热管技术在通风空调系统节能中的应用

谢世安

摘要：本文从当前通风空调的能耗现状出发，介绍了热管技术的工作原理、优势，就热管换热技术在通风空调中用于废热（冷）回收的应用方式进行探讨，显示了热管换热器在空调系统应用中的优势。

关键词：热管；空调；节能

在空调系统中，大部分空调回风经冷却和再热作为送风送到空调空间，而其余部分则排到室外，同时，为了保证室内的空气品质，往往还需要补充室外新风并将新风进行热、湿处理到一定的状态。一般地，在空调系统中，新风能耗的比例约为25%～30%，而空调系统排风所带走的冷（热）量往往被忽视而白白浪费掉，因此，在全球能源短缺问题日益严重的今天，研究通风空调系统的能源有效利用及节能，意义重大。目前在大多数空调系统中，已开始使用各种换热器回收热量，其中热管由于具有很高的传热系数，热传递速度快、传递温降小和结构简单等特点，使其在各种技术中脱颖而出，成为走绿色空调之路的现实技术基础之一，具有广阔的发展前景。

1 通风空调系统节能的迫切性

能源是发展国民经济的重要因素，据有关专家估计，以目前的能源消费增长率持续下去，枯竭性能源只能维持200～300年左右，因此人类面临的能源问题是严峻的。具体到我国，据统计，我国能源利用效率目前仅为33%，比发达国家落后20年，相差10%；能源消费强度大大高于发达国家及世界平均水平，约为美国的3倍、日本的7.2倍。在2004年第十四届炎热和潮湿气候下建筑物系统优化国际会议上，世界能源专家做出预测：中国的能源情况如不加改善，则2025年世界能源的80%将由中国消耗。因此，我国面临严峻的节能形势。

目前，我国建筑能耗占总能耗的30%左右，其中，通风空调能耗占总体的50%～60%，且随着通风空调系统在现代建筑中的应用越来越普及，空调总能耗的份额将进一步增加。以南宁为例，据《南宁市公共建筑节能潜力研究》一文，2004～2006年南宁市226幢大型公共建筑的总能耗中，空调所消耗的电能在总电耗中占有较大的比重。又，据新华网2011年7月报道，广西电网公司调度中心副主任覃松涛表示，当前广西空调用电负荷已经达到400万千瓦，占整个用电总负荷的三分之一。而在全国其他一些地区，如广州地区，空调能耗更是高达50%～60%。且随着空调普及率增加，空调能耗的比例增大的趋势更加突出。而据统计，日本和美国供暖和空调的能源消耗约占总能耗的30%，可见我国空调能耗比例较国外偏高。综上，纵观我国的能源现状及不容乐观的空调能耗状况，研究空调系统节能，推行一项有效的节能措施，对解决能源紧张的社会问题意义重大。

2热管技术工作原理及优势

热管是由管内腔具有一定真空度，管内按不同使用温度，充填一定比例的不同工质组成一个密闭单体，称做热管元件。热管技术最早由美国学者提出，它是通过管内工质的相变化来实现传热的。先将管密闭，抽成1.3x10-3～1.3x10-4Pa的负压，在此状态下充入适量的工作液体（即工质），使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要可在两段中间布置绝热段。当热管的一端受热时，毛细吸液芯中的液体吸收外界的热量迅速蒸发汽化，蒸汽在微小的压差作用下流向热管的另一端，向外界放出热量后冷凝成为液体，液体再沿毛细多孔材料借助于毛细力的作用返回到蒸发段，并再次受热蒸发汽化，如此不断循环，热量就从热管的一端传至另一端。由于热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的，且热管内部热阻很小，所以能以较小的温差获得较大的传热量。

用于通风空调能源回收的热管属于常温热管，热管换热器与其他形式的换热器相比，具有如下优势：1）传热效率高，热管换热器是以热管本体为传热单元，具有很高的导热性，强化了传热；2）热管内部是基于相变原理工作的，热响应快，传热量大，启动时间短；3）热管的热力循环是在一个独立元件中完成的，没有附加外部力；4）等温性能好，管壁温度可调，可在较小的热气流温差驱动下进行外部热交换；5）热管换热器的体积小、重量轻，单位重量换热量大，这些特点客观上能满足空调回收能量中的气一气热交换的要求。

3热管技术在通风空调节能中的应用

热管技术在通风空调中的应用大致可以分为两种情形：一种是集中排风废热（冷）回收，主要用于工厂车间、医院、商场、饭店等规模较大的建筑；另一种是房间空调等小规模的换气热（冷）回收。

3.1 集中排风废热（冷）回收

公共建筑规模大，同时由于人员密度大或者生产工艺要求，换气次数大，例如医院洁净手术室要求换气次数40次/h以上，因而集中排风废热（冷）回收潜力很大。

通过分离式热管换热器，利用空调系统排风废热（冷）能量预处理新风，新风比按30%计算，可使空调系统节能7%以上。随着排风与新风温差的增大和新风比的增大，节能效果更加显著，实验表明，冷、热气流温差只要超过3℃即可回收能量。据此，长江中下游地区城市夏季排风废冷能量回收的时间可达1500h以上，3 a内可收回设备造价。在风道自然排风系统的能源回收中，热管换热器的整体性能受工质、吸液芯结构、管外翅片形式、热管排列方式、管排数量、气流速度等多种因素的影响。其热交换效率随着风速的提高而降低，阻力随着风速提高而增大。对于风道自然排风系统，建议通过换热器风速不超过1 m/s。因平翅片、百叶式翅片与管壁接触更充分，而锥形翅片、针形翅片导致气流扰动增强，所以平翅片、百叶式翅片比锥形翅片、针形翅片换热效果好，且压力损失小。风道风速为0.5 m/s时，采用一排平翅片或百叶式翅片热管，热交换效率可达40%，二排可接近70%，之后随着热管排数增加，热交换效率提高的趋势渐缓力损失明显增大。热管单元交错排列与矩形排列比较，热交换效率略有提高，但压力损失显著提高。

3.2房间空调的换气热（冷）回收

在潮湿地区使用房间空调器时，会因除湿能力不足而不能很好地形成舒适的室内环境。为解决该问题，在基本不改变空调器现有配置的基础上，加设热管换热装置，组成热管一空调器系统。夏季，空气先经过热管蒸发段预冷却后，再由冷却盘管除湿，然后经过热管冷凝段降温后送风；冬季，新风先由热管冷凝段预热后再进入空调器处理送风，排风经过热管蒸发段放热后排出室外，从而达到回收排风废热，减少空调器负荷的目的。经过这一处理流程达到提高空调系统制冷能力和除湿能力，完全或部分取消再热器负荷，达到节省空调系统能耗，提高舒适度的目的。J K Mcfarland.等人得出：对于温度为22℃、相对湿度50%的设计空调工况，热管——空调器系统除湿能力提高62%，再热器负荷减少20%。如果热管——空调器系统运行1000 h/a，则附加的热管换热器投资回收年限为4a。 wu xiao-ping等人得出：送风相对湿度低于70%的条件下，热管换热器可以替代再热器；送风相对湿度高于70%的条件下，需要辅助再热，即热管——空调器系统可以视不同运行条件全部或部分取消再热器负荷。

热管——空调器系统的整体性能受旁通风量比例、新风、回风、送风参数等运行条件的影响较大，系统优化设计和优化运行很重要。另外，由于增加了热管换热器，气流阻力有所增加，需要适当增加空调器风机压力。设备造价、总体尺寸都有所加大。

参考文献：

【1】刘义军.南宁市公共建筑节能潜力研究【D】.天津大学硕士学位论文，2008.

【2】張利红，张杰，郭建宁，吕向阳.热管在空调排风能量回收中的应用【J】.可再生能源，2009（1）.