Experimental Investigation of the Total Performance of a Membrane Energy Exchanger

Abstract

Energy-efficient ventilation is crucial to reach today's strict Norwegian building regulations. Heat exchangers are therefore mandatory to install in ventilation systems to reduce the energy demand for ventilation. There are many types of heat exchangers that use different methods and designs to transfer heat. However, they all have one or more limitations. Membrane energy exchangers (MEE) try to solve problems concerning efficiency, frost, and cross-contamination using a membrane to separate the exhaust air and supply air. The exchanger can transfer both sensible and latent heat by making the membrane permeable to moisture. This increases efficiency and reduces the risk of freezing in the exhaust air channel. However, it brings up questions surrounding the ability of different contaminants to penetrate the membrane. This thesis aims to find the total performance of the MEE by experimentally investigating the potential transfer of volatile organic compounds (VOC) and odours through a porous polypropylene membrane, in addition to effectiveness and pressure drop.

Effectiveness and pressure drop are mainly influenced by the volumetric airflow rate and the thermodynamic properties of the ambient air. The transfer of contaminants depends on the physical properties of the membrane, which influences its selectivity. VOC and odour transfer is therefore evaluated through cross-contamination experiments on the MEE test rig using formaldehyde and household odour sources, respectively. The air leakage in the MEE core is also investigated in case the results are affected by internal or external leakages. After a literature study into odour measurements, it was decided to use the perceived air quality (PAQ) method to investigate the odour transfer through the membrane. An untrained sensory panel consisting of 19 people were set to evaluate the air acceptability (AA), odour intensity (OI) and hedonic tone (OI) after five different odour samples and two blank samples were inserted into the system.

Results from the experiments showed that the membrane achieved a high average sensible and latent effectiveness of 90% and 70%, respectively. The pressure drop through the MEE core is relatively high and increases when the volumetric airflow rate increases. However, measurements on formaldehyde transfer indicate that the crossover of contaminants decreases when the airflow rate is high. The crossover averages at 63% when the airflow rate is 7.3 L/s and has increased to 81.3% when the airflow rate is 4.2 L/s. Nonetheless, the crossover of formaldehyde is still relatively high. The odour experiment also indicates a large transfer through the membrane. When comparing the household odour samples to the blank samples there is a notable difference in air acceptability and odour intensity. Some odour samples were less noticeable due to differences in concentration caused by different volatility. However, the average odour intensity for the household odour samples was rated higher than the blank sample by 63% of the panel members for the first blank sample, and by 50% for the second blank sample.

The air leakage measurements using nitrous oxide (N2O) indicate an internal leakage of 1.7% and an external leakage of 3.6%, which is relatively low. A plausible explanation for these contradicting measurements is that the membrane is less selective towards certain vapours and gases, like formaldehyde and odour.

The total performance of the polypropylene membrane is evaluated to be high in relation to heat transfer. However, the transfer of contaminants is larger than desired and could cause a reduction in indoor air quality. Future work should test additional membranes to verify the results and investigate measures that could reduce cross-contamination.

Energieffektiv ventilasjon er avgjørende for å nå dagens strenge norske byggtekniske forskrifter. Varmevekslere er derfor obligatoriske å installere i ventilasjonsanlegg for å redusere energiforbruket til oppvarming. Det finnes mange typer varmevekslere som bruker ulike metoder og geometrisk design for å overføre varme. Problemet er at de fleste varmevekslere har en eller flere begrensninger. Membranvarmevekslere (MEE) prøver å løse problemer omkring lav effektivitet, frost og krysskontaminering ved hjelp av en membran som skiller avtrekksluft og tilluft. Varmeveksleren kan overføre både følbar og latent varme ved å gjøre membranen gjennomtrengelig for fuktighet. Dette øker effektiviteten og reduserer risikoen for at fukt i avtrekksluften fryser. Det forårsaker imidlertid spørsmål om hvorvidt urenheter i luften også er i stand til å trenge gjennom membranen. Denne masteroppgaven forsøker å finne den totale ytelsen til membranvarmeveksleren ved å eksperimentelt undersøke en mulig overføring av flyktige organiske forbindelser (VOC) og lukt gjennom en porøs polypropylenmembran, i tillegg til å undersøke effektivitet og trykkfall.

Effektivitet og trykkfall påvirkes hovedsakelig av den volumetriske luftstrømningshastigheten og luftens fysiske tilstand. Overføringen av urenheter avhenger av de fysiske egenskapene til membranen, som igjen påvirker dens selektivitet. VOC og luktoverføring evalueres derfor gjennom krysskontaminasjonseksperimenter på MEE-testriggen ved bruk av henholdsvis formaldehyd og lukt som vanligvis finnes i husholdninger. Luftlekkasjen i varmevekslerkjernen undersøkes også i tilfelle resultatene påvirkes av interne eller eksterne lekkasjer. Etter en litteraturstudie på utførelsen av luktmålinger ble det besluttet å bruke opplevd luftkvalitet metoden (Percieved Air quality - PAQ) for å undersøke luktoverføringen gjennom membranen. Et utrent sensorisk panel bestående av 19 personer ble satt for å evaluere luftakseptabilitet, luktintensitet og hedonisk tone etter at fem forskjellige luktprøver og to blindprøver ble tilført systemet.

Resultat fra eksperimentene viste at membranen oppnådde en høy gjennomsnittlig følbar og latent effektivitet på henholdsvis 90% og 70%. Trykkfallet gjennom varmevekslerkjernen er relativt høyt og øker når den volumetriske luftstrømmen øker. Målinger indikerer imidlertid at krysskontamineringen av formaldehyd avtar når luftstrømningshastigheten er høy. Gjennomsnittsverdien er 63% når lufthastigheten er 7,3 L/s og har økt til 81,3% når lufthastigheten synker til 4,2 L/s. Likevel er krysskontamineringen av formaldehyd fortsatt relativt høy. Lukteksperimentet indikerer også at det er krysskontaminering gjennom membranen. Når man sammenligner luktprøvene med blindprøvene, er det en merkbar forskjell i luftakseptabilitet og luktintensitet. Noen luktprøver var mindre merkbare på grunn av forskjeller i konsentrasjon forårsaket av ulik flyktighet. Likevel ble den gjennomsnittlige luktintensiteten ble vurdert til å være høyere enn den første blindprøven av 63% av panelmedlemmene, og av 50% for den andre blindprøven.

Luftlekkasjemålingene ble utført ved hjelp av dinitrogenoksid (N2O) og indikerer en intern lekkasje på 1,7% og en ekstern lekkasje på 3,6%. Dette tilsier at lekkasjen er relativt lav. En mulig forklaring på disse motstridende målingene er at membranen er mindre selektiv mot visse gasser, som formaldehyd og lukt.

Den totale ytelsen til polypropylenmembranen vurderes å være høy når det kommer til varmeoverføring. Imidlertid er overføringen av forurensninger høyere enn ønsket og kan føre til en reduksjon i inneluftkvaliteten. Fremtidig forskning bør fokusere på å teste flere membraner for å verifisere resultatene. Det bør også undersøkes om det finnes tiltak som kan redusere krysskontaminering.