熱回收通風機
熱回收通風機（HRV），亦稱機械熱回收通風機，是一種在兩個不同溫度的氣流之間運行、用以回收能量的通風系統。其目的是降低建築物的供暖與製冷需求。
建築中的典型熱回收系統由換熱芯、新風與排風通道以及雙方向的風機組成。根據氣候條件、季節以及建築需求，建築排風可作為熱源或冷源使用。熱回收系統通常可以回收排風中約50%–95%的熱量，從而顯著提升建築的能源效率。[1]
能量回收通風機（Energy Recovery Ventilation, ERV）是一種空氣—空氣換熱器，不僅能傳遞顯熱，還能傳遞潛熱。由於同時處理遞溫度與濕度兩個參數，能量回收通風機也被稱為全熱交換機（「全熱」一詞出自焓(enthalpy)的日文漢字譯詞）。相比之下，熱回收通風器（HRV）只能傳遞顯熱，因此可被視為顯熱交換設備。換句話說，所有ERV都屬於HRV，但並非所有HRV都是ERV。將HRV與ERV這些術語互換使用是不正確的。[2]
在較暖的季節，ERV系統可對新風進行預冷與除濕；在較冷的季節，系統則可加濕並預熱。ERV系統有助於暖通空調設計滿足通風與能源標準（例如ASHRAE標準），同時改善室內空氣品質並降低整體暖通空調設備容量，從而減少能源消耗。ERV系統還能使暖通空調系統在幾乎所有工況下維持約40–50%的室內相對濕度。不過，ERV需要依靠風機克服系統中的壓降，因此會產生一定的能耗。[3]
全球近一半的能源用於建築 ，有一半的加熱與冷卻成本是由通風引起。使用熱回收通風機可以大量的降低能源消耗，是一種具成本效益、可持續且快速的方法，在改善室內空氣品質的同時還能降低全球能源消耗。
工作原理
[編輯]熱回收系統旨在向有人使用的房間提供經過處理的空氣，以維持一定的溫度。[4]熱回收系統在保持室內通風的同時，回收室內環境排出的熱量。其目的在於將熱能從一種流體傳遞到另一種流體，或從流體傳遞到固體，或從固體表面傳遞到流體，這些介質之間具有溫差並處於熱接觸狀態。在大多數熱回收系統中，流體與流體之間並不直接接觸。在某些情況下，由於流體之間存在壓差，可能會出現洩漏，導致兩種流體發生混合。能量回收系統的目的是通過重新利用排風中的能量，降低房間供暖、製冷或通風所需的能量消耗。.[5]
類型
[編輯]轉輪式換熱器
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轉輪式換熱器也叫做能量回收輪或熱回收輪，是一種能量回收型換熱器。它通常安裝在空調機組（AHU）或屋頂機組（RTU）的送風與排風氣流之間，或用於工業過程的排氣中，以回收熱能。其變體包括焓輪與乾燥輪。專門用於冷卻的熱輪有時也被稱為京都輪。
轉輪式換熱器是一種機械式的熱回收方式。它是一個旋轉的多孔金屬輪體，通過不斷地在兩股氣流之間運動，將熱能從一側傳遞到另一側。該系統的原理類似於蓄熱：空氣中的熱量會暫時儲存在轉輪式換熱器的材料結構中，然後再傳遞給較冷的氣流。[6]
轉輪式換熱器主要分為兩種類型：顯熱輪與焓輪（也稱乾燥輪）。雖然兩者在幾何形狀上相似，但在運行方式上存在差異。在使用焓輪時，氣流中相對濕度較高的一側，其水分會在通過轉輪後轉移到另一側氣流中。這種傳遞可以雙向進行，即從新風到排風，或從排風到新風。經過處理的送風可以直接使用，或進一步冷卻。不過，這一過程需要耗能。[7]
轉輪式換熱器是一種由可透氣材料填充的旋轉圓筒，這些材料通常為聚合物、鋁或合成纖維，能提供顯熱（全熱，也可以叫做焓）傳遞所需的大表面積。當轉輪在送風與排風氣流之間旋轉時，它會吸收熱能並將其釋放到較冷的氣流中。這一交換過程的驅動力來自於兩股氣流之間的溫差。
全熱交換是通過使用乾燥劑實現的。乾燥劑通過吸附過程傳遞水分，該過程主要由新風和排風中的水蒸氣的分壓差來驅動。典型的乾燥劑包括矽膠和分子篩。
焓輪是同時傳遞潛熱與顯熱最有效的設備之一。轉輪的結構材料選擇（通常為聚合物、鋁或玻璃纖維）會影響其耐用性。
在使用轉輪式換熱器時，兩股氣流必須彼此相鄰，以便進行能量傳遞。此外，在寒冷氣候中需要特別注意防止轉輪結霜。系統可通過調節轉輪轉速、對空氣進行預熱，或採用啟停（間歇運轉）方式來避免結霜。
奧康納等人研究了轉輪式換熱器對建築送風流量的影響。他們建立了一個計算模型，模擬在商業風塔系統中引入轉輪式換熱器，研究對送風流量的影響。他們還在亞音速風洞中做了縮尺模型實驗，從而驗證模擬的效果。通過這兩種測試的資料對比，來分析送風流量的變化。結果表明，儘管與未安裝轉輪式換熱器的風塔相比，送風流量有所降低，但當室外風速高於 3 m/s 時，仍可滿足學校或辦公建築中人員的通風要求，而這一風速低於英國的平均風速（4–5 m/s）。[8]
本研究未進行任何全尺度實驗或獲取現場測試數據，因此尚無法最終證明轉輪式換熱器適合集成到商業風塔系統中。然而，儘管在引入轉輪式換熱器後建築內部的送風流量有所下降，但還可以繼續滿足通風規範要求。目前關於轉輪式換熱器在自然通風中的適用性研究仍然不足；雖然通風量可以達到要求，但其熱性能尚未得到充分研究。未來仍需開展進一步研究，以加深對該系統的理解。[9]
熱管
[編輯]熱管是一種利用相變過程將熱量從一個氣流傳遞到另一個氣流的熱回收裝置。[1] 熱量通過一根密封毛細結構的蒸發段和冷凝段進行傳遞，管內工質在循環往復的相變過程中實現熱量傳輸。在蒸發段中，管內流體由液態變為氣態，吸收來自較暖氣流的熱能；在冷凝段中，氣體重新凝結為液體，並將熱量釋放到較冷的氣流中，從而提高其溫度。工質在熱管兩端之間的循環傳輸可依靠壓力差、毛細力或重力來實現，具體取決於熱管的佈置方式。
平板式換熱器
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平板式換熱器沒有任何運動部件，由多層交替排列、彼此分隔並密封的板片組成。其典型氣流形式為交叉流。由於大多數板片為實心且不具滲透性，因此只能實現顯熱傳遞。
新風和排風之間的熱回收是通過換熱芯進行的。換熱芯由鋁或塑料板片構成。濕度則通過水蒸氣的轉移來調節，這一過程通常是由具有滲透性的板片構成。[10]
焓板換熱器是一種交叉逆流式空氣—空氣換熱器，由可透濕材料製造。聚合物固定板式逆流能量回收設備於1998年推出。這種換熱器既可以用於改造，以提升節能效果並增加新風量，也可以用於新建建築。在新建項目中，能量回收系統能夠有效降低所需的供熱和製冷容量。具體節能比例取決於設備效率（顯熱效率最高可達約90%）以及建築所處的緯度位置。
平板式換熱器是最常見的一種熱回收換熱器類型，已經有約40年的發展歷史。其結構由多層薄金屬板疊加而成，板與板之間保持較小的間距。兩股不同的氣流分別在這些相鄰的通道中流動，彼此不直接接觸。熱量通過板材從一股氣流傳遞到另一股氣流，實現換熱過程。[11]這種設備在顯熱傳遞方面的效率已可達到90%。其高效率主要歸因於較高的傳熱係數，以及適宜的運行壓力和溫度範圍。[1]
循環迴路系統
[編輯]循環迴路系統是一種混合式熱回收系統，它結合了其他熱回收技術，形成一個單一裝置，能夠從一股氣流中回收熱量，並將其傳遞到距離較遠的另一股氣流中。在典型的循環迴路熱回收系統中，兩台空氣-流體板式換熱器分別安裝在兩股獨立的氣流中，並通過一個閉式循環迴路相連接。該迴路中充滿流體，流體在兩個換熱器之間不斷循環流動。在循環過程中，流體不斷被加熱和冷卻，從而實現熱量的傳遞與回收。由於流體需要在迴路中持續流動，因此系統需要使用泵在兩個換熱器之間輸送流體。儘管這會帶來額外的能耗，但相比於使用風機來輸送空氣，通過泵循環流體的能耗通常更低。[12]
相變材料
[編輯]相變材料是一種用於在建築結構中儲存顯熱和潛熱的技術，其儲熱能力高於傳統建築材料。由於相變材料能夠蓄熱，並能把供暖和製冷耗電從高峰時段轉移到非高峰時段，因此受到了廣泛研究。建築熱品質的概念早已被認識，即建築物本身的結構可以吸收熱量，從而説明降低空氣溫度。研究表明，與傳統建築材料相比，在相同溫度範圍內，相變材料的儲熱能力可高出約12倍。[13]由於相變材料可以直接集成到建築結構中，不像其他換熱技術那樣直接作用於氣流通道，因此可以推測，將相變材料應用於建築材料中不會產生明顯的空氣壓降。[14]
固定床再生器
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根據 ASHRAE 的定義，固定床再生器是一種換熱裝置，其中一個或多個靜止的蓄熱介質（陣列）先從排風中吸收能量，然後再將該能量傳遞給交替流動的送風和排風氣流。[15]
基於這一原理，固定床再生器可作為一種熱回收通風設備，通過對進入室內的新風進行預處理（預熱或預冷），從而降低暖通空調系統的能耗，並具有較高的表觀顯熱回收效率。[16]
固定床再生器具有多種尺寸和配置形式，以適應不同的氣流需求。其運行方式通常依靠一個或兩個芯（蓄熱體）來完成能量傳遞，並在每個回收週期中通過反轉氣流方向來實現換熱過程。[17]單芯系統在歐洲更為常見，而在北美地區，則更普遍採用雙芯系統。
為便於搬運、清潔和運輸，換熱芯（蓄熱體）通常會被分割成較小的單元。大多數換熱芯由鋁製成，但在需要減輕重量或對腐蝕敏感的環境中，也可以採用聚丙烯等替代材料。每個單元內部的板片可以具有不同的間隔結構形式、波紋形狀以及厚度，板與板之間的間距通常在2.5mm到12.7mm之間。
風門（例如多葉片風門或單擋板）對氣流進行控制，在兩個固定換熱芯之間快速切換氣流方向。[18]在每個循環中，一個換熱芯負責輸送經過處理的新鮮空氣，而另一個換熱芯則排出室內污濁空氣。隨後氣流方向會被反轉，使各換熱芯在一段時間後得到「再生」，這一週期通常為50到70秒。這種交替運行的方式能夠在實現連續通風的同時，保持較高的能量回收效率。
部分固定床再生器在供暖模式下還可以實現潛熱回收。通過在換熱表面塗覆乾燥劑，可以在更廣泛的環境條件下實現濕度傳遞。在經過乾燥劑處理的固定床再生器中，潛熱效率通常在60%到80%之間。
在「自由冷卻」模式下，回收週期可能延長至3小時。一些固定床再生器系統還會採用不同的回收時間（約20至120秒），以調節排風的溫度和濕度。較短的循環週期可以提高換氣頻率，從而提升整體換熱效率。[17]
應用
[編輯]平板式換熱器
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瑪迪亞娜等人[19]將平板式換熱器集成到一種商業風塔中，強調了該系統作為一種「零能耗通風」解決方案的優勢，並且結構上易於改造。為評估該組合系統的效果與效率，研究人員進行了全尺寸實驗室測試。在實驗中，將風塔與平板式換熱器集成，並安裝在一個密閉測試房間的中央位置。
該研究結果表明，將風塔被動通風系統與平板式換熱器相結合，可以形成一種有效的複合技術，在無需額外能耗的情況下回收排風中的廢熱，並對新風進行預熱（預冷）。儘管研究中未提供測試房間內通風量的具體資料，但可以推測，由於換熱器帶來的較高壓降，通風量相比風塔的常規運行狀態會顯著降低。因此，有必要對這種組合技術開展進一步研究，以更深入地理解其氣流特性。[14]
熱管
[編輯]相比其他熱回收系統，熱管具有較低的壓降，關於將其集成到被動通風系統中的研究更多。一些研究同樣採用商業風塔作為被動通風裝置，以整合這種熱回收技術。這進一步表明，商業風塔可以作為機械通風的一種有價值替代方案，能夠同時實現送風與排風功能。[14]
循環迴路系統
[編輯]弗拉加-馬里揚奇克等人[20]在瑞典開展了一項研究，考察了一種採用循環迴路熱回收系統的被動通風方案。該系統利用地源熱泵作為熱源，用於加熱進入室內的新風。研究中，從所使用的被動式住宅中採集了實驗測量資料和氣象資料，並基於傳感器及氣象站的資料建立了該住宅的CFD（計算流體力學）模型。隨後通過模型計算，評估循環迴路系統的效率以及地源熱泵的性能表現。
當換熱管被埋在地下約10–20米時，地源熱泵可提供穩定可靠的熱能。冬季時，地下溫度高於室外空氣溫度；夏季則低於室外空氣溫度，因此既可作為熱源，也可作為冷源。研究發現，在氣候最寒冷的2月份，地源熱泵能夠滿足住宅及其居住者大約25%的供暖需求。[14]
相變材料
[編輯]目前關於相變材料有很多研究，主要集中在將相變材料集成到傳統的多孔建築材料中，例如混凝土和牆板。科斯尼等人[21]分析了在建築構造中使用相變材料後的熱性能。研究結果表明，在建築材料中加入相變材料，有助於提升整體熱性能。
相變材料在被動通風熱回收系統中的一個顯著缺點，是無法在不同氣流之間實現即時傳熱。相變材料本質上是一種儲熱技術，它會先將熱量儲存在材料內部，直到空氣溫度下降到一定程度後，才將熱量釋放到氣流中。目前尚未有研究探討在兩股不同溫度氣流之間直接應用相變材料以實現連續、即時換熱的可行性。因此，在這一方向開展研究，將有助於推動被動通風熱回收技術的發展。[14]
固定床再生器
[編輯]固定床再生器最初主要用於高溫工業過程中的熱回收。近年來，它們在暖通空調領域逐漸受到關注，被視為一種低維護成本的高效能量回收解決方案，有助於降低能源消耗、減少溫室氣體排放，並減輕暖通空調系統的負荷。[22]
現代建築正變得越來越氣密，這有助於減少能量損失和空氣滲透。雖然這提升了能源效率，但也帶來了新的問題：為了維持良好的室內空氣品質，需要進行通風，而通風過程往往會消耗大量能源。[23]
根據建築設計和氣流需求的不同，可以選擇單芯或雙芯的固定床再生器，以高效滿足通風要求。一些設計甚至可以全年運行而不產生結霜，從而避免了傳統除霜循環所帶來的能量損失。[17]
單芯固定床再生器通常應用於較小的住宅環境，尤其是在吊頂空間有限，或採用房間級、分散式、無管道通風系統的情況下。這類設備通常配備陶瓷蜂窩狀蓄熱芯，並可能使用一個或兩個風機，同時結合止回閥和導流板等氣流控制部件，以實現雙向氣流的切換與管理。[17]
雙芯系統主要用於滿足大規模通風需求，其風量範圍可從每小時85到170,000立方米。這類系統通常安裝於工業、商業以及大型住宅建築中。雖然其成本和體積可能不適用於普通家庭，但在對性能和可靠性要求較高的應用場景中，它們是非常合適的選擇。
雙芯固定床再生器的一大優勢在於其能夠在極端低溫環境下運行（最低可達 -40°C），且無需進行除霜循環或降低性能。這一點顯著優於許多傳統熱回收設備。為了在新風進入建築之前對其進行預處理，這類系統通常會與空氣處理機組集成使用。[17]
各類技術的優點和缺點
[編輯]常見的熱回收通風技術類型有：
| 全熱交換機裝置 | 傳遞型態 |
|---|---|
| 焓輪 | 顯熱及潛熱 |
| 平板式換熱器 | 顯熱及潛熱 |
| 熱管換熱器 | 顯熱 |
| 循環迴路系統 | 顯熱 |
| 固定床再生器 | 顯熱及潛熱 |
| 雙塔[24] | 顯熱及潛熱 |
| 熱回收系統的類型 | 優點 | 缺點 | 運行參數 | 效率% | 壓力降（Pa） | 濕度控制 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 轉輪式換熱器 | 高效率
顯熱和潛熱回收 緊湊設計 可提供防霜控制 |
可能存在交叉污染
氣流需要相鄰 機械驅動，需要能量輸入 |
轉速
空氣流速 轉輪孔隙率 |
80+ | 4-45 | 能 |
| 平板式換熱器 | 無運動部件，因此可靠性高
傳熱係數高 無交叉污染 可實現防霜控制 顯熱和潛熱回收 |
換熱器壓降較大
僅適用於兩股獨立氣流 會產生冷凝水 在寒冷氣候下容易結霜 |
材料類型
工作壓力 溫度 氣流佈置 |
70-90 | 7-30 | 能 |
| 熱管 | 無運動部件，可靠性高
無交叉污染 壓降較低 結構緊湊 可實現雙向熱回收 |
氣流需要彼此接近 | 工質類型
接觸時間 佈置方式 / 配置 結構形式 |
80 | 1-5 | 不能 |
| 循環迴路系統 | 氣流可以彼此分離
無交叉污染 壓降較低 可實現多種熱源的熱回收 |
需要泵來輸送流體
難以集成到現有結構中 效率較低 成本較高 |
換熱器類型
工質類型 熱源類型 |
50-80 | ~1 | 不能 |
| 相變材料 | 易於集成到建築材料中
可降低峰值能耗需求 無壓降 無交叉污染 無運動部件 使用壽命長 |
熱儲存（而非暫態傳熱）
成本較高 技術尚未充分驗證 材料選擇困難 |
浸漬法（浸潤法） | ~ | 0 | 不能 |
| 固定床再生器 | 運動部件較少
可在嚴寒氣候下運行，無需額外除霜措施 顯熱效率高 |
准穩態運行性能
出口空氣的溫度和濕度會隨時間變化 |
工質流量
乾燥劑的物理和熱特性 傳熱與傳濕面積 再生循環時間 |
70-90 | ~ | 能 |
環境影響
[編輯]節能是減少化石燃料消耗和保護全球環境的關鍵問題之一。能源成本的上升和全球變暖表明，有必要開發更先進的能源系統，從而在降低溫室氣體排放的同時提高能源利用效率。降低能源需求最有效的方法之一是提高能源利用效率。截至2015年，餘熱回收正變得越來越普及，因為它能夠提高能源效率。在許多國家，大約有26%的工業能源仍以高溫氣體或流體的形式被浪費。[25]因此，人們開始關注從各類工業過程和家庭用能中回收餘熱，並優化用於從廢氣中吸收熱量的設備。這些努力有助於減少全球變暖，同時降低能源需求。
在大多數工業化國家，暖通空調能耗約占國家總能耗的三分之一。此外，在炎熱潮濕的地區，新風的冷卻和除濕通常占暖通空調總能耗的20%–40%；而在需要100%新風通風的情況下，這一比例可能更高。這意味著，為滿足室內人員的新風需求，需要消耗更多能源。
隨著新風處理能耗成本的上升，熱回收變得愈發必要。熱回收系統的主要目的是通過回收廢熱，降低建築在供暖、製冷和通風方面的能耗。在這方面，獨立式或組合式的熱回收系統都可以應用於住宅或商業建築中，以實現節能。同時，降低能源消耗也有助於顯著減少溫室氣體排放。[26][27][28]
效能
[編輯]能量回收通風機的效能是通過計算熱交換器實際傳輸的焓與兩個氣流之間焓差的百分比來計算[29][30]。 市場上相關商品琳瑯滿目，效能也大相逕庭。其中一些系統的熱交換效率可以高達70-80%，而某些系統的熱交換效率則甚至只有50%。儘管這個這樣的數據已經比基本的暖通空調系統更優秀，但它效率之低，實在不能與其他同類型系統相提並論。目前正在進行研究嘗試將熱能傳遞效率提高到90%。[29] 高導電性多孔材料的使用被認為可以產生超過90%的交換效率。通過超過90%的高效率，可能有多達五個能源損失的因素可以被改善[29]。家庭通風研究所（HVI）已為美國境內製造的所有設備開發了相對應的檢測標準，當然很難涵蓋所有產品，最重要的是必須比較製造商提供的數據跟HVI檢測的數據差異。(附帶說明：加拿大的產品則是由R-2000標準來規範，跟HVI類似)[30]
排風熱泵
[編輯]排風熱泵通過建築的排風中提取熱量，並將其傳遞給送風、生活熱水和/或水暖供熱系統（如地暖、散熱器）來實現能量利用。[31][32]
這種系統至少需要機械排風，而機械送風則是可選的（參見通風）。該類型的熱泵需要一定的空氣換氣率來維持其輸出功率。由於室內空氣全年大致保持在20–22℃，因此熱泵的輸出功率不會隨著季節或室外溫度的變化而明顯波動。
需要注意的是，這類系統必須應用在合適類型的建築中。排風熱泵通常有最低風量要求，如果安裝在較小的公寓中，可能會導致過度通風，引入了大量不必要的室外空氣，反而增加熱損失。不過，也有一些型號可以引入額外的新風，並將其送入熱泵中處理，以避免過度通風的問題。
對於大多數早期的排風熱泵，其用於生活熱水和供暖的輸出功率通常較低，如果這一輸出功率不足以滿足建築需求，系統會自動啟動輔助加熱，例如電加熱棒或外部燃氣鍋爐。如果選型不當，電加熱補償的能耗可能相當可觀——例如，一台6 kW的電加熱器在滿負荷運行時，每小時運行成本約為1英鎊。[33]
出現的問題
[編輯]在2009年至2013年期間，英國約有1.5萬套新建社會福利住房採用了NIBE的排風熱泵作為主要供暖系統。許多業主和住房協會的租戶反映電費高得難以承受。[34][35]
排風熱泵運行成本較高是常見現象，這主要是因為其可回收的熱量非常有限。通常通風氣流約為31L/s，而可回收的熱量僅約750W，且很難超過這一水準。因此，為滿足供暖和生活熱水需求，所需的額外熱量基本都依賴電力提供，包括壓縮機耗電或電加熱器。
當室外溫度低於0℃時，這類熱泵從室內帶走的熱量甚至可能多於其提供的熱量。全年來看，安裝排風熱泵的住宅中，大約60%的能源輸入來自電力。[36]
目前，許多家庭仍在與開發商交涉，希望更換為更可靠、高效的供暖系統，其中考文垂居民的成功案例也成為參考。[37]
參考資料
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外部連結
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- http://www.UltimateAir.com （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Energy and Heat Recovery Ventilators (ERV/HRV)
- Heat Recovery Ventilation TANGRA （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）