三維熱管熱回收應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房性能比較

吳強(qiáng) 尤軍 王志毅 熊丹

（1 蘇州蘇凈安發(fā)空調(diào)有限公司 江蘇蘇州 215122 2 浙江理工大學(xué) 浙江杭州 310018）

0 引言

目前關(guān)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施系統(tǒng)的研究可以分為四類：系統(tǒng)控制上的研究、系統(tǒng)設(shè)備上的研究、系統(tǒng)模擬和實(shí)驗(yàn)上的研究以及系統(tǒng)管理上的研究［1-3］。張大維等［4］研究發(fā)現(xiàn)利用熱管式換熱器降低空調(diào)新風(fēng)能耗，達(dá)到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施全年節(jié)約能源45%的目的。

三維熱管是一種借助自身內(nèi)部工作液體產(chǎn)生相變（冷凝-蒸發(fā)）來(lái)完成傳熱的裝置，具有自身阻力小、使用壽命長(zhǎng)、熱回收效率高，依靠溫差被動(dòng)傳熱、性能穩(wěn)定、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、維護(hù)便利等特點(diǎn)，耗材不需要更換，只需要一段時(shí)間后對(duì)熱管表面進(jìn)行清洗，維保費(fèi)用低［5-8］。

1 排風(fēng)熱回收

排風(fēng)熱回收是指利用三維熱管熱交換器，使得進(jìn)入機(jī)組的排風(fēng)和新風(fēng)進(jìn)行能量的交換，以實(shí)現(xiàn)能量回收利用的目的，見(jiàn)圖1。排風(fēng)和新風(fēng)的流動(dòng)方向相反，排風(fēng)、新風(fēng)分別同時(shí)由三維熱管的兩側(cè)進(jìn)入，排風(fēng)釋放出熱量（冬季）或冷量（夏季），此時(shí)這部分熱量或冷量被新風(fēng)所吸收［8-11］。排風(fēng)熱回收三維熱管可設(shè)置于新風(fēng)的入口和排風(fēng)主風(fēng)管的位置，項(xiàng)目可能需要調(diào)整屋面一部分空調(diào)風(fēng)管的布局。

圖1 排風(fēng)熱回收示意圖

2 除濕三維熱管

U 型除濕三維熱管工作原理如圖2 所示。濕熱的空氣首先通過(guò)U 型除濕三維熱管的預(yù)冷段，進(jìn)行制冷降溫處理過(guò)程。預(yù)冷后的空氣再通過(guò)表冷段，進(jìn)行過(guò)冷除濕的處理過(guò)程。最后空氣通過(guò)U 型除濕三維熱管的再熱段進(jìn)行再熱處理，處理過(guò)后的空氣變成了干燥舒適的空氣。此時(shí)處理后的空氣溫度上升至一個(gè)舒適的送風(fēng)溫度，并且相對(duì)濕度大幅度下降。U 型除濕三維熱管采用的原理是：冷凝散熱和蒸發(fā)吸熱，從而完成熱量交換的過(guò)程，無(wú)能源損耗。U 型除濕三維熱管通常安裝空調(diào)機(jī)組內(nèi)部，夾在表冷器前后的位置包住表冷器。

圖2 U 型除濕三維熱管工作原理

3 熱回收與除濕熱管的性能對(duì)比

室內(nèi)溫、濕度，是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房嚴(yán)格控制的參數(shù)。在夏季工況下，新風(fēng)需要依次進(jìn)行過(guò)冷、降溫、除濕的處理過(guò)程，處理后的空氣被電加熱后溫度上升，最后再送入車間。為了滿足溫濕度參數(shù)的要求，該制冷除濕形式會(huì)出現(xiàn)熱量和冷量抵消的問(wèn)題，因此使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行和使用成本都較高。

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房空調(diào)機(jī)組為全新風(fēng)機(jī)組，新風(fēng)處理的能耗較高。為了降低新風(fēng)的能耗，回收排風(fēng)中的熱量可以作為一種解決辦法。

某屏障環(huán)境實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房，空調(diào)面積共計(jì)2 009 m2，其中空調(diào)面積的約二分之一為SPF 屏障系統(tǒng)面積，共1 000 m2。供科研單位實(shí)驗(yàn)用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房不僅要在功能上滿足教學(xué)的要求，同時(shí)便于管理，避免屏障環(huán)境與本層其他區(qū)域交叉污染，以保證動(dòng)物實(shí)驗(yàn)區(qū)屏障環(huán)境的相對(duì)獨(dú)立。更衣室、儲(chǔ)藏室、飼養(yǎng)室、實(shí)驗(yàn)室和走廊這5 種不同功能的區(qū)域共同構(gòu)成了SPF屏障環(huán)境。

空氣潔凈度的等級(jí)為7 級(jí)，溫度區(qū)間是20 ℃～26 ℃，日溫差最大不超過(guò)4 ℃，換氣次數(shù)最少為20 次/h，噪聲不超過(guò)60 dB，濕度區(qū)間是40%～70%。行為實(shí)驗(yàn)室、滅菌后儲(chǔ)藏室、大鼠飼養(yǎng)室、小鼠飼養(yǎng)室的壓力均控制在40 Pa，其中走廊壓力、二次更衣室壓力、一次更衣室壓力依次分別控制在30 Pa、20 Pa、10 Pa。

本次系統(tǒng)空調(diào)機(jī)組采用的類型為全新風(fēng)凈化組合空調(diào)機(jī)組，其風(fēng)量是37 000 m3/h。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示：節(jié)能改造前的空調(diào)系統(tǒng)，2018 年電費(fèi)總額共計(jì)105 萬(wàn)元。節(jié)能改造方案計(jì)算采用熱回收可以在全年新風(fēng)溫度下任何時(shí)段運(yùn)行；除濕三維熱管僅夏季使用，一年運(yùn)行時(shí)間是2 453 h，按照已有空調(diào)箱的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及熱管的性能進(jìn)行計(jì)算得到圖3 和圖4。

從圖3 可以看出，熱回收可以在全年新風(fēng)溫度下任何時(shí)段運(yùn)行，只有22/23/24 三個(gè)溫度時(shí)，無(wú)需開(kāi)啟；除濕熱管只在夏季運(yùn)行，但能量抵消的問(wèn)題得以解決，運(yùn)行期間大大的節(jié)省電費(fèi)見(jiàn)圖4。

圖3 不同新風(fēng)溫度熱回收與除濕熱管的運(yùn)行時(shí)間

圖4 不同新風(fēng)溫度熱回收與除濕熱管的節(jié)約電費(fèi)

4 同時(shí)采用除濕熱管和排風(fēng)熱回收系統(tǒng)

如果排風(fēng)先經(jīng)過(guò)處理后，再進(jìn)行熱回收，可能會(huì)改變排風(fēng)溫度。同時(shí)采用U 型熱管和排風(fēng)熱回收系統(tǒng)，U 型熱管的進(jìn)風(fēng)溫度計(jì)算已調(diào)整為按照熱回收后的溫度進(jìn)行計(jì)算。

空調(diào)機(jī)組安裝“熱回收三維熱管”和“U 型除濕三維熱管”后，夏季空調(diào)新風(fēng)先經(jīng)過(guò)熱回收預(yù)冷，再通過(guò)U 型熱管的預(yù)冷側(cè)，空氣再經(jīng)過(guò)表冷器進(jìn)行降溫和除濕，之后再通過(guò)U 型熱管的再熱側(cè)，溫度上升后送入空調(diào)房間。

夏季空氣處理過(guò)程為：新風(fēng)經(jīng)由初效過(guò)濾器過(guò)濾后通過(guò)熱回收三維熱管，然后經(jīng)過(guò)初、中效過(guò)濾后的空氣進(jìn)入U(xiǎn) 型熱管進(jìn)行預(yù)冷、降溫處理，預(yù)冷的空氣進(jìn)入表冷器進(jìn)行降溫除濕處理，再進(jìn)入U(xiǎn) 型熱管再熱升溫，最后再熱的空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)經(jīng)由高效過(guò)濾器過(guò)濾后給室內(nèi)送風(fēng)。按照上述案例，圖5 比較了不同熱管利用方式的投資及節(jié)能，可以看出同時(shí)采用除濕熱管和新排風(fēng)熱回收系統(tǒng)初投資最高，但是運(yùn)行費(fèi)用最低；由圖6 可以看出，3 種不同方式的投資回收期相比較，熱回收的最短。

圖5 不同熱管利用方式的投資及節(jié)能

圖6 不同熱管利用方式的投資回收期費(fèi)

5 結(jié)論

針對(duì)熱管系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房的應(yīng)用特點(diǎn)，比較了同時(shí)采用除濕熱管和排風(fēng)熱回收系統(tǒng)的系統(tǒng)性能特點(diǎn)。排風(fēng)熱回收釋放出熱量（冬季）或冷量（夏季），同時(shí)這部分能量被新風(fēng)所吸收，全年使用，且投資省；U 型除濕三維熱管熱交換器回收排風(fēng)中的能量，可降低新風(fēng)處理能耗30%以上；同時(shí)采用U 型熱管和排風(fēng)熱回收系統(tǒng)，可以滿足全年的熱回收需求?；跓峁芟到y(tǒng)的節(jié)能性，可以在實(shí)際工程中選擇使用。