Performance of Membrane Energy Exchangers in Ventilation: Analyses of Odour Transfer, VOC Transfer, and Sensible and Latent Effectiveness

Abstract

For å forsikre energieffektiv drift av bygninger og redusere utslipp fra driftsfasen anbefales bruk av varmegjenvinning i ventilasjonssystemer. Membran energivekslere tilbyr innovativ teknologi til ventilasjonssystemer i energieffektive bygninger og utnytter både varme- og fuktgjenvinning for å oppnå akseptabel inneluftkvalitet. Viktige faktorer for å opprettholde tilfredsstillende inneluftkvalitet er å forhindre overføring av lukt og flyktige organiske forbindelser. Dette er et problem som må adresseres for membranteknologien. Denne rapporten har som mål undersøke i hvilken grad membranegenskaper påvirker selektivitet overfor lukt og flyktige organiske forbindelser, og evaluere ytelsen knyttet til inneluftkvalitet i virkelige scenarier.

Tre membran energivekslere (MV-1, MV-2 og MV-3) ble vurdert ved hjelp av eksperimentelle laboratorie undersøkelser. Hver prototype hadde forskjellige fuktoverførings egenskaper og var en kombinasjon av en motstrøms- og medstrømsveksler. Sensorisk analyse av lukt med panel deltakere ble gjennomført for å undersøke luktoverføringen gjennom de ulike membranene og innflytelsen dette har på bygningens brukere. I tillegg ble sensorer brukt til å måle krysskontaminering av flyktige organiske forbindelser, og latent fuktgjenvinnings effektivitet og følbar temperatur effektivitet ble målt under ulike driftsforhold.

Resultatene viste at MV-1, som brukte membranen med lavest fuktoverføring, hadde de beste resultatene med hensyn til luktoverføring, med lavest luktintensitet og færre misfornøyde panel deltakere. Denne membranen hadde også den laveste krysskontamineringen av flyktige organiske forbindelser, med 56% mindre enn MV-3 med aceton som kilde og 4.3% med formaldehyd som kilde. MV-2 og MV-3, med henholdsvis middels og høy fuktoverføring, viste dårligere selektivitet for lukter og flyktige organiske forbindelser, men jevnt høye resultater for effektivitetsundersøkelsene. MV-1 viste svakhet med hensyn til latent fuktgjenvinnings effektivitet, da deler av effektivitetsundersøkelsen ble påvirket av ubalanserte luftstrømmer. Likevel indikerer de gyldige resultatene en 11.9% lavere latent fuktgjenvinnings effektivitet sammenlignet med det høyeste resultatet fra MV-3.

MV-1 sin lave latente fuktgjenvinnings effektivitet viser begrensninger ved fuktgjenvinning for membraner med lav fuktoverføring. I motsetning viste de to membranene med høyere fuktoverføring høyere effektivitet, men dårligere selektivitet for lukter og flyktige organiske forbindelser. MV-2 presterte dårligere enn MV-3 og anbefales ikke for bruk i ventilasjon basert på denne rapporten. Valget mellom en membran med lav fuktoverføring, som MV-1, og høy fuktoverføring, som MV-3, avhenger av de spesifikke designkravene for installasjonen. MV-1 anbefales på grunn av sin betydelig bedre selektivitet for lukter og flyktige organiske forbindelser, men svakere fukt kontroll må tas i betraktning. I tilfeller med minimal risiko for eksponering for sterke lukter og flyktige organiske forbindelser anbefales MV-3 på grunn av sin høye effektivitet. Samlet sett understreker funnene i rapporten viktigheten av membranvalg og balanserte luftstrømmer for å forsikre optimal inneluftkvalitet. Rapporten fremhever potensialet membran energivekslere har for energieffektive bygninger og komfortable innemiljøer.

To ensure energy-efficient operation of buildings and reduce emissions from the operation phase, implementation of heat recovery in ventilation systems is recommended. Membrane energy exchangers offer innovative technology to ventilation systems in energy-efficient buildings as it exploits both heat and moisture recovery to provide acceptable indoor air quality. Important factors in maintaining satisfactory indoor air quality are preventing transfer of odours and volatile organic compounds, which must be addressed for the membrane technology. This study aims to determine the extent of membrane properties' influence on selectivity towards odours and volatile organic compounds and evaluate the performance related to indoor air quality in real-life scenarios.

Three prototypes of membrane energy exchangers (MV-1, MV-2, and MV-3) were evaluated using experimental laboratory methods. Each prototype had different moisture transfer properties and was of the quasi-counter flow type. Odour sensory analyses with panel members were performed to evaluate the odour transfer through the different membranes and the influence of odours on building occupants. Sensors were used for measuring the contaminant crossover of volatile organic compounds, and latent and sensible effectiveness of the membranes were measured under different operating conditions.

Results showed that MV-1, using the membrane with the lowest moisture transfer rate, had the best results regarding odour transfer, with low odour intensity and fewer dissatisfied occupants. This membrane also had the lowest crossover of volatile organic compounds, with 56% less than MV-3 with acetone as source and 4.3% with formaldehyde as source. MV-2 and MV-3, with respectively medium and high moisture transfer rates, showed poorer selectivity to odours and volatile organic compounds but consistent and high results for the effectiveness assessments. MV-1 showed weakness in terms of latent effectiveness as parts of the effectiveness assessment were influenced by unbalanced air flows. However, the valid results indicate 11.9% lower latent effectiveness compared to the highest result from MV-3.

The low latent effectiveness of MV-1 shows the limitations in moisture recovery for membranes with low moisture transfer rates. In contrast, the two membranes with higher moisture transfer rates showed higher effectiveness but lacked selectivity for odours and volatile organic compounds. MV-2 performed worse than MV-3 and is not recommended for use in ventilation based on this study. The decision between a membrane with low moisture transfer rates, like MV-1, and high moisture transfer rates, like MV-3, depends on the specific design requirements. MV-1 is recommended for its significantly better selectivity towards odours and volatile organic compounds, but weaker humidity control must be considered. In cases with minimal risk of exposure to intense odours and volatile organic compounds, MV-3 would be recommended due to its high effectiveness. Overall, the findings emphasize the importance of membrane selection and balanced air flows to ensure optimal indoor air quality. The study highlights the potential membrane energy exchanger optimization has for energy-efficient buildings and comfortable indoor environments.