 kWh/m2，减少了56%。这种行为归因于由于压力不平衡导致的换热器芯体中的轻微泄漏，以及通过外壳和管道壁的导热传递。这些效应是集成在建筑立面中的系统所固有的，并不能反映换热器芯体本身的性能。在湿度梯度非常低的条件下，该系统表现出实际的操作限制。当新鲜空气流和排废气流之间的湿度差异变小时，水分通过膜的扩散驱动力不足，从而增加了潜在效率评估的不确定性。焓效率反映了显热传递和潜热传递的综合贡献，因此受到温度和湿度梯度的共同影响。在中等气流速率以及空气流之间足够大的温湿差的情况下，换热器能够实现高焓效率，从而同时实现热量和水分的回收。然而，在高气流速率下，热量和质量传递的停留时间减少，导致焓效率降低，即使其中一个驱动力仍然显著。这些观察结果表明，基于膜的换热器的焓性能不仅仅取决于膜本身的性质，还受到气流速率以及显热和潜热驱动力相对大小的综合影响。因此，要使分散式集成在建筑立面中的焓换热器达到最佳运行状态，需要一种平衡的气流策略，以在保持可接受的压力损失的同时最大化热量和水分的回收。

使用MATLAB技术计算环境开发了一个用于THEX内部耦合热质传递的数值模型。该模型随后根据实验测量数据进行了校准和验证，特别关注了空气流与通道壁之间的对流热传递系数以及膜两侧的水蒸气扩散系数。仿真结果与实验数据相当吻合。该数值模型与在EnergyPlus仿真环境中实现的单户住宅的整体建筑能量模型相结合，用于评估在不同气候条件下总换热器对通风相关的显热和潜热负荷的影响。结果表明，THEX在炎热潮湿和寒冷干燥的气候条件下都表现出良好的性能，通风相关的显热和潜热负荷分别减少了约70%和55%。这些相对减少量受选定的温度和湿度设定点、内部热负荷以及建筑特性的影响。

在炎热潮湿的气候条件下，由于需要同时进行冷却和除湿，潜热负荷可能占总冷却需求的40%。在这种情况下，使用总换热器可以显著减少显热和潜热通风负荷。相比之下，在寒冷干燥的气候条件下，暖通空调系统的设计通常侧重于显热供暖需求，而与加湿相关的潜热负荷往往被忽视。所提出的THEX显著降低了由通风引起的显热供暖需求，并且在考虑了加湿需求时也有助于降低潜热加湿需求。建筑规模的仿真显示，在炎热潮湿的气候条件下，通风相关的显热负荷减少了高达70%，潜热负荷减少了55%。对于典型的住宅改造场景，这些减少意味着年能源成本的显著节省，特别是在通风对供暖、制冷和除湿需求贡献较大的气候条件下。除了直接节省能源外，集成在建筑立面中的系统还减少了与集中式风管系统相关的安装限制，后者可能占到改造成本的大部分。

进行了初步的成本效益评估，以评估所提出的集成在建筑立面中的THEX的改造可行性。市场数据显示，分散式热回收通风设备的成本范围较广，取决于气流能力、控制方式以及集成复杂性。与这些参考成本相比，所提出的系统在同一数量级上实现了显热和潜热的综合回收。尽管结果令人鼓舞，但仍需承认一些局限性：实验测量在白天可能受到太阳辐射的影响，从而需要排除受影响的数据；旁路运行期间的轻微气流泄漏以及通过外壳的导热传递可能在特定条件下影响了有效的热回收；此外，本研究未考虑长期的膜污染或老化效应，这些因素可能会随时间影响水分传递性能；数值模型基于一维稳态公式，忽略了瞬态吸附动力学和多维效应；此外，由于风扇和气流路径靠近居住空间，噪声产生是分散式通风系统的一个已知问题。虽然现有文献提到了这一问题，但实验过程中并未进行专门的声学测量。本研究的范围有意限于温湿性能和能量回收效率的评估。

从生命周期的角度来看，本研究关注的是运行中的能源节约，未包括隐含能源、制造影响或使用寿命结束后的考虑因素。未来的工作需要全面评估生命周期的成本和环境影响，包括膜的耐久性、维护要求以及长期性能退化。尽管如此，初步结果表明，所提出的THEX在传统集中式解决方案不切实际的应用场景中具有成本效益高的部署潜力。本研究的结果也有助于实现更广泛的可持续性目标，符合联合国可持续发展目标（SDGs）[51]的要求。通过大幅减少与通风相关的能源需求，所提出的集成在建筑立面中的总换热器支持SDG 7：清洁和可负担的能源，通过提高建筑能源效率并减少对化石燃料供暖和制冷的依赖。系统的分布式特性及其适用于改造应用的特点有助于实现SDG 11：可持续城市和社区，使现有建筑环境能够进行能源高效的升级。此外，通过降低供暖、制冷和除湿负荷，从而减少相关的温室气体排放，这项工作推动了SDG 13：气候行动，促进了建筑能源使用的需求侧缓解策略。

未来的研究应在几个方向上进行扩展。首先，需要进行的长期实验研究来评估在实际运行条件下的膜耐久性、污染和老化效应，正如最近关于先进能源系统和材料长期性能和可靠性的研究所强调的那样。其次，未来的工作应该探索先进的控制策略，将气流速率调节与实时室内温度和湿度条件动态结合，并研究将集成在建筑立面中的焓换热器整合到多区域建筑和智能能源系统中，同时使用多目标优化框架来平衡显热和潜热效率、压降、风扇能耗和声学舒适度等竞争性能指标，这得益于多目标优化算法的最新进展[52][53][54][55]。这些研究方向对于推进高效、集成在建筑立面中的通风和能量回收系统的部署和大规模应用至关重要。

CRediT作者贡献声明：
Mohamad Ibrahim：撰写 - 原始草稿、监督、软件设计、方法论、形式分析、概念化。
Timea Bejat：撰写 - 原始草稿、监督、方法论、形式分析。
Fabien Bruyat：撰写 - 审稿与编辑、方法论、研究、形式分析、概念化。
Mathieu Mariotto：撰写 - 审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、研究、概念化。
Oussama Ibrahim：撰写 - 审稿与编辑、软件设计、方法论、形式分析。
Mohamed Fayed：撰写 - 审稿与编辑、方法论、形式分析。
Jér?me Alexandre：撰写 - 审稿与编辑、资源管理、方法论、概念化。