CN205641395U - 一种可回收余热的自然通风装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可回收余热的自然通风装置，包括：通风窗框架，通风窗框架内安装多个平行的换热板，通风窗框架前后、与换热板垂直方向安装有手动开闭的通风门，整个自然通风装置安装于小型建筑墙壁上开的通风口内，换热板的材料采用铝合金，形状可选用矩形、带沟槽的矩形及波浪形等，将排出室外的热空气将部分余热传递给了进入室内的冷空气，减少了室内供暖和空调的负荷，达到节能减排的目的，实现了小型空间中基于热压的自然通风换气；通过对具体尺寸的设计，本实用新型实现了高效的热量交换和余热回收。

Description

一种可回收余热的自然通风装置

技术领域

本实用新型属于小型办公建筑以及普通住宅的自然通风换热装置技术领域，尤其涉及一种可回收余热的自然通风装置。

背景技术

现在大部分建筑装配较高能源消耗率的空调系统，由此造成大量的建筑物能耗，长期停留在空调建筑中，虽然免除了过高或过低环境带来的热不舒适性，但是封闭的室内空气条件改变了人在自然环境中长期形成的热适应性，由此产生了病态建筑综合症，从而影响了人体健康。为了实现节能减排的要求，现代建筑往往通过增加其结构的气密性以提高其保温性能，从而导致空气交换次数减少，室内空气质量恶化。

因此，营造健康舒适的建筑室内环境日渐成为人们所关注的焦点，建筑通风是保证室内空气环境品质的重要方式。现有的建筑通风技术主要有以下两点：一是双层通风玻璃幕墙，二是热回收通风换气机。但是双层通风玻璃幕墙应用到小面积建筑中有很多困难：要求建筑为多层而且多层用户将使用同一个通风通道，存在安全隐患；其通风通道一般比较宽，可能给治安带来不便；结构复杂、造价高等。而热回收通风换气机靠电能驱动，通风量大，小面积建筑所需新风量远远小于热回收通风换气机通风量，造成资源的浪费。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提供一种可回收余热的自然通风装置，适用于小型办公建筑以及普通住宅，利用冬季室内外空气稳定的热压差实现自然通风，选用合适的换热材料，在自然通风的基础上实现热量的有效回收，既能解决节能与室内空气品质的矛盾，又能突破现有技术的局限，提高余热回收效率，降低能耗。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型为一种可回收余热的自然通风装置，包括：通风窗框架，通风窗框架内竖直安装多个平行的换热板，两块换热板之间为气体交换的通风通道；通风窗框架前后、与换热板垂直方向安装有手动开闭的通风门。

换热板的材料为铝合金。

所述换热板的厚度的范围在0.6mm到0.9mm，宽度的范围在160mm到750mm，高度的范围在500mm到1800mm，两块换热板之间通风通道的宽度的范围在3.8mm到4.8mm；

换热板的形状可为矩形薄板。

优选的，换热板的形状为带有沟槽的矩形薄板，换热板上半部分的沟槽与换热板成45°角，换热板下半部分的沟槽与换热板成135°角。

优选的，换热板的形状为波浪形。

优选的，换热板的厚度为0.9mm，高度为500mm，宽度为400mm，两块换热板之间通风通道的宽度为4.8mm，换热板的个数为20个。

本实用新型的整个工作过程为3部分：从热流体到换热板的热量传递，从换热板高温部分到低温部分的热量传递，从换热板低温部分到冷流体的热量传递。

具体的工作原理为：北方地区冬季室内外存在较为稳定的温差，室内的热风温度高，密度小，室外的新风温度低，密度大，可以提供平稳且充足的热压；由于热压的作用，在两块换热板之间，热空气从上部流向室外，空气与换热板上半部分之间存在温度差，热空气将部分热量传递给换热板的上半部分，对于整个换热板，上半部分温度高，下半部分温度低，因此在换热板内部竖直方向上存在热传导；冷空气从下部流入室内，冷空气与换热板的下半部分存在温差，热量从换热板下半部分传递给冷空气。

本实用新型的有益效果：

(1)实现了高效的热量交换和余热回收，通过本实用新型通过竖直安放的多个平行的铝合金换热板将排出室外的热空气的部分余热传递给了进入室内的冷空气，提高了冷空气的温度，减少了热量的损耗，降低了室内供暖和空调的负荷，节约能源。

(2)可回收余热的自然通风装置实现了小型空间的自然通风换气，避免了一般的热回收通风换气机的通风换气量远大于建筑中人均所需新风量而不能满负荷运行的不良现状。

(3)基于热压原理的可回收余热的自然通风装置可充分满足空间中人所需的新风换气量，具有充足、平稳、持续的特点。

(4)可回收余热的自然通风装置仅包括了通风窗框架、换热板与通风门，结构简单，易于生产制作，维护与修理相对简便；采用铝合金作为换热板材料，质量轻便，造价较低；体积较小，便于灵活安装，使用简单，在寒冷地区有很大的应用前景。

附图说明

图1为可回收余热的自然通风装置实施例1结构示意图；

图2为可回收余热的自然通风装置实施例1结构示意图；

图3为可回收余热的自然通风装置实施例1原理示意图；

图4为可回收余热的自然通风装置热传递过程；

图5为可回收余热的自然通风装置实施例2结构示意图；

图6为可回收余热的自然通风装置实施例3结构示意图；

其中，1-通风窗框架，2-换热板，3-通风通道，4-通风门。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

一种可回收余热的自然通风装置，如图1、图2所示，包括：通风窗框架1，通风窗框架1内安装多个平行的换热板2，两块换热板2之间为气体交换的通风通道3；通风窗框架1前后、与换热板2垂直方向安装有手动开闭的通风门4。

整个自然通风装置安装于小型建筑墙壁上开的通风口内。

换热板2的材料为铝合金，形状为矩形薄板。

为了保证充足的室内新风换气量，考虑到人的舒适度和节能的要求，换气量通常不能低于30m³/(h·人)。北方的气候特点决定了冬季室内外空气温度能够保持一个基本稳定的差值，因此室内外空气密度差值也基本稳定，所以我们通过设计合适的自然通风装置的竖直高度来控制热压达到一个合理的值。一种可回收余热的自然通风装置的原理如图3所示，室内的热风温度高，密度小，室外的新风温度低，密度大，因此，由于热压的作用，两块换热板2间，热空气从换热板2上部流向室外，冷空气从换热板2下部流入室内，冷热空气的交界面，即热压中和面大致位于板的中间位置。这相当于同一平面上的两个通风口完成自然通风的过程。通过设计换热板2高度，两块换热板2之间为气体交换的通风通道3的宽度以及换热板2的数量，使整个自然通风装置的尺寸满足室内外空气热压差的要求，从而实现平稳的自然通风。

一种可回收余热的自然通风装置的原理是利用建筑物内外空气热压差来实现通风换气的。针对单层建筑或多层建筑的每一层来说，通过建筑物某一开口的自然通风量可由下式计算：

$P_V=\mathrm{\μ}F\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}}}$

式中，P_V为空气体积流量，即新风通气量；μ为开口流量系数；F为开口面积；△P为开口两侧的压力差，即热压；ρ为室外空气密度；其中，热压公式为△P＝gh△ρ，h为进风口 与出风口的竖直距离，g为重力加速度，△ρ为室外与室内空气密度差。为满足小型空间内人的舒适度的要求，新风通气量P_V不得小于30m³/(h·人)。假定某小型空间面积为60㎡，其中有2人生活。取山东省济南市冬季室内温度22℃，此时空气密度为1.197kg/m³；山东省济南市冬季室外温度-3.2℃，密度为1.309kg/m³。根据一般通风装置的尺寸，设通风口尺寸为500mm×150mm。对开口流量系数的取值，一般均采用流体力学中孔口出流原理，取为0.6。经计算，新风通气量P_V＝0.029m³/s，即104.9m³/h，对与每一个人，则为52.5m³/h，满足新风通气量大于30m³/(h·人)的舒适度要求，因此，利用热压进行自然通风是完全可以满足人均需求的。

换热板2的换热介质为铝合金矩形薄板，其宽度为Y(mm)，高度为Z(mm)，板厚度为X(mm)，铝合金的热传导系数为h。一个完整的自然通风装置有n块换热板2纵向排列组成，两块换热板2之间通风通道3的宽度为L(mm)。现在取由一块换热板2与其两侧气体组成的基本换热单元，整个热量传递过程分为从热流体到换热板的热量传递，从换热板高温部分到低温部分的热量传递，从换热板低温侧到冷流体的热量传递这三部分，如图4可回收余热的自然通风装置热传递过程所示，其总热阻R为：

$R=\frac{1}{A_{1}h}+\frac{\frac{1}{2}Z}{A_2\mathrm{\λ}}+\frac{1}{A_{1}h}$

$A_1=2\×\frac{1}{2}\×Z\×Y$

A₂＝X×Y

其中，h(J·m^-2·s^-1·K^-1)为表面传热系数，λ(W·m^-1·K^-1)为铝合金的导热系数，A₁换热板的侧面积，A₂为换热板的底面积，联立以上整理得热阻

$R=\frac{2}{YZh}+\frac{Z}{2\mathrm{\λ}XY}$

对于指定材料，在某一温度下表面传热系数h和导热系数λ为定值，通过对热阻的表达式进行分析可知：所以热阻R随着X和Y的增大减小，随着Z先减小后增大，有极小值，因此，在规定范围内，尽量增大X和Y的值，Z值尽量接近最小值点时，可取得热阻R的较小值，具体取值将被后边的体积与换气方程所约束。单个基本换热单元的总热流量Φ为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{T_{f2}-T_{f1}}{\frac{2}{YZh}+\frac{Z}{2\mathrm{\λ}XY}}$

其中，T_f1(℃)为室外空气温度，T_f2(℃)为室内空气温度。

对于整个自然通风装置而言，可抽象成为n-1个基本换热单元，所以整个装置总热流量Q_总为

通风通道3总体积V为

V＝(n-1)L×Y×Z

新风通气量P_V公式为

$P_V=0.5\×\mathrm{\μ}\×Z\×L\×\sqrt{\frac{gZ({\mathrm{\ρ}}_i-{\mathrm{\ρ}}_0)}{{\mathrm{\ρ}}_i}}\×(n-1)$

根据单位时间热流量可整理得到Q与各个参数的多元函数为

$Q=\frac{\mathrm{\μ}\×\mathrm{\λ}\×h\×X\×Z(n-1)\×(T_{f2}-T_{f1})\×\sqrt[gZ]{\frac{gZ({\mathrm{\ρ}}_i-{\mathrm{\ρ}}_0)}{{\mathrm{\ρ}}_0}}}{4\mathrm{\λ}X+Z^{2}h}$

根据市面上的主流板式换热器型号，我们逐个确定变量的变化范围。其中：X∈(0.6,0.9)；Y∈(160,750)；Z∈(500,1800)；L∈(3.8,4.8)(长度单位均按mm计)。

其中自然通风对流系数(空气与金属表面的自然通风)h＝20W/(m²·K)；

铝合金换热板2传热系数(考虑到工作温度变化范围的不大，故可以采用293.15K下的数值)：λ＝158W/(m·K)。

采用Lingo14.0对装置单位时间热流量Q进行了全局最优求解，得到：单位时间热流量的最大值Q_max＝474.9858J/S。

最优解中各个参数数值为：X＝0.9mm；Z＝500mm；考虑建筑物外墙厚度和装置尺寸的合理性，我们取Y＝400mm，L＝4.8mm，n＝20。考虑到换热板2与冷热空气热交换的效率，取效率η＝30％。则根据公式q＝cmΔt可计算出空气从室外进入室内经余热加热后温度升高3.74℃。

以标准燃煤计算该装置的节能效用：一千克标准煤燃烧产生的热量为q0＝29310kJ。济南城市人口大约为471.5万，假设装置普及率为70％，每个家庭每天使用该装置通风5h，每户安装两个装置，由于装置基于热压实现，仅适用于冬季，所以使用时间按100天计，共节省能量

q_s＝474.9858×10^-3kW×(3600×5×100)s×(471.5×10⁴/4)户×2×70％×30％＝4.23×10¹¹KJ.

可节省的燃煤质量

$M=\frac{q_s}{q_0}=1.44\×{10}^{4}t$

故一年内仅在济南市区内，通过该装置的使用共可节省标准燃煤1.44×104t。按一吨标准煤为700元，总计可节省1080万人民币，节能效果非常可观！

实施例2：

一种可回收余热的自然通风装置，如图5所示，包括：通风窗框架1，通风窗框架1内安装多个平行的换热板2，两块换热板之间为气体交换的通风通道3；通风窗框架1前后、与换热板2垂直方向安装有手动开闭的通风门4。

换热板2的材料为铝合金，形状为波浪形。

波浪形的换热板2与矩形的换热板2相比在有限的空间内增大了换热面积，提高了换热效率。

实施例3：

一种可回收余热的自然通风装置，如图6所示，包括：通风窗框架1，通风窗框架1内安装多个平行的换热板2，两块换热板2之间为气体交换的通风通道3；通风窗框架1前后、与换热板2垂直方向安装有手动开闭的通风门4。

换热板2的材料为铝合金。

换热板2形状为带有沟槽的矩形，换热板2上半部分的沟槽与换热板成45°角，换热板2下半部分的沟槽与换热板成135°角。

带有沟槽的矩形换热板2减少了冷热空气之间的热量交换，提高了余热回收的效率。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种可回收余热的自然通风装置，包括：通风窗框架、多个换热板与通风门，其特征是：通风窗框架内垂直安装多个平行的换热板，两块换热板之间为气体交换的通风通道；通风窗框架前后、与换热板垂直方向安装有手动开闭的通风门。

2.如权利要求1所述的一种可回收余热的自然通风装置，其特征是：所述换热板的材料为铝合金。

3.如权利要求1所述的一种可回收余热的自然通风装置，其特征是：所述换热板的形状为矩形薄板。

4.如权利要求1所述的一种可回收余热的自然通风装置，其特征是：所述换热板的形状为波浪形薄板。

5.如权利要求1所述的一种可回收余热的自然通风装置，其特征是：所述换热板为带沟槽的矩形薄板，换热板上半部分的沟槽与换热板成45°角，换热板下半部分的沟槽与换热板成135°角。

6.如权利要求1-5任一所述的一种可回收余热的自然通风装置，其特征是：所述换热板的厚度为0.9mm，高度为500mm，宽度为400mm，两块换热板之间通风通道的宽度为4.8mm，换热板的个数为20个。