泵驅(qū)動回路熱管能量回收裝置的工作特性

馬國遠(yuǎn)，段 未，周 峰

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124）

泵驅(qū)動回路熱管能量回收裝置的工作特性

馬國遠(yuǎn)，段 未，周 峰

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124）

為了有效利用公共建筑空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)的能量，降低新風(fēng)處理能耗，設(shè)計出一種泵驅(qū)動回路熱管能量回收裝置.搭建實驗系統(tǒng)，討論該裝置在8種運行工況、3種不同工質(zhì)下的工作特性，分析工況和工質(zhì)對其換熱量、溫度效率和性能系數(shù)等參數(shù)的影響.結(jié)果表明:該裝置能夠滿足公共建筑換氣能量回收的要求，具有顯著的節(jié)能效果.室內(nèi)外溫差增大對其換熱量和性能系數(shù)有利，對溫度效率不利.該裝置夏季工況的性能系數(shù)可達(dá)11.07，冬季工況的性能系數(shù)可達(dá)23.82；以R32為工質(zhì)時，該裝置的性能優(yōu)于R22和R152a.

泵驅(qū)動回路熱管；能量回收；換熱量；溫度效率；性能系數(shù)

據(jù)統(tǒng)計，目前中國大型公共建筑中，空調(diào)系統(tǒng)用電占比達(dá)到50%～60%，在空調(diào)系統(tǒng)總負(fù)荷中，新風(fēng)負(fù)荷占比約為30%～50%，在人員密集的公共建筑內(nèi)可達(dá)70%以上［1］.另一方面，夏、冬季空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)中攜帶的大量冷、熱量被排到室外，造成很大程度上的浪費.如果能夠有效回收利用排風(fēng)攜帶的能量來降低新風(fēng)負(fù)荷，是實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要途徑之一，對實現(xiàn)中國建筑節(jié)能目標(biāo)具有重要意義.在空調(diào)新風(fēng)和排風(fēng)之間設(shè)置能量回收裝置，使新風(fēng)和排風(fēng)進(jìn)行冷、熱量的交換，把排風(fēng)中的能量盡可能多地傳遞給新風(fēng)，降低處理新風(fēng)的能耗，是一種行之有效的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方法.

目前，用于空調(diào)排風(fēng)能量回收的裝置按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為整體式和分體式兩大類，整體式能量回收裝置包括轉(zhuǎn)輪式、板式、板翅式、熱泵式和整體熱管式等，分體式能量回收裝置包括中間熱媒式和回路熱管式等.Simonson等［2］基于轉(zhuǎn)輪式能量回收裝置的傳熱機理建立數(shù)學(xué)模型，為轉(zhuǎn)輪式能量回收裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和效率計算提供了依據(jù).Michael［3］提出一種用于計算板式空氣-空氣熱交換器效率的數(shù)學(xué)模型，闡述了熱交換效率與總傳熱系數(shù)、氣體流動形式和兩側(cè)氣體流量比之間的關(guān)系.Nguyen等［4］提出一種熱泵式能量回收裝置，以空調(diào)排風(fēng)為冷（熱）源，利用熱泵處理新風(fēng).周峰［5］研究了新風(fēng)溫度、充注率、傾斜角度、管排數(shù)和迎面風(fēng)速等參數(shù)對整體熱管式能量回收系統(tǒng)性能的影響.Bennett等［6］將中間熱媒式能量回收系統(tǒng)的初投資、運行維護(hù)費用和年節(jié)省費用整合，得出全生命周期費用計算公式，并通過計算機程序?qū)?shù)進(jìn)行優(yōu)化.劉娣等［7］設(shè)計了一種分離式熱管能量回收樣機，實驗得出能量回收效率與室內(nèi)外溫度之間的關(guān)系.

整體式能量回收裝置的回收效率較高，當(dāng)新、排風(fēng)管道距離較近時宜采用整體式裝置.當(dāng)新、排風(fēng)管道距離較遠(yuǎn)時，宜采用分體式裝置，其中中間熱媒式以泵為驅(qū)動力、以水為中間介質(zhì)傳輸新排風(fēng)熱量，但需要考慮冬季防凍措施，同時中間熱媒式利用顯熱進(jìn)行換熱，泵功消耗較大、經(jīng)濟性差；回路熱管式以低沸點介質(zhì)為工質(zhì)，屬于相變換熱，冬季無需防凍，但由于沒有機械動力，蒸發(fā)器與冷凝器間需要一定的高度差，系統(tǒng)布置有限制，無法適應(yīng)復(fù)雜大型的能量回收場所.本文針對中間熱媒式和回路熱管式的局限性，提出當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的新、排風(fēng)道距離較遠(yuǎn)時，將泵驅(qū)動回路熱管技術(shù)應(yīng)用于公共建筑進(jìn)行排風(fēng)能量回收.該裝置屬于相變換熱，且由工質(zhì)泵提供動力，泵功率較小，冬季無需防凍，系統(tǒng)布置靈活，能夠適應(yīng)復(fù)雜大型的能量回收場所.

目前，有研究者將泵驅(qū)動回路熱管系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心自然冷卻，替代傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能的目的［8-9］.該類研究均為利用室外自然冷源為室內(nèi)環(huán)境降溫冷卻，要求室內(nèi)空氣溫度高于室外空氣溫度機組才能運行.為使泵驅(qū)動回路熱管技術(shù)滿足公共建筑排風(fēng)能量回收的要求，在夏季和冬季工況均能夠利用排風(fēng)能量降低新風(fēng)負(fù)荷，本研究對泵驅(qū)動回路熱管系統(tǒng)加以改進(jìn)，可使系統(tǒng)工質(zhì)能夠沿正反2個方向循環(huán)，以適應(yīng)夏季和冬季工況轉(zhuǎn)換的要求，同時搭建了泵驅(qū)動回路熱管能量回收裝置的性能測試系統(tǒng)，對其工作特性進(jìn)行研究.

1　泵驅(qū)動回路熱管能量回收裝置

傳統(tǒng)的回路熱管是對單根熱管的變形，以重力和毛細(xì)力為驅(qū)動力，由于缺乏機械動力，在管路布置比較復(fù)雜的情況下難以正常啟動.泵驅(qū)動回路熱管系統(tǒng)在傳統(tǒng)回路熱管系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝工質(zhì)泵，用于克服系統(tǒng)阻力，為工質(zhì)循環(huán)提供動力，能夠適應(yīng)管路布置復(fù)雜的換熱場所.

泵驅(qū)動回路熱管能量回收裝置的工作原理如圖1所示.系統(tǒng)主要由工質(zhì)泵、儲液罐、新風(fēng)換熱器及風(fēng)機、排風(fēng)換熱器及風(fēng)機、截止閥1～4及其連接管路組成.

通過控制截止閥1～4的開閉，系統(tǒng)可以實現(xiàn)2種運行模式.

1.1夏季運行模式

該裝置按夏季運行模式工作時，截止閥1、2開，3、4關(guān)，工質(zhì)的循環(huán)方向為儲液罐→工質(zhì)泵→新風(fēng)換熱器→排風(fēng)換熱器→儲液罐.其工作過程如下:儲液罐內(nèi)的飽和液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入工質(zhì)泵入口；經(jīng)泵的絕熱增壓過程在泵出口達(dá)到過冷狀態(tài)；從泵出口到新風(fēng)換熱器入口，工質(zhì)由于管路的流動阻力產(chǎn)生一定的壓降；工質(zhì)在新風(fēng)換熱器中吸熱由過冷狀態(tài)達(dá)到飽和狀態(tài)，繼續(xù)吸熱產(chǎn)生相變變?yōu)闅庖?相狀態(tài)；工質(zhì)從新風(fēng)換熱器出口到排風(fēng)換熱器入口，壓力繼續(xù)降低；在排風(fēng)換熱器內(nèi)兩相狀態(tài)的工質(zhì)放出熱量冷凝為液態(tài)，經(jīng)排風(fēng)換熱器出口流回儲液罐，完成一個循環(huán).如此周而復(fù)始，將排風(fēng)的冷量不斷轉(zhuǎn)移到新風(fēng)，達(dá)到回收排風(fēng)中的冷量為新風(fēng)預(yù)冷、降低處理新風(fēng)的能耗的目的.

1.2冬季運行模式

該裝置按冬季運行模式工作時，截止閥3、4開，1、2關(guān)，工質(zhì)的循環(huán)方向為儲液罐→工質(zhì)泵→排風(fēng)換熱器→新風(fēng)換熱器→儲液罐.其工作過程與夏季運行模式相類似，區(qū)別在于工質(zhì)進(jìn)出兩換熱器的順序.在冬季運行模式下能夠?qū)⑴棚L(fēng)的熱量不斷轉(zhuǎn)移到新風(fēng)，達(dá)到回收排風(fēng)中的熱量為新風(fēng)預(yù)熱、降低處理新風(fēng)的能耗的目的.

2　實驗系統(tǒng)及性能測試

實驗在焓差實驗室中進(jìn)行，由焓差室提供恒溫恒濕的環(huán)境條件，泵驅(qū)動回路熱管能量回收裝置實驗系統(tǒng)的布置如圖2所示.它主要由2個測試室（室內(nèi)測試室和室外測試室）、被測裝置、空氣再處理系統(tǒng)、風(fēng)量測試裝置以及計算機測控系統(tǒng)等組成.由室內(nèi)測試室模擬室內(nèi)環(huán)境，提供排風(fēng)空氣條件；由室外測試室模擬室外環(huán)境，提供新風(fēng)空氣條件.排風(fēng)換熱器安裝在室內(nèi)測試室，新風(fēng)換熱器、儲液罐和工質(zhì)泵等其余部件安裝在室外測試室.工質(zhì)泵選用自吸式磁力泵.新風(fēng)換熱器和排風(fēng)換熱器為相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的翅片管換熱器，且放置于同一水平高度.新風(fēng)換熱器和排風(fēng)換熱器的風(fēng)機為軸流風(fēng)機.

在本實驗中，能量回收裝置的性能主要由3項性能參數(shù)來衡量，分別是換熱量Q、溫度效率η和性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）.

換熱量為

式中:Q為換熱量，kW；mea為排風(fēng)換熱器空氣質(zhì)量流量，kg/s；hea，in為排風(fēng)換熱器進(jìn)口空氣焓值，kJ/ kg；hea，out為排風(fēng)換熱器出口空氣焓值，kJ/kg.

溫度效率為

式中:η為溫度效率，%；Tea，in為排風(fēng)換熱器進(jìn)口空氣溫度，℃；Tea，out為排風(fēng)換熱器出口空氣溫度，℃；Toa，in為新風(fēng)換熱器進(jìn)口空氣溫度，℃.

式中:COP為性能系數(shù)；Wpump為工質(zhì)泵功率，kW；Weafan為排風(fēng)換熱器功率，kW；Woafan為新風(fēng)換熱器功率，kW.

在新風(fēng)進(jìn)口處、排風(fēng)進(jìn)口處和排風(fēng)出口處分別設(shè)置干、濕球溫度傳感器，進(jìn)而計算出空氣焓值以及裝置的溫度效率.通過壓力變送器和壓差變送器使得靜壓箱內(nèi)壓力與大氣壓力保持一致.通過壓差變送器測量噴嘴前后壓差，進(jìn)而計算出排風(fēng)換熱器的風(fēng)量，由焓差和風(fēng)量可計算出裝置的換熱量.通過數(shù)字功率計測量工質(zhì)泵、新風(fēng)換熱器風(fēng)機和排風(fēng)換熱器風(fēng)機的功率，由換熱量和功率可計算出裝置的

性能系數(shù)為性能系數(shù).通過PID控制器維持穩(wěn)定的工況.通過數(shù)據(jù)采集器采集溫度、濕度、壓力、壓差和電量等信息.相關(guān)測試儀器的規(guī)格參數(shù)如表1所示.采用標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評定方法，計算出換熱量、溫度效率和性能系數(shù)的最大相對不確定度分別為3.32%、2.41%和3.63%.

3　實驗結(jié)果與討論

按GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》第3目“室內(nèi)空氣設(shè)計參數(shù)”與附錄A“室外空氣計算參數(shù)”中的數(shù)據(jù)［10］，夏季和冬季各選擇4個典型城市，測試夏季和冬季共8個工況，各個工況的室內(nèi)外空氣參數(shù)如表2所示.表2中室內(nèi)外溫差的定義為室內(nèi)干球溫度與室外干球溫度之差，取正值.夏季4個工況的室內(nèi)外溫差分別為3.4、5.5、7.5、9.5℃，冬季4個工況的室內(nèi)外溫差分別為16.8、21.1、26.1、31.9℃.

本實驗以目前主流工質(zhì)R22為比較對象，要求替代工質(zhì)在物化性質(zhì)及安全性上接近R22，又能在傳熱特性及環(huán)保特性上優(yōu)于R22.最終選擇3種工質(zhì)來測試泵驅(qū)動回路熱管能量回收裝置的性能，分別是R22、R32和R152a.工質(zhì)充注量的計算遵循2條基本原則［11］:

1）保證在管路中全部為液體的條件下儲液罐仍然有液體剩余以保證其氣液2相狀態(tài).

2）確保管路全部為氣體時儲液器能夠容納所有工質(zhì)，且有一定的氣體存在，以保證其中工質(zhì)溫度為飽和溫度.

由質(zhì)量守恒

表1　測試儀器的規(guī)格參數(shù)Table 1 Parameters of the instruments

表2　室內(nèi)外空氣參數(shù)Table 2 Parameters of indoor and outdoor air

式中:mmin為工質(zhì)最小充注量，kg；mL為液態(tài)工質(zhì)質(zhì)量，kg；mv為氣態(tài)工質(zhì)質(zhì)量，kg；Vloop為管路容積，m3；ρL為液態(tài)工質(zhì)密度，kg/m3；Vacu為儲液罐容積，m3；ρv為氣態(tài)工質(zhì)密度，kg/m3；mmax為工質(zhì)最大充注量，kg.

根據(jù)式（4）（5）結(jié)合實驗系統(tǒng)的幾何尺寸，得出R22充注量為19.9～22.5 kg，R32充注量為15.4～18.3 kg，R152a充注量為14.4～16.7 kg.由于裝置中設(shè)有儲液罐，只要保證工質(zhì)按上述范圍充注，則工質(zhì)充注量對系統(tǒng)性能影響不大.最終3種工質(zhì)均按最小充注量充注，即R22充注19.9 kg，R32充注15.4 kg，R152a充注14.4 kg.

工質(zhì)泵、新風(fēng)換熱器風(fēng)機和排風(fēng)換熱器風(fēng)機均配有變頻器，通過變頻器可以改變工質(zhì)泵及風(fēng)機的運行頻率，從而改變工質(zhì)的質(zhì)量流量及換熱器的迎面風(fēng)速.若工質(zhì)泵的運行頻率過低，工質(zhì)的質(zhì)量流量過小，工質(zhì)在換熱器內(nèi)相變時的氣化率過大，不利于換熱，同時裝置運行不穩(wěn)定；若工質(zhì)泵的運行頻率過高，工質(zhì)的質(zhì)量流量過大，工質(zhì)在換熱器內(nèi)相變時的氣化率過低，換熱不充分，同時工質(zhì)泵的消耗功率增加，裝置的性能系數(shù)下降.本實驗測試過程中，新風(fēng)換熱器和排風(fēng)換熱器的迎面風(fēng)速和風(fēng)量保持相等.若風(fēng)機的運行頻率過低，換熱器的迎面風(fēng)速過低，裝置的換熱量不足；若風(fēng)機的運行頻率過高，換熱器的迎面風(fēng)速過高，裝置的溫度效率下降明顯，同時風(fēng)機的耗功增加，裝置的性能系數(shù)下降.故測試不同室內(nèi)外溫差和不同工質(zhì)對能量回收裝置性能的影響時，通過變頻器使得工質(zhì)的質(zhì)量流量保持在250 kg/h，新風(fēng)換熱器和排風(fēng)換熱器的迎面風(fēng)速保持在1.8 m/s.

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夏季工況下，室內(nèi)外溫差和工質(zhì)種類對能量回收裝置性能的影響如圖3所示.冬季工況下，室內(nèi)外溫差和工質(zhì)種類對能量回收裝置性能的影響如圖4所示.

圖3（a）給出了夏季工況下，使用不同的工質(zhì)，裝置換熱量隨室內(nèi)外溫差變化的關(guān)系.從圖中可以看出，隨著溫差的增大，裝置的換熱量顯著增大，以R32為例，ΔT=3.4℃時換熱量為2.08 kW，ΔT= 9.5℃時換熱量達(dá)到4.87 kW，其原因主要是由于室內(nèi)外溫差增大，換熱器的換熱溫差隨之增大，工質(zhì)在換熱器內(nèi)的氣化率提高，換熱器內(nèi)相變換熱的比例增大，導(dǎo)致?lián)Q熱量增大.以R32為工質(zhì)時，在不同溫差下裝置的換熱量均高于R22和R152a.

圖3（b）給出了夏季工況下，使用不同的工質(zhì)，裝置溫度效率隨室內(nèi)外溫差變化的關(guān)系.從圖中可以看出，隨著溫差的增大，裝置的溫度效率呈下降的趨勢，以 R32為例，ΔT=3.4℃時溫度效率為63.1%，ΔT=9.5℃時溫度效率降到49.2%，其原因主要是排風(fēng)進(jìn)、出口空氣溫差與室內(nèi)外溫差均增加，但排風(fēng)進(jìn)、出口空氣溫差增加的速度低于室內(nèi)外溫差增加的速度.以R32為工質(zhì)時，在不同溫差下裝置的溫度效率均高于R22和R152a.

圖3（c）給出了夏季工況下，使用不同的工質(zhì)，裝置性能系數(shù)隨室內(nèi)外溫差變化的關(guān)系.從圖中可以看出，隨著溫差的增大，裝置的性能系數(shù)呈上升的趨勢，以R32為例，ΔT=3.4℃時性能系數(shù)為4.87，ΔT=9.5℃時性能系數(shù)達(dá)11.07，其原因主要是實驗過程中工質(zhì)的質(zhì)量流量和新、排風(fēng)換熱器的迎面風(fēng)速保持不變，工質(zhì)泵與新、排風(fēng)換熱器風(fēng)機的運行頻率和功耗基本保持不變，裝置的總功耗基本保持不變，性能系數(shù)的變化趨勢與換熱量的變化趨勢相一致.以R32為工質(zhì)時，在不同溫差下裝置的性能系數(shù)均高于R22和R152a.

圖4（a）給出了冬季工況下，使用不同的工質(zhì)，裝置換熱量隨室內(nèi)外溫差變化的關(guān)系.從圖中可以看出，隨著溫差的增大，裝置的換熱量顯著增大，以R32為例，ΔT=16.8℃時換熱量為6.49 kW，ΔT= 31.9℃時換熱量達(dá)到11.87 kW，其原因主要是由于室內(nèi)外溫差增大，換熱器的換熱溫差隨之增大，工質(zhì)在換熱器內(nèi)的氣化率提高，換熱器內(nèi)相變換熱的比例增大，導(dǎo)致?lián)Q熱量增大.使用3種不同的工質(zhì)，在不同溫差下裝置的換熱量差別不大.

圖4（b）給出了冬季工況下，使用不同的工質(zhì)，裝置溫度效率隨室內(nèi)外溫差變化的關(guān)系.從圖中可以看出，隨著溫差的增大，裝置的溫度效率基本保持不變，以R32為例，ΔT=16.8、21.1、26.1、31.9℃時溫度效率分別為33.2%、33.8%、33.5%和33.6%，其原因主要是排風(fēng)進(jìn)、出口空氣溫差與室內(nèi)外溫差均增加，且二者的增速相當(dāng).以R32為工質(zhì)時，在不同溫差下裝置的溫度效率最高，R22和R152a差別不大.

4　結(jié)論

為回收公共建筑空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能量，設(shè)計出一種泵驅(qū)動回路熱管能量回收裝置，該能量回收裝置在夏季和冬季2種運行模式下均能夠穩(wěn)定運行，通過搭建實驗臺進(jìn)行性能測試，得到以下結(jié)論:

1）裝置的換熱量與性能系數(shù)隨室內(nèi)外溫差增大而提高，以R32為工質(zhì)，夏季工況9.5℃溫差時換熱量為4.87 kW，性能系數(shù)為11.07，冬季工況31.9℃溫差時換熱量為11.87 kW，性能系數(shù)為23.82，具有很好的節(jié)能效果.

2）夏季工況下裝置的溫度效率隨室內(nèi)外溫差增大而減小，冬季工況下裝置的溫度效率隨室內(nèi)外溫差增大幾乎不變.

3）夏季工況下以R32為工質(zhì)時裝置的性能明顯優(yōu)于R22和R152a，冬季工況下使用3種不同工質(zhì)時裝置性能的差距不大，R32略好于 R22和R152a.

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［11］劉杰.航天機械泵驅(qū)動兩相流冷卻環(huán)路循環(huán)特性的研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008. LIU J.Investigations on running characteristics of the mechanically pumped cooling loop for space applications ［D］.Shanghai:Shanghai Jiao Tong University，2008. （in Chinese）

（責(zé)任編輯 楊開英）

Operating Characteristics of a Pump-driven Loop Heat Pipe Energy Recovery Device

MA Guoyuan，DUAN Wei，ZHOU Feng
（College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

A pump-driven loop heat pipe energy recovery device was proposed to reduce the energy consumption of fresh air handling in public buildings through energy recovery from exhaust air.An experimental setup was built to investigate the energy recovery device operating characteristics for 3 working fluids under 8 working conditions.The influence of working fluid and working condition on heat transfer rate，temperature efficiency and coefficient of performance（COP）of the device was studied. Results show that the device can meet the energy recovery requirements in public buildings with obvious energy saving.The heat transfer rate and COP increase with the temperature difference between indoor and outdoor air while the temperature efficiency decreases.The COP under the summer and winter conditions can reach up to 11.07 and 23.82，respectively.The performance of the device using R32 as working fluid is better than that of R22 and R152a.

pump-driven loop heat pipe；energy recovery；heat transfer rate；temperature efficiency；coefficient of performance（COP）

TU 831.6

A

0254-0037（2016）07-1095-07

10.11936/bjutxb2015120007

2015-12-03

國家自然科學(xué)基金資助項目（51376010，51406002）；北京市自然科學(xué)基金資助項目（3154031）

馬國遠(yuǎn)（1963—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事制冷與空調(diào)系統(tǒng)的環(huán)保節(jié)能技術(shù)方面的研究，E-mail:magy@ bjut.edu.cn