热回收通风机

热回收通风机（HRV），亦称机械热回收通风机，是一种在两个不同温度的气流之间运行、用以回收能量的通风系统。其目的是降低建筑物的供暖与制冷需求。

建筑中的典型热回收系统由换热芯、新风与排风通道以及双方向的风机组成。根据气候条件、季节以及建筑需求，建筑排风可作为热源或冷源使用。热回收系统通常可以回收排风中约50%–95%的热量，从而显著提升建筑的能源效率。

能量回收通风机（Energy Recovery Ventilation, ERV）是一种空气—空气换热器，不仅能传递显热，还能传递潜热。由于同时处理递温度与湿度两个参数，能量回收通风机也被称为全热交换机（“全热”一词出自焓(enthalpy)的日文汉字译词）。相比之下，热回收通风器（HRV）只能传递显热，因此可被视为显热交换设备。换句话说，所有ERV都属于HRV，但并非所有HRV都是ERV。将HRV与ERV这些术语互换使用是不正确的。

在较暖的季节，ERV系统可对新风进行预冷与除湿；在较冷的季节，系统则可加湿并预热。ERV系统有助于暖通空调设计满足通风与能源标准（例如ASHRAE标准），同时改善室内空气质量并降低整体暖通空调设备容量，从而减少能源消耗。ERV系统还能使暖通空调系统在几乎所有工况下维持约40–50%的室内相对湿度。不过，ERV需要依靠风机克服系统中的压降，因此会产生一定的能耗。

全球近一半的能源用于建筑，有一半的加热与冷却成本是由通风引起。使用热回收通风机可以大量的降低能源消耗，是一种具成本效益、可持续且快速的方法，在改善室内空气质量的同时还能降低全球能源消耗。

## 工作原理

热回收系统旨在向有人使用的房间提供经过处理的空气，以维持一定的温度。热回收系统在保持室内通风的同时，回收室内环境排出的热量。其目的在于将热能从一种流体传递到另一种流体，或从流体传递到固体，或从固体表面传递到流体，这些介质之间具有温差并处于热接触状态。在大多数热回收系统中，流体与流体之间并不直接接触。在某些情况下，由于流体之间存在压差，可能会出现泄漏，导致两种流体发生混合。能量回收系统的目的是通过重新利用排风中的能量，降低房间供暖、制冷或通风所需的能量消耗。.

## 类型

### 转轮式换热器

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转轮式换热器也叫做能量回收轮或热回收轮，是一种能量回收型换热器。它通常安装在空调机组（AHU）或屋顶机组（RTU）的送风与排风气流之间，或用于工业过程的排气中，以回收热能。其变体包括焓轮与干燥轮。专门用于冷却的热轮有时也被称为京都轮。

转轮式换热器是一种机械式的热回收方式。它是一个旋转的多孔金属轮体，通过不断地在两股气流之间运动，将热能从一侧传递到另一侧。该系统的原理类似于蓄热：空气中的热量会暂时储存在转轮式换热器的材料结构中，然后再传递给较冷的气流。

转轮式换热器主要分为两种类型：显热轮与焓轮（也称干燥轮）。虽然两者在几何形状上相似，但在运行方式上存在差异。在使用焓轮时，气流中相对湿度较高的一侧，其水分会在通过转轮后转移到另一侧气流中。这种传递可以双向进行，即从新风到排风，或从排风到新风。经过处理的送风可以直接使用，或进一步冷却。不过，这一过程需要耗能。

转轮式换热器是一种由可透气材料填充的旋转圆筒，这些材料通常为聚合物、铝或合成纤维，能提供显热（全热，也可以叫做焓）传递所需的大表面积。当转轮在送风与排风气流之间旋转时，它会吸收热能并将其释放到较冷的气流中。这一交换过程的驱动力来自于两股气流之间的温差。

全热交换是通过使用干燥剂实现的。干燥剂通过吸附过程传递水分，该过程主要由新风和排风中的水蒸气的分压差来驱动。典型的干燥剂包括硅胶和分子筛。

焓轮是同时传递潜热与显热最有效的设备之一。转轮的结构材料选择（通常为聚合物、铝或玻璃纤维）会影响其耐用性。

在使用转轮式换热器时，两股气流必须彼此相邻，以便进行能量传递。此外，在寒冷气候中需要特别注意防止转轮结霜。系统可通过调节转轮转速、对空气进行预热，或采用启停（间歇运转）方式来避免结霜。

奥康纳等人研究了转轮式换热器对建筑送风流量的影响。他们建立了一个计算模型，模拟在商业风塔系统中引入转轮式换热器，研究对送风流量的影响。他们还在亚音速风洞中做了缩尺模型实验，从而验证模拟的效果。通过这两种测试的资料对比，来分析送风流量的变化。结果表明，尽管与未安装转轮式换热器的风塔相比，送风流量有所降低，但当室外风速高于 3 m/s 时，仍可满足学校或办公建筑中人员的通风要求，而这一风速低于英国的平均风速（4–5 m/s）。

本研究未进行任何全尺度实验或获取现场测试数据，因此尚无法最终证明转轮式换热器适合集成到商业风塔系统中。然而，尽管在引入转轮式换热器后建筑内部的送风流量有所下降，但还可以继续满足通风规范要求。目前关于转轮式换热器在自然通风中的适用性研究仍然不足；虽然通风量可以达到要求，但其热性能尚未得到充分研究。未来仍需开展进一步研究，以加深对该系统的理解。

### 热管

热管是一种利用相变过程将热量从一个气流传递到另一个气流的热回收装置。热量通过一根密封毛细结构的蒸发段和冷凝段进行传递，管内工质在循环往复的相变过程中实现热量传输。在蒸发段中，管内流体由液态变为气态，吸收来自较暖气流的热能；在冷凝段中，气体重新凝结为液体，并将热量释放到较冷的气流中，从而提高其温度。工质在热管两端之间的循环传输可依靠压力差、毛细力或重力来实现，具体取决于热管的布置方式。

### 平板式换热器

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平板式换热器没有任何运动部件，由多层交替排列、彼此分隔并密封的板片组成。其典型气流形式为交叉流。由于大多数板片为实心且不具渗透性，因此只能实现显热传递。

新风和排风之间的热回收是通过换热芯进行的。换热芯由铝或塑料板片构成。湿度则通过水蒸气的转移来调节，这一过程通常是由具有渗透性的板片构成。

焓板换热器是一种交叉逆流式空气—空气换热器，由可透湿材料制造。聚合物固定板式逆流能量回收设备于1998年推出。这种换热器既可以用于改造，以提升节能效果并增加新风量，也可以用于新建建筑。在新建项目中，能量回收系统能够有效降低所需的供热和制冷容量。具体节能比例取决于设备效率（显热效率最高可达约90%）以及建筑所处的纬度位置。

平板式换热器是最常见的一种热回收换热器类型，已经有约40年的发展历史。其结构由多层薄金属板叠加而成，板与板之间保持较小的间距。两股不同的气流分别在这些相邻的通道中流动，彼此不直接接触。热量通过板材从一股气流传递到另一股气流，实现换热过程。这种设备在显热传递方面的效率已可达到90%。其高效率主要归因于较高的传热系数，以及适宜的运行压力和温度范围。

### 循环回路系统

循环回路系统是一种混合式热回收系统，它结合了其他热回收技术，形成一个单一装置，能够从一股气流中回收热量，并将其传递到距离较远的另一股气流中。在典型的循环回路热回收系统中，两台空气-流体板式换热器分别安装在两股独立的气流中，并通过一个闭式循环回路相连接。该回路中充满流体，流体在两个换热器之间不断循环流动。在循环过程中，流体不断被加热和冷却，从而实现热量的传递与回收。由于流体需要在回路中持续流动，因此系统需要使用泵在两个换热器之间输送流体。尽管这会带来额外的能耗，但相比于使用风机来输送空气，通过泵循环流体的能耗通常更低。

### 相变材料

相变材料是一种用于在建筑结构中储存显热和潜热的技术，其储热能力高于传统建筑材料。由于相变材料能够蓄热，并能把供暖和制冷耗电从高峰时段转移到非高峰时段，因此受到了广泛研究。建筑热品质的概念早已被认识，即建筑物本身的结构可以吸收热量，从而说明降低空气温度。研究表明，与传统建筑材料相比，在相同温度范围内，相变材料的储热能力可高出约12倍。由于相变材料可以直接集成到建筑结构中，不像其他换热技术那样直接作用于气流通道，因此可以推测，将相变材料应用于建筑材料中不会产生明显的空气压降。

### 固定床再生器

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根据 ASHRAE 的定义，固定床再生器是一种换热装置，其中一个或多个静止的蓄热介质（阵列）先从排风中吸收能量，然后再将该能量传递给交替流动的送风和排风气流。

基于这一原理，固定床再生器可作为一种热回收通风设备，通过对进入室内的新风进行预处理（预热或预冷），从而降低暖通空调系统的能耗，并具有较高的表观显热回收效率。

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固定床再生器具有多种尺寸和配置形式，以适应不同的气流需求。其运行方式通常依靠一个或两个芯（蓄热体）来完成能量传递，并在每个回收周期中通过反转气流方向来实现换热过程。单芯系统在欧洲更为常见，而在北美地区，则更普遍采用双芯系统。

为便于搬运、清洁和运输，换热芯（蓄热体）通常会被分割成较小的单元。大多数换热芯由铝制成，但在需要减轻重量或对腐蚀敏感的环境中，也可以采用聚丙烯等替代材料。每个单元内部的板片可以具有不同的间隔结构形式、波纹形状以及厚度，板与板之间的间距通常在2.5mm到12.7mm之间。

风门（例如多叶片风门或单挡板）对气流进行控制，在两个固定换热芯之间快速切换气流方向。在每个循环中，一个换热芯负责输送经过处理的新鲜空气，而另一个换热芯则排出室内污浊空气。随后气流方向会被反转，使各换热芯在一段时间后得到“再生”，这一周期通常为50到70秒。这种交替运行的方式能够在实现连续通风的同时，保持较高的能量回收效率。

部分固定床再生器在供暖模式下还可以实现潜热回收。通过在换热表面涂覆干燥剂，可以在更广泛的环境条件下实现湿度传递。在经过干燥剂处理的固定床再生器中，潜热效率通常在60%到80%之间。

在“自由冷却”模式下，回收周期可能延长至3小时。一些固定床再生器系统还会采用不同的回收时间（约20至120秒），以调节排风的温度和湿度。较短的循环周期可以提高换气频率，从而提升整体换热效率。

## 应用

### 平板式换热器

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玛迪亚娜等人将平板式换热器集成到一种商业风塔中，强调了该系统作为一种“零能耗通风”解决方案的优势，并且结构上易于改造。为评估该组合系统的效果与效率，研究人员进行了全尺寸实验室测试。在实验中，将风塔与平板式换热器集成，并安装在一个密闭测试房间的中央位置。

该研究结果表明，将风塔被动通风系统与平板式换热器相结合，可以形成一种有效的复合技术，在无需额外能耗的情况下回收排风中的废热，并对新风进行预热（预冷）。尽管研究中未提供测试房间内通风量的具体资料，但可以推测，由于换热器带来的较高压降，通风量相比风塔的常规运行状态会显著降低。因此，有必要对这种组合技术开展进一步研究，以更深入地理解其气流特性。

### 热管

相比其他热回收系统，热管具有较低的压降，关于将其集成到被动通风系统中的研究更多。一些研究同样采用商业风塔作为被动通风装置，以整合这种热回收技术。这进一步表明，商业风塔可以作为机械通风的一种有价值替代方案，能够同时实现送风与排风功能。

### 循环回路系统

弗拉加-马里扬奇克等人在瑞典开展了一项研究，考察了一种采用循环回路热回收系统的被动通风方案。该系统利用地源热泵作为热源，用于加热进入室内的新风。研究中，从所使用的被动式住宅中采集了实验测量资料和气象资料，并基于传感器及气象站的资料建立了该住宅的CFD（计算流体力学）模型。随后通过模型计算，评估循环回路系统的效率以及地源热泵的性能表现。

当换热管被埋在地下约10–20米时，地源热泵可提供稳定可靠的热能。冬季时，地下温度高于室外空气温度；夏季则低于室外空气温度，因此既可作为热源，也可作为冷源。研究发现，在气候最寒冷的2月份，地源热泵能够满足住宅及其居住者大约25%的供暖需求。

### 相变材料

目前关于相变材料有很多研究，主要集中在将相变材料集成到传统的多孔建筑材料中，例如混凝土和墙板。科斯尼等人分析了在建筑构造中使用相变材料后的热性能。研究结果表明，在建筑材料中加入相变材料，有助于提升整体热性能。

相变材料在被动通风热回收系统中的一个显著缺点，是无法在不同气流之间实现即时传热。相变材料本质上是一种储热技术，它会先将热量储存在材料内部，直到空气温度下降到一定程度后，才将热量释放到气流中。目前尚未有研究探讨在两股不同温度气流之间直接应用相变材料以实现连续、即时换热的可行性。因此，在这一方向开展研究，将有助于推动被动通风热回收技术的发展。

### 固定床再生器

固定床再生器最初主要用于高温工业过程中的热回收。近年来，它们在暖通空调领域逐渐受到关注，被视为一种低维护成本的高效能量回收解决方案，有助于降低能源消耗、减少温室气体排放，并减轻暖通空调系统的负荷。

现代建筑正变得越来越气密，这有助于减少能量损失和空气渗透。虽然这提升了能源效率，但也带来了新的问题：为了维持良好的室内空气质量，需要进行通风，而通风过程往往会消耗大量能源。

根据建筑设计和气流需求的不同，可以选择单芯或双芯的固定床再生器，以高效满足通风要求。一些设计甚至可以全年运行而不产生结霜，从而避免了传统除霜循环所带来的能量损失。

单芯固定床再生器通常应用于较小的住宅环境，尤其是在吊顶空间有限，或采用房间级、分散式、无管道通风系统的情况下。这类设备通常配备陶瓷蜂窝状蓄热芯，并可能使用一个或两个风机，同时结合止回阀和导流板等气流控制部件，以实现双向气流的切换与管理。

双芯系统主要用于满足大规模通风需求，其风量范围可从每小时85到170,000立方米。这类系统通常安装于工业、商业以及大型住宅建筑中。虽然其成本和体积可能不适用于普通家庭，但在对性能和可靠性要求较高的应用场景中，它们是非常合适的选择。

双芯固定床再生器的一大优势在于其能够在极端低温环境下运行（最低可达 -40°C），且无需进行除霜循环或降低性能。这一点显著优于许多传统热回收设备。为了在新风进入建筑之前对其进行预处理，这类系统通常会与空气处理机组集成使用。

## 各类技术的优点和缺点

常见的热回收通风技术类型有：

全热交换机装置｜传递型态

焓轮｜显热及潜热

平板式换热器｜显热及潜热

热管换热器｜显热

循环回路系统｜显热

固定床再生器｜显热及潜热

双塔｜显热及潜热

一些常见技术的对比如下表所示：

热回收系统的类型｜优点｜缺点｜运行参数｜效率%｜压力降（Pa）｜湿度控制

转轮式换热器｜高效率 显热和潜热回收 紧凑设计 可提供防霜控制｜可能存在交叉污染 气流需要相邻 机械驱动，需要能量输入｜转速 空气流速 转轮孔隙率｜80+｜4-45｜能

平板式换热器｜无运动部件，因此可靠性高 传热系数高 无交叉污染 可实现防霜控制 显热和潜热回收｜换热器压降较大 仅适用于两股独立气流 会产生冷凝水 在寒冷气候下容易结霜｜材料类型 工作压力 温度 气流布置｜70-90｜7-30｜能

热管｜无运动部件，可靠性高 无交叉污染 压降较低 结构紧凑 可实现双向热回收｜气流需要彼此接近 工质应与当地气候条件匹配｜工质类型 接触时间 布置方式 / 配置 结构形式｜80｜1-5｜不能

循环回路系统｜气流可以彼此分离 无交叉污染 压降较低 可实现多种热源的热回收｜需要泵来输送流体 难以集成到现有结构中 效率较低 成本较高｜换热器类型 工质类型 热源类型｜50-80｜~1｜不能

相变材料｜易于集成到建筑材料中 可降低峰值能耗需求 无压降 无交叉污染 无运动部件 使用寿命长｜热储存（而非暂态传热）成本较高 技术尚未充分验证 材料选择困难｜浸渍法（浸润法）｜~｜0｜不能

固定床再生器｜运动部件较少 可在严寒气候下运行，无需额外除霜措施 显热效率高｜准稳态运行性能 出口空气的温度和湿度会随时间变化｜工质流量 干燥剂的物理和热特性 传热与传湿面积 再生循环时间｜70-90｜~｜能

## 环境影响

节能是减少化石燃料消耗和保护全球环境的关键问题之一。能源成本的上升和全球变暖表明，有必要开发更先进的能源系统，从而在降低温室气体排放的同时提高能源利用效率。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，余热回收正变得越来越普及，因为它能够提高能源效率。在许多国家，大约有26%的工业能源仍以高温气体或流体的形式被浪费。因此，人们开始关注从各类工业过程和家庭用能中回收余热，并优化用于从废气中吸收热量的设备。这些努力有助于减少全球变暖，同时降低能源需求。

在大多数工业化国家，暖通空调能耗约占国家总能耗的三分之一。此外，在炎热潮湿的地区，新风的冷却和除湿通常占暖通空调总能耗的20%–40%；而在需要100%新风通风的情况下，这一比例可能更高。这意味着，为满足室内人员的新风需求，需要消耗更多能源。

随着新风处理能耗成本的上升，热回收变得愈发必要。热回收系统的主要目的是通过回收废热，降低建筑在供暖、制冷和通风方面的能耗。在这方面，独立式或组合式的热回收系统都可以应用于住宅或商业建筑中，以实现节能。同时，降低能源消耗也有助于显著减少温室气体排放。

## 效能

能量回收通风机的效能是通过计算热交换器实际传输的焓与两个气流之间焓差的百分比来计算。

市场上相关商品琳琅满目，效能也大相径庭。其中一些系统的热交换效率可以高达70-80%，而某些系统的热交换效率则甚至只有50%。尽管这个这样的数据已经比基本的暖通空调系统更优秀，但它效率之低，实在不能与其他同类型系统相提并论。目前正在进行研究尝试将热能传递效率提高到90%。

高导电性多孔材料的使用被认为可以产生超过90%的交换效率。通过超过90%的高效率，可能有多达五个能源损失的因素可以被改善。家庭通风研究所（HVI）已为美国境内制造的所有设备开发了相对应的检测标准，当然很难涵盖所有产品，最重要的是必须比较制造商提供的数据跟HVI检测的数据差异。(附带说明：加拿大的产品则是由R-2000标准来规范，跟HVI类似)

## 排风热泵

排风热泵通过建筑的排风中提取热量，并将其传递给送风、生活热水和/或水暖供热系统（如地暖、散热器）来实现能量利用。

这种系统至少需要机械排风，而机械送风则是可选的（参见通风）。该类型的热泵需要一定的空气换气率来维持其输出功率。由于室内空气全年大致保持在20–22℃，因此热泵的输出功率不会随着季节或室外温度的变化而明显波动。

需要注意的是，这类系统必须应用在合适类型的建筑中。排风热泵通常有最低风量要求，如果安装在较小的公寓中，可能会导致过度通风，引入了大量不必要的室外空气，反而增加热损失。不过，也有一些型号可以引入额外的新风，并将其送入热泵中处理，以避免过度通风的问题。

对于大多数早期的排风热泵，其用于生活热水和供暖的输出功率通常较低，如果这一输出功率不足以满足建筑需求，系统会自动启动辅助加热，例如电加热棒或外部燃气锅炉。如果选型不当，电加热补偿的能耗可能相当可观——例如，一台6 kW的电加热器在满负荷运行时，每小时运行成本约为1英镑。

### 出现的问题

在2009年至2013年期间，英国约有1.5万套新建社会福利住房采用了NIBE的排风热泵作为主要供暖系统。许多业主和住房协会的租户反映电费高得难以承受。

排风热泵运行成本较高是常见现象，这主要是因为其可回收的热量非常有限。通常通风气流约为31L/s，而可回收的热量仅约750W，且很难超过这一水准。因此，为满足供暖和生活热水需求，所需的额外热量基本都依赖电力提供，包括压缩机耗电或电加热器。

当室外温度低于0℃时，这类热泵从室内带走的热量甚至可能多于其提供的热量。全年来看，安装排风热泵的住宅中，大约60%的能源输入来自电力。

目前，许多家庭仍在与开发商交涉，希望更换为更可靠、高效的供暖系统，其中考文垂居民的成功案例也成为参考。

## 外部链接

- Delta's PM2.5 Energy Recovery Ventilator (ERV)
- http://www.engineeringtoolbox.com/heat-recovery-efficiency-d_201.html
- Designing Dedicated Outdoor Air Systems , Stanley A. Mumma
- http://www.lowkwh.com - energy recovery methods and publications
- http://www.UltimateAir.com
- Energy and Heat Recovery Ventilators (ERV/HRV)
- Heat Recovery Ventilation TANGRA