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熱管式通風換熱器熱回收的實驗研究

點擊:1415 日期:[ 2014-04-26 22:00:18 ]
                              熱管式通風換熱器熱回收的實驗研究                              楊開篇,刁彥華,趙耀華,劉建榮,于雯靜                            (北京工業大學建筑工程學院,北京 100022)     摘要:針對普通住宅日常通風換氣的特點設計出一臺小型熱虹吸管式通風換熱器的樣機,并利用熱虹吸管換熱器 對房間通風系統中的冷量(熱量)進行熱回收實驗研究。通過實驗測試了該換熱器在不同風量和新、排風溫差條件 下的熱回收效率,以及新、排風的壓力損失隨風速的變化情況。實驗結果表明,新風的溫降(升)隨著新、排風溫差 的增大而增大,隨著風量的增大而減小;該樣機的最大熱回收效率在夏季可達70%,冬季為63%,新、排風的最大 阻力損失僅為25 Pa,節能效果顯著。     關鍵詞:通風換氣;熱回收;節能;熱虹吸管換熱器;空調     中圖分類號:TU 834 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9954(2009)07-0017-04     隨著生活水平的提高,空調在人們生產生活中 的應用越來越廣泛,然而在享受空調帶給我們的舒適環境的同時,卻也讓我們付出了許多代價。一方面,越來越多的空調帶來的電能消耗讓國家能源吃緊,拉閘限電在各大城市頻頻發生;另一方面,空調 所帶來的“空調綜合癥”又嚴重威脅著人們的身體 健康。為了改善室內空氣品質,最普遍的做法就是直接開窗通風換氣,但這勢必會增加空調負荷和采 暖能耗。現階段,隨著我國加快建設節約型社會的 步伐,各項節能措施也相繼出臺。關于建筑能耗大 戶的空調和供熱方面的改革勢在必行。如果能將房 間通風換氣時的余熱進行回收并預熱新風,則在改善室內空氣品質的同時,也能使室內空調負荷和采暖能耗大大地降低。在眾多熱回收方式中,由高效 傳熱元件熱管組成的熱管換熱器因其具有結構簡單、耗材少、新排風之間無交叉污染、換熱效率高、壓力損失小以及動力消耗少等優點,正得到越來越廣泛的應用[1]。但目前利用熱管換熱器直接在普通 建筑進行通風換氣和熱回收的應用性研究[2-3]相對 較少,缺少較為真實全面的實驗數據。如果能利用熱管的優點,將其應用在普通住宅通風換氣時的余熱回收,將能克服和改善現有的新風換氣機普遍存 在的換熱系數不高、輔助動力過大、配套設施過多、成本過高等問題。鑒于市場上還未有此類成型產品,本研究根據實際情況加工出一臺適合于進行普通房間熱回收的樣機,通過實驗測試其在不同的風量和室內外溫差條件下的熱回收效果。     1 熱管式通風換熱器的設計     1.1 熱管式通風換熱器工作原理     熱管式通風換熱器工作原理如圖1所示。熱管式通風換熱器是由若干根熱管按一定方式排列組裝 而成。按照熱管的工作原理,其工作段可分為蒸發 段和冷凝段,中間用隔板將其分隔成為熱空氣換熱 腔體和冷空氣換熱腔體。夏季時,室外較熱的新風 通過蒸發段,室內較冷的排風通過冷凝段;熱管內部工質在蒸發段吸收熱量產生相變,將熱量傳到冷凝 段放出熱量,這部分熱量隨著室內排風帶走,而冷凝后的工質通過內置毛細芯力(水平式)或重力(重力 式)回流至蒸發段,周而復始。這樣,就實現了降低室外新風溫度的目的。冬季時,將室內較熱的排風 通過蒸發段,而將較冷的室外新風通過冷凝段,則可實現預熱室外新風的目的。                        1.2 樣機熱力計算與結構設計     我國北方住宅大多采用房間空調器和集中供 暖系統,這種系統的特點就是:①室溫常年較為穩 定,冬季室內保持在16—20℃,夏季保持在24— 26℃;②房間的室內外溫差較大,冬季室內外溫差 范圍為10—40℃,夏季室內外溫差范圍為4— 16℃;③房間的通風換氣量不大。針對以上3個 特點,本研究根據熱管換熱器設計方法[4]和優化 算法,結合本實驗的小型化、實用型以及實際工作 溫度等特點,設計出一款適合于普通家庭通風換 氣的小型熱管式換熱器。該樣機采用鋁-氨熱管, 管內真空度為1×10-1Pa,充液體積分數為37%。 樣機共用18根熱管,按正三角形錯列布置成7排。 為了測得不同風速下該樣機的熱回收效果,并結 合一般家庭房間實際容納人數情況,選取2—6人 所需的新風量為實驗測試范圍。按照我國《室內 空氣質量標準》規定,住宅建筑必須保證 30 m3/(h·人)的新風量[5]。據此,設計該樣機的 風量為60—180 m3/h,換熱效率按65%計,迎風口 面積為144 mm×230 mm,樣機整體外部尺寸為 200 mm×520 mm×310 mm。     2 熱管式通風換熱器熱回收效率實驗     2.1 實驗臺介紹     本研究搭建了一小型的可測試熱管換熱器熱回收效率的實驗臺。整個實驗臺的系統如圖2 所示。     實驗臺由風機、恒溫水浴、翅片管換熱器、熱管 換熱器以及各連接風管所組成。室內空氣經風機分 別送入預處理空氣的翅片管換熱器,將其處理成不 同工況下的室內外空氣溫度后,模擬室外新風和室 內排風經長為1. 2m的風管進入熱管換熱器進行熱 交換。風量和風速通過調速風機改變轉速來調節, 翅片管換熱器中的管內液體溫度通過恒溫水浴來 調節。     2.2 實驗數據測量     2.2.1 溫度測量     實驗采用二等標準水銀溫度計(分度值0. 1℃, 精度±0. 1℃)測量溫度,包括蒸發段空氣入口溫 度、蒸發段空氣出口溫度、冷凝段空氣入口溫度、冷 凝段空氣出口溫度。各截面平均布置3個測點,待 各點溫度均穩定10 min以上再讀數,并取各讀數的平均值作為測量值。換熱量及熱回收效率計算公式 如下:                     式中:Qe為蒸發段換熱量,kW;Qc為冷凝段換熱量, kW; cp為比定壓熱容;ρ為空氣密度,kg/m3;V為風 量,m3/h;A為風道截面積,m2;u為風速平均值; tein 為蒸發段空氣入口溫度,℃; teout為蒸發段空氣出口 溫度,℃; tcin為冷凝段空氣入口溫度,℃; tcout為冷凝 段空氣出口溫度,℃;ε為熱回收效率, %。     2.2.2 風量測量     風量可通過風速測量間接得到。實驗采用 Testo425熱球風速儀來測量風速,為了減少測量誤 差,測量入口風速的截面選擇在距離熱管換熱器迎 風口2D處,測量出口風速截面選擇在距離熱管換 熱器出風口4D處(D為風道長邊邊長)。在各測試 截面分為4等分正方形,將風速儀熱球分別置于各 等分正方形的中心,再對各測量值取平均值。計算 風量的公式由式(1)給出:               V=3 600uA(5)     2.2.3 壓力損失測量     實驗采用Testo512壓差計測量新、排風通過熱 管換熱器的壓力損失Δp,其精度為0. 5%×測量 值。     3 實驗結果與數據分析     為使實驗盡量接近真實情況,在模擬夏季工況 時,通過恒溫水浴將經過冷凝段的空氣入口溫度 (模擬夏季空調房間的排風溫度)tcin恒定在24℃, 將經過蒸發段的空氣入口溫度(模擬夏季室外新風 溫度)tein控制在27—40℃范圍之內。而在模擬冬 季工況時,將經過蒸發段的空氣入口溫度(模擬冬 季空調房間的排風溫度)tein控制在18℃,將經過冷 凝段的空氣入口溫度(模擬冬季室外新風溫度)tcin 控制在27—40℃之內。風量則根據2—6人新風量 標準選取60, 90, 120, 150, 180 m3/h這5種工況,其 分別對應風速為0. 5, 0. 75, 1, 1. 25, 1. 5 m/s。 對圖3—7中各符號代表的含義作出如下說明 夏季新、排風溫差Δt1=tein-tcin;夏季新風溫降 Δt2=tein-teout;冬季新、排風溫差Δt3=tein-tcin;冬季新風溫升Δt4=tcout-tcin;冬夏二季新風能耗均用 Q來表示。 圖3和圖4分別表示在不同風量條件下,夏季新風溫降和冬季新風溫升隨室內外新、排風溫差的變化曲線。如圖所示,當風量不變時,隨著新、排風溫差的增大,夏季新風溫降和冬季新風溫升也隨之 升高;而當新、排風溫差不變時,夏季新風溫降和冬季新風溫升隨著風量的增大而減小。                        從圖3中可以看出,當夏季風量為60 m3/h, 新、排風之間的溫差為3—16℃時,新風溫降可達到 1. 9—11℃;將風量增大到180 m3/h,新風溫降為 1. 4—9. 2℃。夏季的熱回收效率達到46%—70%。 從圖4中可以看出,當冬季風量為60 m3/h,新、排 風之間的溫差為3—16℃時,新風溫升可達到1. 8— 10℃;當風量增大至180 m3/h,新風溫升為1. 3— 7. 9℃。冬季的熱回收效率達到43%—63%。 圖5表示新、排風經過熱管式通風換熱器后的 壓力損失隨風速的變化情況。由圖中可以看出,在 風速為0. 5—1. 5 m/s(對應風量為60—180 m3/h) 時,新、排風的壓力損失隨著風速的增大而增大。由 于本實驗采用調速風機,當風量為60 m3/h,新、排 風的壓力損失為6 Pa,單臺風機能耗為3W;當風量 為180 m3/h,新、排風的壓力損失增大至25 Pa,單臺風機能耗增至22W。                       圖6和圖7分別表示60 m3/h和180 m3/h風 量,經熱管式通風換熱器進行熱回收和不經過熱回收裝置的條件下,夏季和冬季的新風能耗。從圖中可以看出,經過熱回收后的新風能耗大大降低。如當夏季風量為180 m3/h,新、排風之間的溫差為16℃時,將新風不經過熱交換直接冷卻到室內工況 所消耗的冷量為909W,而先經過熱管式通風換熱器進行熱回收后,再冷卻到室內工況并考慮風機能耗后,所需總能耗僅為424W。                                       4 結論     (1)當室內外的新、排風溫差為3—16℃時,夏 季新風溫降可達1. 4—11℃,熱回收效率為46%— 70%;冬季新風溫升可達1. 3—10℃,熱回收效率為 43%—63%。不論夏季或冬季,熱回收效率都隨著 新、排風溫差的增大而升高,隨風量的增大而降低。 由于在實際環境中,冬季新、排風溫差常大于16℃, 所以實際應用中其冬季熱回收效率將進一步提高。     (2)由于經過優化設計,在相同風量下,該熱管 式通風換熱器的尺寸結構較合理,風速較小,新、排 風經過換熱器后的壓降較小,僅為6—25 Pa。單臺 風機能耗僅為3—22W。     (3)實驗結果表明利用小型熱管式通風換熱器 進行日常通風換氣時的熱回收,熱回收效率高,阻力 損失小,節能效果顯著。 參考文獻: [1] DUNN P D, REAY D A.熱管[M].周海云,譯.北京: 國防工業出版社, 1982: 232-242. [2] 潘陽,王修偉.熱管式空調換氣換熱器的設計與研究 [J].江西能源, 1997, 14 (1): 32-35. [3] ABD EL-BAKYM A, MOHAMEDM M. Heatpipe heat exchanger for heat recovery in air-conditioning[J]. Appl Therm Eng, 2007, 27(4): 795-801. [4] 莊駿,張紅.熱管技術及其工程應用[M].北京:化學 工業出版社, 2000: 191-205. [5] 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T18883-2002室內空 氣質量標準[S].北京:中國標準出版社, 2003. 
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