泵驱动回路热管式能量回收系统的模拟分析与研究

宋文博 马国远 刘帅领

摘 要：为有效回收空调系统排风携带的能量以降低新风负荷，对气泵驱动回路热管系统和液泵驱动回路热管系统应用于排风热回收进行模拟计算，定量分析了系统在夏、冬季不同室内外温差运行工况下的换热量、温度效率和COP。分析结果表明，在夏、冬季工况下，两种系统具有显著的能量回收效果，换热量随着室内外温差的增大而增大，在小温差工况下，气泵驱动回路热管性能优于液泵驱动回路热管，而在大温差工况下，液泵驱动回路热管则更具优势。

关键词：建筑节能;模拟;热工性能;能量回收装置

0 引言

利用有效的能量回收装置从排风所带走的能量（热量、冷量）中回收部分能量处理新风，可以节约本来由制冷或制热机组承担的新风负荷，降低空调系统能耗，这是空调系统节能的一项有效措施[1]。

泵驱动回路热管式能量回收装置利用相变换热，具有非常好的传热能力，其驱动方式有两种，分别是由液相管路上的液泵驱动和由气相管路上的气泵驱动。张双等[2-3]设计了一种用于数据中心自然冷却的液泵驱动回路热管机组，实验得出机组换热量与室内外温差呈近似线性关系，当温差为18 ℃时，COP达10.41，节能效果显著。马国远等[4]设计出一种泵驱动回路热管能量回收装置，实验探究了系统的工作特性和影响装置性能的因素，结果表明，该装置夏季运行工况的性能系数可达11.07，冬季运行工况的性能系数可达23.82。

本文采用编程迭代计算方法建立气泵驱动回路热管系统和液泵驱动回路热管系统的数学模型，计算分析两种能量回收系统在夏、冬季运行工况下的换热特性，对比得出两种系统各自适用的工况条件。

1 系统工作原理及理论模型

1.1    气泵驱动回路热管系统工作原理

气泵驱动回路热管系统主要由新风换热器、排风换热器、气液分离器、气泵、四通换向阀、风机及其连接管路组成，图1为气泵驱动回路热管系统原理图，循环工质为R22。夏季工况下，气态制冷剂离开气泵出口后进入排风换热器冷凝放热，吸收室内排风中的冷量，之后进入新风换热器气化吸热，从而对室外新风进行预冷。冬季工况下，通过调节四通换向阀，制冷剂先进入新风换热器中冷凝放热，预热室外新风，再进入排风换热器中气化吸热，吸收室内排风的热量。

1.2    液泵驱动回路热管系统工作原理

液泵驱动回路热管系统主要由新风换热器、排风换热器、液泵、储液罐、分液器、电动三通阀及其连接管路组成，图2为液泵驱动回路热管系统原理图，循环工质为R22。夏季工况下，储液罐内的饱和液态制冷剂进入液泵入口，经绝热增压后进入过冷状态;通过连接管路进入新风换热器蒸发吸热，逐渐变为气液两相态，从而对室外新风进行预冷，之后进入排风换热器冷凝放热，吸收室内排风中的冷量。冬季工况下，过冷状态的制冷剂离开液泵出口后先进入排风换热器蒸发吸热，吸收室内排风中的热量，再进入新风换热器对室外新风进行预热。

1.3    泵模型

泵主要为工质提供循环动力，本模型中假设工质在气泵中进行绝热压缩，工质在气泵入口和出口处的熵值相等，并假设工质在液泵内进行等温压缩，忽略泵对工质换热的影响。

1.4    蒸发器模型

2 数据对比与分析

文献[6]中对液泵驱动回路热管能量回收装置进行了试验研究，得出液泵驱动回路热管系统在夏、冬季工况运行的换热特性，本文将试验数据与模拟计算结果进行对比，结果如图3所示。

由图3可知，模拟计算值与试验值偏差小于10%，说明模型与实际相符。

3 模拟结果与分析

3.1    夏季工况

图4对比了两种系统在夏季工况下系统换热量随室内外温差变化的情况。结果显示，两种系统的换热量在4～16 ℃的室内外温差范围内均随着温差的升高而增大。在同一室内外温差工况下，气泵驱动回路的换热量始终高于液泵驱动回路，原因是在小温差工况下，两种系统的换热器内制冷剂均不能完全相变，而气泵驱动回路热管系统的换热器内制冷剂的平均气化率高于液泵驱动回路热管系统，管内制冷剂的换热系数更高，更有利于系统换热。

图5对比了两种系统在夏季工况下系统的温度效率随室内外温差变化的情况。结果表明，气泵驱动回路的温度效率随着温差的升高而降低，而液泵驱动回路的温度效率随着温差的升高先降低，之后趋于稳定。

图6对比了两种系统在夏季工况下系统的COP随室内外温差变化的情况。结果表明，两种系统的COP均随着温差的升高而增大。温差小于13 ℃时，气泵驱动回路的COP高于液泵驱动回路，温差大于13 ℃时，液泵驱动回路的COP超过气泵驱动回路，原因是液泵的功耗较气泵更小，在大温差工况下，液泵驱动回路的性能系数提升更快。

3.2    冬季工况

图7对比了两种系统在冬季工况下系统的換热量随室内外温差变化的情况。结果显示，两种系统的换热量在4～32 ℃的室内外温差范围内均随着温差的升高而增大，但气泵驱动回路在20 ℃温差后换热量的增速减缓，在25 ℃温差时两种系统的换热量均达到9.35 kW，之后液泵驱动回路的换热量超过气泵驱动回路。其原因是随着室内外温差的升高，气泵驱动回路冷凝器出口处的制冷剂气化率逐渐降低，直至完全发生相变，而进入过冷状态的制冷剂不能及时送走，工质在换热器进出口处的焓差增长缓慢，同时气泵入口处工质密度随着温差的上升而降低，系统工质质量流量下降，导致系统换热量难以得到显著提升，而液泵驱动回路靠液泵提供循环动力，系统的工质质量流量较为稳定，在大温差工况下系统性能仍能随着温差增大而显著提升。

图8对比了两种系统在冬季工况下系统的温度效率随室内外温差变化的情况。结果表明，气泵驱动回路的温度效率随着温差的升高而迅速降低，而液泵驱动回路的温度效率随着温差的升高而缓慢上升。

图9对比了两种系统在冬季工况下系统的COP随室内外温差变化的情况。结果表明，两种系统的COP均随着温差的升高而增大。在小温差工况下，气泵驱动回路的系统COP高于液泵驱动回路，但在大温差工况下，随着温差增大，气泵驱动回路COP增长缓慢，而工质泵的功耗更低，在15 ℃温差之后，液泵驱动回路的COP超过气泵驱动回路。

4 结论

本文建立了气泵驱动回路热管能量回收装置和液泵驱动回路热管能量回收装置应用于排风热回收的数学模型，对两种系统在夏、冬季不同室内外温差运行工况下工作的性能进行了对比分析，得出如下结论：

（1）气泵驱动回路热管能量回收系统和液泵驱动热管能量回收系统应用于空调系统排风热回收具有良好的热回收效果。

（2）气泵驱动回路与液泵驱动回路在夏、冬季工况下的换热量和COP均随着室内外温差的增大而增大，温度效率的变化与工况条件和系统形式相关。

（3）在小温差工况下，气泵驱动回路热管能量回收系统性能优于液泵驱动回路热管能量回收系统，而在大温差工况下，液泵驱动回路热管能量回收系统则更具优势。

[参考文献]

[1] 张小松，李舒宏，赵开涛，等.板翅式換热器用于空调系统排风能量回收的研究[J].通风除尘，1998，17（3）：4-7.

[2] 张双，马国远，周峰，等.数据机房自然冷却用泵驱动回路热管换热机组性能实验研究[J].土木建筑与环境工程，2013，35（4）：145-150.

[3] ZHANG S，MA G Y，ZHOU F.Experimental study on a pump driven loop-heat pipe for data center cooling[J].Journal of Energy Engineering，2015，141（4）：14-54.

[4] 马国远，段未，周峰.泵驱动回路热管能量回收装置的工作特性[J].北京工业大学学报，2016，42（7）：1095-1101.

[5] 丁国良，张春路.制冷空调装置仿真与优化[M].北京：科学出版社，2001.

[6] 段未，马国远，周峰.多回路泵驱动回路热管系统的换热特性[J].化工学报，2017，68（1）：104-111.

收稿日期：2020-11-18

作者简介：宋文博（1996—），男，山东文登人，硕士研究生，研究方向：制冷及低温技术等。