寒冷气候下膜式能量交换器与仅显热型板式换热器的节能潜力

《ENERGY AND BUILDINGS》：Energy saving potential of membrane energy exchangers and sensible-only plate heat exchangers in cold climates

　　

摘要

全球范围内，建筑运营能耗占总一次能源供应的22％至25％。在低碳建筑中，新鲜空气系统虽能维持室内空气质量，但会增加通风所需的制冷与制热负荷。具有热量和湿气回收功能的膜式能量交换器可通过减少新鲜空气处理负荷来降低这一能耗损失。在寒冷及严寒地区，膜式能量交换器相较于仅具备显热回收功能的板式热交换器，在节能方面的优势尚未得到充分研究。此外，还有一个重要问题：由于温差更大，膜式能量交换器在严寒地区的节能潜力高于寒冷地区，但防霜要求往往会影响其实际节能效果。本研究建立了包含防霜限制的能源模型，模拟了中国六个严寒及寒冷地区城市中膜式能量交换器与板式热交换器的年度能源需求，以评估其实际节能潜力及预热效果。研究结果表明，高昂的预热能耗显著降低了膜式能量交换器在严寒气候下的节能优势。六个城市的年度数据表明，通过针对不同气候条件的策略，膜式能量交换器比板式热交换器可实现5.7％至25.4％更高的节能效果——它通过将霜点温度降低5.8％至7.2℃，从而减少预热需求。在严寒地区，这可使年度结霜时间缩短约14％（例如从冬季的36.5％降至22.4％），进而使哈尔滨等城市的预热负荷减少73.5％。这说明，通过进一步提高湿气回收效率，将霜点降至该地区极端冬季温度以下，膜式能量交换器就能实现无霜运行。在潜热负荷很小的寒冷高原地区（如格尔木），仅采用显热回收装置即可实现相近的节能效果（比板式热交换器低5.7％），因此在这种条件下，板式热交换器仍是一种高效的节能选择。

章节要点

术语表

缩写		单位
HDH	制热度时数	°C·h
CDH	制冷度时数	°C·h
MEE	膜式焓交换器	–
HDD	制热度日数	°C·d
CDD	制冷度日数	°C·d
HE	热交换器	–
PHE	板式热交换器	–
符号		单位
Q	能量	MJ
M	质量流量	kg/s
$c_p$	比热容	J/(kg·°C)
T	温度	°C
t	时间	s
h	焓	J/kg
$h_{g0}$	汽化潜热	kJ/kg
Δ	变化量	–
η	效率	%
$\mathit{Re}$	雷诺数	–
Nu	努塞尔数	–
Sh	谢伍德数	–
Le	刘易斯数	–
$d_h$	水力直径	m
k	热导率	W/(m·K)
D	扩散

方法

本节介绍了防霜阈值以及能源需求计算框架，该框架涵盖了预热、再热和热回收等内容，并明确了膜式能量交换器与板式热交换器的节能潜力。

结果与讨论

本节展示了分析模拟得出的关键结果并加以讨论。首先，对比了所选城市中膜式能量交换器与板式热交换器每月的平均总能源需求及其构成。随后，通过典型日与周的数据，分析了气候参数——尤其是结霜期和极端温度——对系统性能及预热需求的影响。最后，在潜热回收方面，

本研究的局限性

该模型采用了5.7升/秒的恒定空气流量以及固定的运行时间表，未能模拟采用变风量系统或先进控制策略可能带来的节能比例提升。在格尔木等地区，过渡季节占全年时间的40％以上，此时室内外环境的焓差极小，往往需要切换到旁通模式。

结论

本研究借助自主研发的防霜限制模型和年度逐小时动态能源需求模型，系统评估了膜式能量交换器在中国寒冷及严寒地区的实际节能潜力。通过比较不同气候区域和季节下膜式能量交换器、板式热交换器以及无回收系统的实际能源需求与节能潜力，研究了适宜的回收策略。主要研究结论包括：

(1) 严寒地区实际能源

CRediT作者贡献说明

范浩：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法论、研究实施、正式分析、数据整理。邵明磊：写作——审阅与编辑、方法论、研究实施、正式分析。董先周：写作——审阅与编辑、可视化、方法论、数据整理。田志勇：写作——审阅与编辑、监督指导、资源协调、方法论。刘鹏：写作——审阅与编辑、监督指导、资源协调、方法论、资金支持

未引用参考文献

[33]、[34]

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

我们衷心感谢华中科技大学为本项目提供的资金支持。

范浩|邵明磊|董先周|田志勇|刘鹏