畜舍热交换芯体-风机热回收通风系统的热回收效果

李 琴，刘 鹏，刘中英，王美芝，刘继军，吴中红



畜舍热交换芯体-风机热回收通风系统的热回收效果

李 琴，刘 鹏，刘中英，王美芝，刘继军，吴中红※

（中国农业大学动物科技学院，动物营养学国家重点实验室北京100193）

热回收通风作为一种节能的通风换气方式，可缓解畜舍保温能耗与通风的矛盾。然而民用一体式热回收通风系统在畜舍中直接应用时存在通风量小、单位通风量的设备造价高等问题。该研究设计了适用于畜舍的新型节能热回收通风系统，并研究该热回收通风系统在以下3种不同配置条件下的热回收效果，探究该系统在畜舍中的较佳运行条件：板翅式热交换芯体配置不同迎面风速的热回收效果；新风依次经过2个串联连接的板翅式热交换芯体后的热回收效果；优化了板式热交换芯体与噪声小、风量大的轴流风机的参数配比后的热回收效果。结果表明：在舍内外温差为12.08 ℃，芯体配置迎面风速分别为1.05和0.86 m/s时，新风温度经过板翅式热交换芯体后分别升高了1.93和2.79 ℃，显热回收效率、热回收负荷和能效比分别为35.88%和43.63%、0.16和0.19 kW，1.37和1.61，两者显热回收效率均未达到冬季65%的节能标准。在舍内外温差为10.49 ℃时，新风依次经过串联的2个板翅式热回收芯体，经过第1次热交换后新风温度升高2.59 ℃，显热回收效率为52.11%，热回收负荷及能效比分别为0.39 kW，3.26；新风经过第2次热交换芯体时热回收作用甚微。优化板式热交换芯体与风机配比后，在舍内外温差为12.12 ℃，迎面风速为4 m/s时，新风温度升高8.23 ℃，显热回收效率为69.9%，能效比为8.0，达到了冬季节能标准。从该研究热回收效果看，第3种配置参数条件平衡了热回收效率及通风需求的关系，可满足畜舍大通风量及节能的需求。

热回收；热交换；通风；畜舍；显热回收效率；热回收负荷

0 引 言

目前，畜禽生产中冬季普遍存在保温能耗与通风换气的矛盾，为保证舍内适宜温度，畜舍选择少通风或不通风，从而导致舍内湿度大，有害气体浓度高，引起动物呼吸道疾病和皮肤疾病频发。若是对畜舍进行通风换气，则舍内热量快速散失（尤其是高寒地区），不仅温度调控成本增加，同时温度大幅波动更容易引起畜禽患病，尤其是影响幼畜的成活率。因此，如何解决冬季保温能耗与通风换气的矛盾是冬季环境调控的难点之一。热回收通风技术作为一种有效的通风换气方式，可缓解冬季舍内保温能耗与通风的矛盾，节省能耗，改善舍内空气质量[1-2]。热回收通风设备在民用建筑中作为一种节能的通风方式已经有广泛应用和研究[3-5]。畜舍相对民用建筑来说是一个高能量富集的场所，舍内供暖、动物自身产热等途径产生大量的能量，同时由于畜舍产生大量的有害气体，生产所需的实际通风量明显高于民用建筑[6-7]，因此热回收通风设备在畜舍有很大的使用价值。国外有关热回收通风设备在畜舍中应用研究最初是由Giese等开展的，但由于受到设备投资高和能源价格相对较低等限制，热回收通风技术在畜舍中并没有广泛的使用[8]。随着热回收通风技术和设备逐渐成熟，能量效率提高，畜舍通风、供暖、降温的耗能所占整个畜舍能源消耗的比例逐渐增大，使得热回收通风技术在畜舍中的应用潜力逐渐增大，实用性和经济效益大大提高[9-10]。热回收通风系统的节能效果主要取决于室外气候条件、显热热回收效率、风机耗能、新风换气率[11]。Han等[12]研究表明冬季在鸡舍使用热回收通风设备可节省能耗55%；Liang等[13]在鸡舍中使用热回收通风，每个供暖季折合节省1 410美元的供暖费用，可以占到整个供暖费用的14%~20%。

目前，中国民用建筑使用的热回收通风设备主要是一体式的，即进排风风机和热回收芯体三者放置在同一机箱内。该设备在畜舍中使用时存在芯体迎风面积小、通风量小的问题，若要满足畜舍内冬季动物最小通风量的需求，要么所需的一体式热回收设备的数量多，设备成本高；要么所需设备体积大，占用畜舍的空间较大，不便于畜舍安装。此外该一体式设备存在接管固定、布置安装不灵活的缺点。

针对以上问题，本研究打破民用一体式热回收设备的模式，将设备的送风风机、排风风机及芯体拆解，减少各部分的体积，利用通风管道将新风风机、污风风机和热交换芯体配套组合，设计形成一套适用于畜禽舍的新型节能热回收通风系统，同时研究该新型节能热回收通风系统在不同配置条件下的热回收效果，探究其在畜舍中的最佳运行条件，为新型热回收通风系统在畜舍中的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验方案及材料

针对民用建筑中使用的一体式热回收通风设备存在设备体积大及占用空间大、接管固定、布置安装不灵活等问题，设计适用于畜舍的新型节能热回收通风系统：热交换芯体与风机通过连接件分体安装，可以根据需要安装在舍内不同位置，进而减少设备总体积，使安装方案更加灵活。新风风机与污风风机分别处于新风管道及污风管道上；2组管道垂直交叉，相接的位置安装热交换芯体，将新风入口与污风出口的距离拉开5 m以上，避免气流短路，影响通风换气效果；同时保证污风与新风之间的比例要大致相等[14]。

影响热回收通风效果的设备参数包括热回收芯体、迎面风速、风量、压降等[4,15]；要提高热回收通风系统的节能效果，需要重点考虑热传导率好的芯体材料和高性能的风机。因此本研究选择了常用的板翅式热交换芯体和板式热交换芯体，并根据热交换芯体类型和连接方式、迎面风速大小等分以下3种配置条件进行研究（表1）。

表1 各配置条件下的参数

配置一（图1a）：采用离心风机、板翅式热交换芯体，设计板翅式热交换芯体配置不同的迎面风速（1.05和0.86 m/s），使用离心风机的额定风量分别为400、200 m3/h，板翅式热交换芯体的尺寸均为500 mm´500 mm´250 mm，芯体翅片间距为4 mm；采取正压送风，负压排风。

配置二（图1b）：2个板翅式热交换芯体串联安装，新风依次经过2个板翅式热交换芯体。选用芯体参数同配置一。新风入口的离心风机额定风量为400 m3/h，用通风管道将离心风机与2个板翅式热交换芯体依次串联连接。采取正压送风，负压排风。

配置三（图1 c）：在民用建筑中考虑热交换效率随着风速的增加而降低，通常采用的芯体迎面风速为0.30～2.89 m/s[16]，而在畜舍中考虑热交换效率及较大的通风量需求，本配置中选用的迎面风速为4 m/s，选择风机的额定风量为2 500 m3/h。在风机的选择上考虑风量、风压、噪声及其克服阻力的能力等方面因素，选择轴流风机作为新风风机。风机风量增大，为提高热回收效率，芯体体积也相应增加。本配置选用的板式热交换芯体尺寸为600 mm´600 mm´600 mm，芯体翅片间距为4 mm。采用负压送、排风，保证了换气量，减少了漏风和排风侧有害气体对送风的污染等。

1.2 监测指标及方法

采用MODE-6004热线式风速仪（日本加野麦克斯公司，精度为±（指示值的5%+0.1) m/s）测定热交换芯体的迎面风速。采用APRESYS179-TH温湿度自动记录仪（艾普瑞（上海）精密光电有限公司，±0.3℃, ±0.3%RH）连续测定室外温度及热交换通风设备新风入口、新风出口、污风入口和污风出口的温湿度。

目前，评价热回收通风系统效果的主要指标是热回收效率和能效比。反映热回收通风能量效率的指标包括热回收效率、能效比、热回收负荷等，通过这些指标分析热回收通风节能性和经济性[16-17]。热回收效率是热回收通风实际回收热量与理论最大回收热量之间的比值；能量回收负荷是热回收通风回收能量的绝对值；热回收通风自身的风机是耗能的，考虑这部分耗能，使用能效比（coefficient of performance, COP）这一指标，是热回收通风回收的能量与热回收通风风机耗能之间的比值。当室内外的湿度差较小时，潜热回收的潜力低[18]；畜舍正好属于这种情况，所以本研究都使用显热回收效率。计算显热回收效率、热回收负荷和能耗比的公式为：

显热回收效率：（1）

热回收负荷：（2）

能效比： COP =/（3）

式中1、2、3分别表示新风入口温度、新风出口温度、污风入口温度，℃；m、min分别表示送风风量、送风风量和排风风量两者之间的较小风量值，m3/h；为新风质量流量，kg/s；c表示空气的比定压热容，常温下取1.005 kJ/(kg·℃)。为热回收设备的能量回收负荷，kW；为热回收设备的风机单位耗能，kW。

1.3 数据处理

试验数据用Excel进行均值处理，结果用平均值±标准差表示。差异显著性采用SPSS中的单因素方差分析进行处理，差异显著水平为<0.05。

2 结果与讨论

2.1 板翅式热交换芯体配置不同迎面风速的热回收效果

由图2及表2可知，当舍内外温差为12.08 ℃，迎面风速为1.05 m/s的情况下，新风经过板翅式热交换芯体后温度由2.40 ℃升至4.33 ℃，排出的污风温度由9.01 ℃降至5.82 ℃；芯体迎面风速为0.86 m/s时，新风温度由2.89 ℃升至5.67 ℃，污风温度由9.26 ℃降至5.93 ℃。迎面风速高的热回收芯体新风入出口温差显著低于迎面风速低的热回收芯体（<0.05），说明风速高的气流在热交换芯体内进行热量交换的时间短，温度升高幅度低于风速低的气流。有研究表明当室外温度从–21 ℃变化到23 ℃时，畜舍使用热回收通风设备时新风进出口温差逐渐降低；当舍外温度为20 ℃时，新风的进出口温度基本没有变化，且在整个试验过程中新风出口温度与室内温度相差不超过5 ℃，提高新风温度有利于缓解新风进入舍内造成的冷应激。本研究也有相似的趋势，有可能因为测定的温度范围较小，效果趋势不明显。

图2 板翅式热交换芯体配置不同迎面风速时热交换芯体各风口的温度变化

表2 板翅式热交换芯体配置不同迎面风速时热交换芯体各风口的平均温度

注：同列数值不同小写字母表示差异显著（< 0.05）。下同。

Note: Means in the same line with different lowercase letters differ significantly (< 0.05). Same as below.

在设备运行期间（图3和表3），当舍内外温差为12.08 ℃，迎面风速分别为1.05和0.86 m/s时，设备的显热回收效率及热回收负荷的平均值分别为35.88%、43.63%和0.16、0.19 kW，两者的显热回收效率均未达到冬季节能标准（65%）的要求；计算出2种风速条件下的能效比平均值分别为1.37和1.61。配置小迎面风速的热回收芯体的显热回收效率、热回收负荷和能效比均显著高于配置大迎面风速的芯体（<0.05）。在管道、芯体相同的情况下，提供风量小的芯体显热回收效率相对较高，由于通风量小，小迎面风速芯体回收的绝对热负荷量要大于大迎面风速。

图3 板翅式热交换芯体配置不同迎面风速时热交换芯体的显热回收效率及热回收负荷

表3 板翅式热交换芯体配置不同迎面风速时热交换芯体的运行效率

研究表明随着迎面风速的增加，显热回收效率下降[1,19]。在本研究中，与配置小迎面风速的热交换芯体相比，大迎面风速热交换芯体的新风入出口温差小，显热回收效率和热回收负荷分别低21.6%和18.6%。这说明当迎面风量增加后，热交换芯体两侧的气流能量交换的时间缩短，新风温度的升高幅度降低，出现热回收效率的下降[20]。另外，2种风速条件下的能效比也较低。迎面风速与芯体压降呈现正相关[21]。芯体压降高说明芯体阻力大，阻碍气流通过芯体会减少风量使设备无法达到所需通风量，同时增加风机的能耗。迎面风速偏小时，虽然有利于提高热回收效率和减少压降，但单位体积的热交换芯体提供的风量减少，设备的利用效率偏低。因此控制适合的迎面风速很重要。本研究中芯体配置小迎面风速虽有较高的显热回收效率，风机能耗小，但其提供的通风量不能满足畜舍冬季所需的最小通风量，达不到畜舍通风的目的，因此要综合考虑通风量与热交换效率平衡关系。实际应用中要适当的增加风机风量和芯体体积才能满足大通风量的需求。此次配置的额定风量为400和200 m3/h，实际测得的风量更低，加上新风通过的迎风面积较小（仅为0.062 5 m2），芯体迎风面积与风机风量配比不当，也是导致热回收效果不够理想的原因之一。此时送排风选用的离心风机需克服较大的风压，所需的能耗高，噪声较大。

板翅式热交换芯体保养维护比较困难，局部压力损失大，气流易存在交叉污染的问题。其热交换效果除了受到自身传热材料性能的影响外，还受到排风和新风的比例，两者风速等因素的影响[22-23]。研究表明舍内外温差达到8 ℃时有很好的热回收效果[24]，在本配置条件中当舍内外温差为12.08 ℃时，2种迎面风速条件下显热回收效率最高仅为43.63%，可能与芯体和风机配比不适、芯体与风管的连接处漏风等有关。采用这种正压连接方式时，新风侧风压高，向排风侧漏风量较大。

2.2 新风依次经过2个板翅式热交换芯体的热回收效果

由图4及表4可知，2个板翅式热交换芯体串联安装时，新风经过第1级热交换芯体后，温度从3.60 ℃升高到6.42 ℃，污风温度从9.21 ℃下降到7.63 ℃，有一定的热交换作用；经过第2级热交换芯体后出口温度为7.90 ℃，此时污风温度在通过热交换芯体前后基本没有变化（9.78，9.53 ℃）。第1级热交换芯体的新风入出口温差显著高于第2级热交换芯体（<0.05）。在舍内外温差平均为10.49℃，舍外温度在–3.89~2.98 ℃范围变化时，第1级热交换芯体的迎面风速为0.93 m/s，显热回收效率、热回收负荷及能效比分别为52.11%、0.39 kW和3.26。串联后经过第2级芯体的迎面风速甚微。

图4 2个板翅式热交换芯体串联连接时各风口的温度变化

表4 2个板翅式热交换芯体串联时芯体各风口的平均温度

有研究表明板翅式热交换芯体的热交换效率范围在50%~70%，迎面风速为1.0~3.0 m/s[22,25]。本研究中第1级热交换芯体实际配套的迎面风速为0.93 m/s，显热回收效率平均为52.11%，没有达到国内冬季节能标准要求（65%）。同时，新风经过第2级热交换芯体时，风速受芯体压降、风管等阻力的影响衰减，污风风速相对大些，此时即使新风入口与污风入口有一定的温度差，新风与污风也无法充分进行能量交换，污风入口与出口的温度基本无变化，从而导致第2级热交换芯体的热交换作用减弱，其热回收效率及热回收负荷较低，给舍内提供的新风量较小。由此可见，在畜舍内串联安装2个热交换芯体时，不仅对整个系统的热回收效果无增加作用，反而增加了系统的压力损失，增加了风机的能耗，降低了送风效率，不具有可行性。本研究中室内外温差均值为10.5℃，应具有较好的热回收潜力，但第一级热交换芯体的实际热交换效率没有达到65%的节能标准，可能与板翅式热交换芯体逐级连接造成的通风阻力大、该热交换芯体的结构尺寸与风机风量不匹配等有关。

图5 第1级热交换芯体的显热回收效率及热回收负荷

2.3 优化板式芯体与风机配比后的热回收效果

针对上述研究结果中存在的问题，本配置条件优化了板式热回收芯体跟风机配比参数，提供适宜的迎面风速。图6为板式热回收通风系统运行时新风和污风的温湿度变化趋势。新风经过板式热交换芯体后，温度提升幅度较大，升高了8.23 ℃。此外在新风进入舍内的过程中，除了热交换芯体的预热作用外，风机自身的运转发热也起到一定的预热作用，使新风温度从8.51 ℃升高到11.74 ℃，这种气流经过风机温度上升的现象在冬季使用热回收通风进行热量回收的情况下是有利的，能够利用风机产热将新风温度提升一定幅度，有利于室内保温[7]。同时，舍外新风进入舍内后其相对湿度也有显著下降趋势。

图6 板式热交换芯体运行时风口的温湿度变化

从测定结果来看，板式热交换芯体的迎面风速为4.00m/s，风机风量约为2 500 m3/h。在舍内外温差为12.12 ℃，舍外温度在–0.29~0.34 ℃范围内变化时，其显热回收效率为69.9%，达到了冬季节能标准（65%）。显热回收效率受畜舍内外气温的影响较大，冬季舍内气温升高会提高显热回收效率。因此若冬季畜舍内供暖较好，热回收效率会更高，节省的能耗会更多。有研究表明热回收通风系统的能效比大于2.5时认为具有节能作用[16-17]，本配置中热回收负荷平均值为7.4 kW，其能效比为8.0，说明该配置条件下节能效果较好，符合节能的工况。

板式热回收设备的热交换效率范围在50%~80%，迎面风速范围为1~5 m/s[26-27]。本试验测定的数据与上述范围相一致。本配置条件中，为满足畜禽舍大通风的需求，适当增加了热回收芯体的尺寸和风机风量，保证芯体与风机的密封性，完善了两者之间的配比。有研究表明在同一迎面风速条件下，大尺寸芯体的热回收效率高于小尺寸芯体的热回收效率[28]。热回收芯体尺寸增大后，换热通道长度增加，可提高热交换效率，且在较大风速时效果更明显。芯体尺寸的增大虽提高了热交换效率，但通风阻力也升高，随之芯体成本也增加。因此，在选用板式热交换芯体时，应综合考虑热交换效率与成本和运行费用三者之间的平衡关系，从而确定最佳芯体尺寸。

研究表明当芯体翅片间距范围为1~5mm时，热回收效率随着翅片间距的增加而减小[26]。热交换芯体密度越大，空气过芯体的有效换热面积越大，但芯体密度的增大会造成芯体压降增加，从而加大系统克服压降的动力消耗[29]。如果回收的能量少于系统克服压降消耗的能量，此时就不适合应用该热回收设备。本研究中芯体翅片的间距为4 mm，密度适中，其显热回收效率为69.9%，在畜舍使用时其热回收效率及提供的风量都是适宜的。另外选用的轴流风机在通风时所形成的压力较离心式风机低，输送的空气量比离心式风机大、噪声小，避免了噪声对畜禽生产的影响。轴流风机与芯体负压连接时气流组织更加平稳，能降低芯体的渗漏，减少排风侧的有害气体对新风的污染，保证了换气量。

表5 板式热交换通风系统的运行效率

综上，配置一和配置二虽完善了设备连接方式，体积小便于安装，但其能效比低，其显热回收效率低于节能标准（65%），通风效率难以满足畜舍的需求。配置三在上述基础上平衡了热回收效率及通风效率的关系，既具备较高的通风效率又能保证良好的热回收效果，同时可提高舍内环境的热舒适度，具有良好的经济可行性。配置三中一台设备提供的2 500 m3/h风量可满足约400只肉兔的最小通风需求（肉兔最小通风量需求按照1.5 m3/kg体质量计算[30]）；在冬季密闭性好的供暖畜禽舍，舍内外的温差较大，应用配置3种条件下的设备参数具有较大的能量回收潜力。同时该配置条件可明显提高冬季新风出口温度，有效降低冷风对畜禽舍内的动物特别是幼畜的冷应激，提高动物生产性能。另外该设备结构简易，可根据畜舍的空间结构灵活安装，减少占用空间，具有安装可行性。

3 结 论

本试验研究打破民用一体式热回收设备的模式，通过不断完善热回收芯体与风机的类型、配比及连接方式，监测其热回收效率及能效比等得出以下结论：

1）在一定风速范围内，风速越小，热回收设备的显热回收效率、能效比相比较高。

2）热回收设备在畜禽舍内串联连接时，其热回收效率及通风效果不理想。

3）将板式热回收芯体与轴流风机负压连接，平衡了热回收效率及通风效率的关系，热回收系统的显热回收效率可达到69.9%，能效比为8.0，达到冬季节能标准。该配置适合应用于为改善舍内空气质量而通风需求量大的畜禽舍。

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Heat recovery effect of heat recovery ventilation system with heat exchanger-fan for livestock house

Li Qin, Liu Peng, Liu Zhongying, Wang Meizhi, Liu Jijun, Wu Zhonghong※

(100193,)

Heat recovery ventilation, as a kind of energy saving ventilation, can alleviate the contradiction between heating energy consumption and ventilation. The application of heat recovery ventilation system for residential buildings has turned out that it has the problems of low ventilation efficiency and high cost when applied in the livestock house. A modified heat recovery ventilation system for livestock house was designed in this study, and the efficiency of heat recovery ventilation equipment under 3 different operating conditions was tested to find out the optimal operation conditions. In the first operating condition, the temperature difference inside and outside the livestock house was 12.08 ℃. The size of plate-fin heat exchanger was 500 mm´500 mm´250 mm. Fresh air supply adopted a positive pressure way and exhaust air used a negative pressure way. When the approach velocities were 1.05 and 0.86 m/s, the fresh air temperature through the heat exchanger increased by 1.93 and 2.79 ℃, the sensible heat recovery efficiency was 35.88% and 43.63%, the heat recovery load was 0.16 and 0.19 kW, and the coefficient of performance was 1.37 and 1.61, respectively. The sensible heat efficiency under both approach velocities was far below the energy saving standard in winter (≥65%). In the second operating condition, 2 plate-fin heat exchangers were in cascade connection, and the fresh air went through the 2 plate-fin heat exchangers in sequence. The size of heat exchanger, fan type and ventilation pattern were the same with the first condition. In this way, when the temperature difference between inside and outside was 10.49 ℃, the fresh air temperature passing through the first heat exchanger increased by 2.59 ℃. The sensible heat recovery efficiency was 52.11%, and meanwhile the heat recovery load and the coefficient of performance were respectively 0.39 kW and 3.26. The poor performance of the second heat exchanger showed that the two heat exchangers in series for livestock house were unnecessary. In the third configuration condition, both matching parameters and connection ways between heat exchanger and fans were optimized. The plate heat exchanger and the axial flow fan with low noise and large volume were used. The heat exchanger size was 600 mm´600 mm´600 mm. Both fresh air supply and exhaust air used a negative pressure way. When the temperature difference between inside and outside was 12.12 ℃ and the approach velocity was 4 m/s, the fresh air temperature increased by 8.23 ℃. The sensible heat recovery efficiency was 69.9%, and the coefficient of performance was 8.0, meeting the national energy-saving standard requirement. It is concluded that the heat recovery ventilation aimed to improve the balance between heat recovery efficiency and ventilation efficiency can meet the requirement of large volume ventilation and energy saving in the livestock house. So it is of great value to optimize the parameter and structure of heat recovery ventilation system for livestock house.

heat recovery; heat exchangers; ventilation; livestock house; sensible heat recovery efficiency; heat recovery load

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.024

S882

A

1002-6819(2017)-08-0176-07

2016-08-17

2017-04-01

福利低碳环保养鸡设施技术与设备研发（2014BAD08B08-3）；南方地区草食家畜舍饲小气候调控技术研究（201303145）；国家兔产业技术体系（CARS-44-D-4）

李 琴，女，湖北仙桃人，研究方向：畜禽环境工程。北京 中国农业大学动物科技学院，100193。Email：crystal_stefer@126.com

吴中红，女，甘肃静宁人，博士生导师，研究方向：畜禽环境工程、环境应激与动物生殖发育。北京 中国农业大学动物科技学院，100193。Email：wuzhh@cau.edu.cn

李琴，刘鹏，刘中英，王美芝，刘继军，吴中红. 畜舍热交换芯体-风机热回收通风系统的热回收效果[J]. 农业工程学报，2017，33(8)：176－182. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.024 http://www.tcsae.org

Li Qin, Liu Peng, Liu Zhongying, Wang Meizhi, Liu Jijun, Wu Zhonghong. Heat recovery effect of heat recovery ventilation system with heat exchanger-fan for livestock house [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 176－182. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.024 http://www.tcsae.org