194 全热交换器所采用的吸附材料与空气污染物质发生交叉污染之相关性研究

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1、全热交换器所采用的吸附材料与空气污染物质发生交叉污染之相关性研究金沢大学 児玉昭雄 西部技研 岡野浩志 金伟力Abstract Enthalpy exchangers have been widely used for achieving comfortable air-conditioning with lower energy consumption. Desiccant materials such as silica gel and molecular sieves are used so as to give it a latent heat exchanging function.

2、 However, this important function has become the cause of cross-contamination because the substances with an offensive odor are also adsorbed in the desiccant. In this paper, cross-contamination of an enthalpy wheel consisting of ion-exchange resin particles as a desiccant material is examined and t

3、he results are compared with those of a commercialized 3A zeolite wheel. It is found that the Ion-exchange resin type wheel showed smaller cross-contamination ratio than that of the other for all the contaminants tested in this study, ammonia, carbon dioxide, formaldehyde and propane.关键词 全热转轮新风换气节能热

4、回收交叉污染0 引言 通风换气是保持室内空气质量的一种非常有效的手段。然而对于使用空调的房间，导入新风必然会使空调负荷增加，通风换气与空调节能成为一对矛盾。近年，作为抑制因导入新风而引起的空调负荷上升的节能设备，显热交换器及全热交换器被逐渐应用在空调新风换气系统。显热交换器，顾名思义，只能对排风空气的显热热能进行回收。而全热交换器则不仅能回收排风空气中的显热，而且可以回收其潜热。后者具有更大的节能效果。以日本为例，1990年以来，仅用在商业、公共建筑方面的全热交换器，每年都在10万台以上1。全热交换器按其构造可以分为旋转型（转轮式）和静止型（板式与板翅式）两大类。对于旋转型而言，其核心设备是由

5、涂层了吸附材料的铝箔加工而成的转轮（Fig.1）。而静止型则是由难燃或不燃性、传热传质性能良好的透湿膜、透湿纸，经加工成波纹状并与平板状交叉叠置而成。然而，由于转轮旋转、加之吸附材料对于室内发生的有害、有味气体同样具有吸附作用，当遇到室外空气条件突变（如连雨天）等情况，有时会发生污染物质交叉污染（新风空气有异味发生）的现象2。同样，静止型全热交换器也会因为透湿材料经年劣化、或是有害有味气体在透湿材料中的蓄积而发生交叉污染现象。因此，既要发挥全热交换器的节能作用，又要防止因室内的污染空气引发的交叉污染问题，使全热交换器得到更加广泛的普及应用。选择作为全热交换器吸湿材料的最佳吸附剂至关重要。本研究

6、针对全热交换器所采用的吸附材料对于空气污染物质发生交叉污染之影响进行了实验测试。本研究的评价对象为，（1）吸附材料为离子交换树脂的全热交换器转轮；（2）吸附材料为3A型分子筛的全热交换器转轮。空气污染物质则选用了通常室内容易发生的氨气（来源于入居者的新陈代谢）、二氧化碳（来源于呼吸）、甲醛（来源于室内家具、室内装修材料、墙壁纸等所使用的粘结剂）及丙烷（来源于喷雾式除臭剂、杀虫剂等）等气体。1 空气污染物质交叉污染实验本实验按照ANSI/ASHRAE approved Standard 84-2008及 ARI 1060-2005的标准实施。1.1 全热交换器转轮本实验的对象为，离子交换树脂全热

7、交换器转轮（直径320mm、转轮厚度200mm）、3A 型分子筛的全热交换器转轮（直径320mm、转轮厚度280mm）。两种转轮型全热交换器均为市场销售品。全热交换器转轮制造过程中使用的吸附剂涂层过程、以及转轮加工过程所需要的粘结剂的种类、使用量，离子交换树脂及3A型分子筛的涂层使用量等详细数据不详。离子交换树脂是苯乙烯与二乙烯基笨的共聚物（桥架度不明），并导入磺酸基及钠离子而成的强酸性阳离子交换树脂。其对于水蒸气的吸附等温线介于A型硅胶与B型硅胶之间3-6。 Fig. 1 Sectional drawing of enthalpy wheel and the element1.2 实验装置及

8、实验过程实验装置如Fig.2所示。为了调整新风送风SA与室内换气排风RA之间的静压差，实验时采用了3台鼓风机。实验条件在Table 1中给出。空气温度测定采用了白金热电阻，而空气湿度则通过镜面冷却式露点计(General Eastern HYGRO M4 + 1311DR-SR)对空气露点进行测定后，通过露点温度与空气湿度关系式算出。OA, RA, SA, EA的空气风量测定采用了复合型Pitot Tube流量计。Fig. 2 Schematic diagram of the experimental被测试的空气污染物质有：氨气(NH3,分子量17.03)，二氧化碳(CO2,分子量44.01)

9、，甲醛(HCHO,分子量30.03)，丙烷(C3H8,分子量44.10)。实验时，当各个测定点的条件达到Table 1所示、并稳定后，开始导入空气污染物质。丙烷与二氧化碳的浓度通过连接气体钢瓶的调节阀进行调节。氨气及甲醛的浓度则通过微型定量流量泵调节供给其水溶液的流量进行调节，从而使RA空气中污染物达到所定浓度。丙烷及二氧化碳浓度通过气相色谱（FID）进行测定，而氨气与甲醛的浓度则通过检测管进行检测。2 实验结果与讨论实验所测的各个空气流路中污染物浓度及污染物的转移率X在Table 2中给出。Fig.3给出了离子交换树脂全热交换器转轮与3A 型分子筛的全热交换器转轮的污染物转移率X的结果比较。

10、转移率X的定义如公式（1）所示：X= (CSA-COA)/(CRA-COA) x 100 % (1)这里，CSA， COA， CRA分别是新风送风SA，室外空气OA，及排风RA中的污染物浓度ppm。Table 1 Experimental conditionsOutside air condition35.0 oC DB, 26.0 oC WBReturn air condition24.0 oC DB, 17.0 oC WBPurge zone angle7.2 oRotation speed of wheel22.5 rpmSuperficial velocity of air3 m/sR

11、A/SA air flow ratio1Pressure difference SA-RA0 or 250 PaTable 2 Concentrations of contaminants in each air flow and averaged cross-contamination ratios X. Wheel type: Ion-exchange resinContaminantP（Pa）OA（ppm）SA（ppm）RA（ppm）EA（ppm）X （%）NH300.52.28.96.720.42500.21.67.24.920.4CO20575601226221581.5250520

12、531225920320.6HCHO00.000.142.521.535.6C3H80252442251.2Wheel type: 3A ZeoliteContaminantP（Pa）OA（ppm）SA（ppm）RA（ppm）EA（ppm）X （%）NH302.05.810.26.246.32502.05.49.35.346.0CO20543588217220392.8250495515215619321.2HCHO00.051.223.401.8235.2C3H804142462264.1按照实验所用污染物的水溶性，可以将其分为氨气与甲醛，二氧化碳与丙烷两组。其中，氨气的转移率与SA、RA之

13、间的压差无关，具有较高的转移率。另外，由于在RA与SA之间设置了反吹净化区。在两者之间圧差为0 Pa的情况下，两种转轮也有约为OA流量的89空气通过净化区流入到排気EA中。而当圧差为250Pa时，约有OA流量的1314通过净化区。从二氧化碳的转移率可以看出：由于转轮旋转而引起的污染物质转移，随着流过净化区空气流量的增加而减少。然而设置反吹净化区，增加流过净化区空气的流量对于防止氨气转移并无效果。这是因为氨气极易被水吸收，而且具有较强的极性，所以会与水分子一同被吸附而发生转移。虽然甲醛也具有同样性质，但是与3A型分子筛的全热交换器转轮相比，在离子交换树脂全热交换器转轮中的转移率却比较低。这与离子

14、交换树脂中水分子的存在状态7、及伴随着水分子的吸收离子交换树脂会发生膨胀，其内部因此产生膨胀圧，从而阻碍了污染物质的吸附有关。而这一现象在其他吸附剂中是不存在的。Fig.3 Comparison of the cross-contamination ratio X between Ion-exchange resin and 3A Zeolite enthalpy wheels.另一方面，由于3A分子筛是常用分子筛中的微孔直径最小的一种。而本实验结果表明：采用3A分子筛作为吸湿材料的全热交换器，比采用离子交换树脂作为吸湿材料的全热交换器污染物质的转移率要高得很多。因此，可以预见：采用具有微孔结

15、构的各种吸附剂（如硅胶、4A分子筛、活性氧化铝等）作为吸湿材料的其他各类全热交换器，比采用离子交换树脂作为吸湿材料的全热交换器存在着更大的污染物质发生转移，引起所谓交叉污染的可能性。4 结论通过对4种常见的空气污染物质(氨气、二氧化碳、甲醛、丙烷)在全热交换器转轮中的转移率的测试结果进行比较可以看出：采用离子交换树脂作为吸附材料的全热交换器比采用3A型分子筛作为吸附材料的全热交换器转轮中发生污染物质交叉污染的转移率要低得多。因此，可以认为：不存在微孔构造，但是却可以通过与分子的水和反应、及离子间静电引力而吸附水分子的离子交换树脂，是防止全热交换器发生污染物质交叉污染的最佳吸附材料。参考文献1

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18、4，电话：（81-92）9423844，传真：（81-92）9423645，E-mail：jinseibu-giken.co.jp ECKERT E R G, DRAKE R M. Analysis of heat and mass transfer. 2. M. New York: McGraw Hill, 19722 陈友昌, 石之. 季节冻土直埋供热管道非稳态热损失计算. 油气田地质工程（OGSE）. 1996.9(5): 43473 樊洪明, 史守峡, 何钟怡. 地下直埋管道的温度场分析J. 哈尔滨建筑大学学报. 1999. 32(5): 60654 樊洪明, 朱蒙生, 何钟怡. 平面非规则域内非线性边值问题稳态温度场分析. 哈尔滨建筑大学学报. 2000. 33(5): 48515 郭敦仁. 数学物理方法M. 北京: 人民教育出版社, 1965