2022年12月31日 星期六

全熱交換素子 (全熱交換芯) 所使用的材質與特性

查資料時剛好看到這一篇日本九州大學的博士論文,裏面有全熱交換器的資料,又是學術論文,可信度應該是沒問題。

空気調和・衛生工学会 論文集 - 数値解析による換気用全熱交換エレメントの性能評価

九州大学附属図書館 - 数値解析による全熱交換エレメントの性能予測手法の開発と設計手法の確立 (外川 一) (PDF)


先寫個人的基本認知,熱交換器主要分成靜止型 (靜態交叉流式) 與回轉型 (轉輪式),兩個型式都可以區分顯熱 (僅溫度) 交換與全熱 (溫度與濕度) 交換。一般家用的全熱交換器幾乎都是靜止型的,回轉型的很少見 (例如 352 FR360)。


除了回轉型與靜止型以外,還有一種全熱交換素子有點類似回轉型的,但不需要轉輪馬達。透過兩個一組一進一排,一定時間後交替進排氣運作。這一款無管道式全熱交換器,之前在台灣網路廣告好像也有看過類似的。

後面分點說明,免得太亂...


1. 依據日本九州大學 2020 年的一篇博士論文,於「1.2 既往研究」章節中,提到 2018 年一篇 Al-Waked 所做的研究,略六角形的直交流-對向流混合型熱交換素子,在性能上比純對向流 (L 型的風流) 的優異 (Page 3)。

(可能是這篇: ScienceDirect - Enhancing the performance of energy recovery ventilators,但沒法觀看全文)

略六角形的直交流-對向流混合型的熱交換素子,個人懷疑可能就是現在被稱為對向流...

靜止型的熱交換素子可以分成「直交流」與「對向流」。

Wikipedia - 全熱交換器



這是顯熱交換器,採用對向流熱交換素子,(溫度) 熱交換效率最高 92%。



也說當時全熱交換效率為 65-50% 的直交流為市場主流 (九成以上);但結構比較複雜、成本高的對向流之全熱交換效率可以 80% 以上。




個人找到唯一說是直交流-對向流混合型熱交換素子的...
株式会社イーズ - どくとるドライ
株式会社イーズ - ハウス栽培用 熱回収型除湿換気システム どくとるドライ (PDF)
這是溫室用的顯熱交換器,鋁製的熱交換素子。看不出來與對向流的差異在哪...


Google Patents - JP3577863B2 - 対向流型熱交換器
三菱在 1997 年就申請了對向流型熱交換器的發明,裏面其中有一個設計就是方形但採 L 風流方式的,也許就是 2018 年那一篇所講的。



2. 第 2 章是說明全熱交換系統基礎 (Page 7),目前主流是回轉型 (轉輪式) 與靜止型 (靜態交叉流式)。

回轉型的轉輪有使用金屬、樹脂或牛皮紙等為材料做出蜂巢結構,要能進行全熱交換的話,轉輪要塗上大量的吸濕劑 (潮解性無機鹽或有機吸濕物質)。回轉型主要是溫濕度在材料表面反覆進行吸脫附現象,可以在短時間進行大量的熱與濕度交換,實現高的溫度與濕度交換效率。但回轉型存在進排氣會有洩漏的缺點。

靜止型的顯熱交換素子,通常使用鋁等金屬材料或是樹脂。

靜止型全熱交換素子,為了要能讓溫濕度穿透,多採用透濕性樹脂所製作的特殊膜 (Page 11)。在要讓溫濕度穿透過去的同時,能阻擋二氧化碳等污染物,有人會採用特殊材料、接近無孔薄膜化特殊加工紙、薄膜化親水性樹脂、或是將極薄膜的親水性樹脂塗於微多孔樹脂材料上的複合樹脂膜等。以成本效益而言,可能多數會選擇特殊加工紙。

構成風道的間隔板,多數採用類似影印用紙的普通紙,因為間隔板被認為不需要有溫濕度交換能力,只要能建構出風道,方便加工成波浪狀 (Page 12)。不過,於論文 Page 54 之後,將間隔板置換改善濕度傳導率的材料,潛熱回收量有增加;將間隔板換成有兩倍熱傳導率的材料,熱回收量也些微增加。

靜止型要進行溫濕度交換要穿透材料,溫度穿透的速度會比濕度快,所以靜止型的全熱交換素子的溫度交換效率會比濕度交換效率高。與回轉型相比,靜止型全熱交換效率多半會比較低。

此研究將高低溫流體流動方向分為「平行流」、「對向流」與「直交流」。以溫度交換效率而言,對向流>直交流>平行流 (Page 22)。


TED - イオン吸着全熱交換省エネシステム
這是一家有在做回轉型全熱交換器的廠商。



東京冷機工業 - 全熱交換器
有靜止型全熱交換素子的構造圖。



三菱製紙 - 全熱交換エレメント
>当社独自の薄葉紙製造技術を活用した特殊薄膜紙を全熱(温度・湿度)交換用紙に用いたエレメントです。
使用特殊薄葉紙做為全熱交換素子的材料。過去全熱交換用紙厚度 0.07mm,三菱製紙全熱交換用紙為 0.04mm,構造更緊密,室內空氣不會逆流回去。



王子コンテナー株式会社 - 全熱交換エレメント
>全熱交換エレメントとは換気装置に組み込まれる心臓部にあたるもので、特殊な素紙を媒体として空気から熱エネルギーを取り出し、移し替えることで空調効率を高めます。
>熱交換効率の高い薄膜の間隔紙と中芯原紙で作られたコルゲートハニカムシートを積層して作られています。

全熱交換素子的材料是使用特殊紙。


LIXIL - 【トステム】トステムについて/旧トステム(株)の情報について/ニュースリリース/高効率 全熱交換型換気システム「エコエア85」新発売 (2009/9/30)
>業界初の高性能選択透過膜と独自の対向流構造の採用により、当社従来品より約25%高い熱回収率85%を実現しています。
>水は通すがガスは通さないというセルロースの特徴を生かした高分子薄膜を採用。高度な「透湿性」と「気体遮蔽性」を実現した選択透過膜

2009 年就有人採用六角形的對向流全熱交換素子,使用的材質說是高分子薄膜。



3. 第 6 章是研究伴隨濕度交換之水溶性氣體移轉,也就是部分室內污染物沒有排出,隨著濕度穿透全熱交換素子薄膜又回到室內的狀況 (Page 85)。

此論文測試了全熱交換素子對於氨、二氧化碳的移轉率與風量及相對濕度的關連性。風量越大,氨與二氧化碳的移轉率越低;相對濕度越高,氨的移轉率越高,二氧化碳似乎不受影響 (Page 94)。


ダイキン工業株式会社 - 「透湿膜全熱交換エレメント」を搭載した『住宅用薄型全熱交換器ユニット』を開発 (2021/2/18)
大金與 DAICEL 共同開發出對於細菌、病毒有高遮斷性的透濕膜全熱交換素子。共同開發的透濕膜比過去的紙製膜的 1/3 厚度,透濕膜可以選擇性讓水蒸氣穿透,並提升細菌、病毒、二氧化碳等污染物的遮斷能力,大金宣稱採用此款的全熱交換器依中國 GB/T21087-2020 標準檢測,得到最高等級 C1 級 99% 以上的送風淨新風率。

透濕膜的厚度約 21µm,熱移動阻抗降低,可達 80% 全熱交換效率。對於細菌、病毒、二氧化碳等室內污染物質的阻擋率為 99.99% 以上。採用對向流架構減少空氣洩漏,達成 99% 以上的送風淨新風率。透濕膜耐水性高,定期維護保養將可能可以水洗清潔,維持高的全熱交換效率。



TORAY - 全熱交換エレメント向け高性能熱交換シートの開発 ~省エネ・快適・衛生的な換気に貢献~ (2021/12/20)
過去熱交換薄膜多使用一般薄膜紙,紙的多孔材質很難完全遮蔽氣體,此外,長期使用於全熱交換素子所累積的髒污無法清潔去除。

東麗開發出獨特的多孔質薄膜與僅讓濕度能穿透的機能性樹脂堆疊,創造出新的熱交換膜。這是過去紙製熱交換膜的 1/5 厚度,約 1.2 倍高透濕率下,仍有 20 倍以上的氣體遮蔽率。使用本薄膜的全熱交換素子,能有 80% 以上的全熱交換效率,並有 99% 以上的有效換氣率,清洗後可以維持性能。



全熱交換用紙或膜


全熱交換薄膜是一種具選擇性的薄膜,有採取非對稱性薄膜設計,由支橕層與選擇層所組合。


全熱交換用的原紙紙漿會添加像是氯化鈣或氫氧化鋁等各種吸濕劑、阻燃劑。


要能吸濕並且阻燃。



中國的熱交換國家標準


 

3 則留言:

JH 提到...

感謝分享,又長知識了~

17samcc 提到...

好文章,Joey超適合做研究的啦

JOEY 提到...

啊~ 這不是研究,只是把查到的資料整理,有時再多一些搜尋並彙總。

貼出來有一部分也是為了以後自己要查比較快。