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。

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。

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。

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
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。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。.

類型
轉輪式換熱器
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。

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。

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）。

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。

熱管
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。

焓板換熱器是一種交叉逆流式空气—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。这種换热器既可以用於改造，以提升节能效果并增加新风量，也可以用於新建建筑。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。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。

相變材料
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。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。

固定床再生器
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（陣列）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。

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。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。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。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。在瑞典開展了一項研究，考察了一種採用循環回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，評估循環回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。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。

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。

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。
| 顯熱及潛熱
|}
一些常見技術的對比如下表所示：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。

效能
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。
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%。

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，並將其送入热泵中處理，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。

出現的問題
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。

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。

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。

參考資料
外部連結
*[https://www.deltathailand.com/en/products/Power-Electronics/Fans-and-Thermal-Management/Ventilation-Fans-and-Indoor-Air-Quality/Energy-Recovery-Ventilator-ERV/Ceiling-Mount-Energy-Recovery-Ventilator Delta's PM2.5 Energy Recovery Ventilator (ERV)]
*http://www.engineeringtoolbox.com/heat-recovery-efficiency-d_201.html
*[http://doas-radiant.psu.edu/Journal1.pdf Designing Dedicated Outdoor Air Systems] , Stanley A. Mumma
*http://www.lowkwh.com - energy recovery methods and publications
*http://www.UltimateAir.com
*[https://web.archive.org/web/20100905175344/http://www.toolbase.org/TechInventory/techDetails.aspx?ContentDetailID=748 Energy and Heat Recovery Ventilators (ERV/HRV)]
*[http://www.tangra.bg/products_EN_11_1.html Heat Recovery Ventilation TANGRA ]