熱管空調(diào)機(jī)組的實(shí)驗(yàn)研究

（1海信（山東）空調(diào)有限公司，山東 青島 266071; 2青島工學(xué)院，山東 膠州 266300）

摘 要：本文分析了節(jié)能的需求和熱管空調(diào)的工作原理，針對(duì)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行了熱管空調(diào)的溫差試驗(yàn)、啟停試驗(yàn)，對(duì)不同項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到不同運(yùn)行曲線(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，只要控制好熱管空調(diào)的啟停，滿(mǎn)足溫差要求，則熱管空調(diào)就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

關(guān) 鍵 詞：熱空空調(diào);溫差;啟停

1 前言

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，通信業(yè)取得了飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)升級(jí)和更替帶來(lái)的能耗也將持續(xù)增加。一般通信基站為全封閉結(jié)構(gòu)，而通信設(shè)備需要不間斷運(yùn)行，因此為了滿(mǎn)足基站內(nèi)部溫度控制要求，則基站空調(diào)需要常年不間斷運(yùn)行?？照{(diào)耗電、通信設(shè)備耗電、監(jiān)控設(shè)備耗電等等，導(dǎo)致基站能耗居高不下。

熱管[1]通過(guò)工質(zhì)的相變實(shí)現(xiàn)高效換熱，利用室外的低溫自然冷源實(shí)現(xiàn)基站內(nèi)部溫度控制，減少壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)基站空調(diào)的節(jié)能。

2 熱管空調(diào)的工作原理

熱管空調(diào)是將熱管有機(jī)融合進(jìn)入現(xiàn)有壓縮機(jī)制冷機(jī)組中，通過(guò)單向閥、電子膨脹閥等有效換向，實(shí)現(xiàn)一套機(jī)組、兩種運(yùn)行模式，在全天候運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)基站室內(nèi)外溫度自動(dòng)選擇運(yùn)行模式，在熱管冷卻模式無(wú)法滿(mǎn)足負(fù)荷要求的時(shí)候，開(kāi)啟壓縮機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最大化節(jié)能。當(dāng)室外環(huán)境溫度較高時(shí)，如夏季，機(jī)組以壓縮機(jī)制冷模式運(yùn)行，開(kāi)啟壓縮機(jī)制冷運(yùn)行，滿(mǎn)足基站內(nèi)部溫度控制;而其他季節(jié)當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時(shí)，機(jī)組以熱管冷卻模式運(yùn)行，通過(guò)熱管內(nèi)部工質(zhì)相變將室外低溫能量傳遞到室內(nèi)，滿(mǎn)足基站內(nèi)部溫度控制，此時(shí)機(jī)組能效比較高，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行[2]。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于熱管空調(diào)是一種新型的節(jié)能技術(shù)，性能和可靠性期待研究，因此，本文對(duì)研制的機(jī)組在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了具體的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)內(nèi)容。

（1）熱管換熱量與溫差特性試驗(yàn)。熱管空調(diào)在一定的充液率下，保持實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)側(cè)工況不變，改變室外側(cè)干球溫度，得到不同的室內(nèi)外溫差下的各種參數(shù)，記錄并分析相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）啟停試驗(yàn)。常規(guī)熱管換熱機(jī)組普遍存在的問(wèn)題是熱管啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、啟動(dòng)不穩(wěn)定，甚至有時(shí)候機(jī)組無(wú)法啟動(dòng)，導(dǎo)致市場(chǎng)推廣和實(shí)際應(yīng)用受阻。為了驗(yàn)證機(jī)組中熱管換熱和壓縮機(jī)制冷能在需要的時(shí)候順利啟動(dòng)，在不同制冷劑充注量以及不同溫差情況下，進(jìn)行兩種模式下的啟停和轉(zhuǎn)換試驗(yàn)，記錄并分析熱管空調(diào)的啟動(dòng)特性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照實(shí)際測(cè)試項(xiàng)目得到了不同的的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)誤差和不確定性處理[3]，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行影響因素分析，具體如下。

4.1 溫差的影響

熱管換熱的優(yōu)點(diǎn)是隨著室內(nèi)外溫差加大，換熱量也逐漸增大。本試驗(yàn)是在室內(nèi)干球28℃條件下，通過(guò)焓差實(shí)驗(yàn)室改變室外環(huán)境溫度，進(jìn)行了不同溫差條件下熱管性能的試驗(yàn)研究，測(cè)試結(jié)果的曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著內(nèi)外溫差加大，機(jī)組熱管換熱的換熱量也隨之增加，溫差在5℃～15℃范圍內(nèi)變化時(shí)，換熱量與溫差基本呈線(xiàn)性變化;而溫差在15℃以上時(shí)，顯熱換熱量增加變緩。通過(guò)溫差試驗(yàn)得知，熱管空調(diào)一體機(jī)組中熱管換熱量與溫差不完全呈線(xiàn)性關(guān)系。

在溫差較小時(shí)，由于熱管系統(tǒng)送風(fēng)量較大，出風(fēng)溫度較高，熱管換熱器表面無(wú)凝露;而當(dāng)溫差逐漸增大時(shí)，室外溫度過(guò)低，熱管換熱器內(nèi)部工質(zhì)冷凝效果好，工質(zhì)溫度也較低，低溫液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入室內(nèi)蒸發(fā)器后，導(dǎo)致出風(fēng)溫度過(guò)低，換熱器表面出現(xiàn)凝露，凝露水珠覆蓋換熱器表面，影響熱管系統(tǒng)與空氣的熱交換，最終導(dǎo)致熱管換熱量增長(zhǎng)變緩現(xiàn)象。

熱管空調(diào)在內(nèi)外溫差5℃時(shí)，熱管冷卻模式的能效比為6.13W·W-1，隨著溫差加大，能效比線(xiàn)性同比增大;當(dāng)溫差到15℃以后，能效比的增大由于換熱量增長(zhǎng)變緩而變緩。圖2表明，熱管的運(yùn)行能效比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于壓縮機(jī)制冷模式下的能效比。由此可見(jiàn)，在空調(diào)機(jī)組中增加熱管換熱存在巨大的節(jié)能潛力。

4.2 啟停的影響

熱管空調(diào)有兩種運(yùn)行模式：壓縮機(jī)制冷模式和熱管冷卻模式。在正常運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有不同模式的轉(zhuǎn)換和啟停，其中壓縮機(jī)為氣體泵，用途為壓縮和輸送氣體，運(yùn)行前提是高低壓差要在安全范圍內(nèi)，由于回油、平衡等安全問(wèn)題，一般壓縮機(jī)停機(jī)和開(kāi)機(jī)時(shí)間間隔至少3分鐘。而氟泵為液體泵，用途為輸送液體，如果泵前工質(zhì)中含氣體，則容易發(fā)生汽蝕，氟泵容易發(fā)生故障。因此熱管空調(diào)在運(yùn)行模式轉(zhuǎn)化過(guò)程中，需要評(píng)估機(jī)組的性能和安全性。

（1）壓縮機(jī)制冷模式轉(zhuǎn)熱管冷卻模式。熱管空調(diào)在正常運(yùn)行過(guò)程中，由于節(jié)能的需求，在滿(mǎn)足熱管冷卻模式的運(yùn)行條件下機(jī)組會(huì)由壓縮機(jī)制冷模式轉(zhuǎn)為熱管冷卻模式。見(jiàn)圖3，模式轉(zhuǎn)化過(guò)程中，壓縮機(jī)停機(jī)后，系統(tǒng)中排氣壓力、吸氣壓力和氟泵后壓力迅速平衡為一個(gè)中間值，隨后緩慢下降，由于停機(jī)過(guò)程中系統(tǒng)高溫和低溫工質(zhì)混合，工質(zhì)容易發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，此時(shí)氟泵前端為氣液混合物，氟泵無(wú)法啟動(dòng)，只有當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部壓力下降到一定程度后穩(wěn)定，氟泵才能啟動(dòng)，熱管冷卻模式開(kāi)始運(yùn)行，通過(guò)多次試驗(yàn)，此狀態(tài)下確定停機(jī)平衡時(shí)間5分鐘。

（2）熱管冷卻模式下的啟停。熱管空調(diào)的熱管冷卻模式運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)通信基站內(nèi)部環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定溫度要求時(shí)，熱管運(yùn)行會(huì)停機(jī);當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)設(shè)定溫度要求時(shí)，熱管運(yùn)行再次啟動(dòng)，在此停機(jī)和啟動(dòng)過(guò)程的壓力變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

由于熱管長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，環(huán)境溫度加上電機(jī)溫升，氟泵電機(jī)及表面的工作溫度會(huì)較高，若此時(shí)熱管停機(jī)，系統(tǒng)內(nèi)部壓力瞬間降低，在高溫作用下，泵體內(nèi)工質(zhì)氣化，產(chǎn)生氣泡，若氣泡不能有效排出，則熱管系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)。因此，熱管啟動(dòng)需要一定等待時(shí)間，通過(guò)多次試驗(yàn)，此狀態(tài)下確定停機(jī)平衡時(shí)間為6分鐘。

（3）熱管冷卻模式轉(zhuǎn)壓縮機(jī)制冷模式。隨著室外環(huán)境溫度的變化，當(dāng)基站內(nèi)部溫度達(dá)不到設(shè)定溫度要求時(shí)，熱管空調(diào)一體機(jī)組則自動(dòng)切換為壓縮機(jī)制冷運(yùn)行，此時(shí)氟泵停機(jī)，系統(tǒng)內(nèi)部壓力降低，由于熱管冷卻模式運(yùn)行過(guò)程中高低壓差較小，1分鐘時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)部壓力穩(wěn)定，此后壓縮機(jī)制冷模式開(kāi)始，壓縮機(jī)啟動(dòng)瞬間低壓降低、高壓升高，系統(tǒng)正常進(jìn)入制冷運(yùn)行，整個(gè)過(guò)程的壓力變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

5 結(jié)論

本文對(duì)熱管空調(diào)機(jī)組進(jìn)行了溫差試驗(yàn)和啟停試驗(yàn)的測(cè)試和數(shù)據(jù)分析。溫差試驗(yàn)表明，在室內(nèi)外溫差5℃～15℃之間，熱管換熱量與溫差基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，當(dāng)溫差大于15℃，熱管換熱量增長(zhǎng)變緩，由此可見(jiàn)熱管換熱量與溫差并不完全是線(xiàn)性關(guān)系。啟停試驗(yàn)表明，熱管空調(diào)機(jī)組中熱管的啟動(dòng)需要一定的平衡時(shí)間，而壓縮機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)零延時(shí)啟動(dòng)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，只要滿(mǎn)足溫差要求，控制好啟停時(shí)間，則熱管空調(diào)就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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