熱管式通風(fēng)換熱器熱回收的實(shí)驗(yàn)與研究

1、熱管式通風(fēng)換熱器熱回收的實(shí)驗(yàn)與研究摘要：針對(duì)普通住宅日常通風(fēng)換氣的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一臺(tái)小型熱虹吸管式通風(fēng)換熱器的樣機(jī),并利用熱虹吸管換熱器對(duì)房間通風(fēng)系統(tǒng)中的冷量(熱量)進(jìn)行熱回收實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了該換熱器在不同風(fēng)量和新、排風(fēng)溫差條件下的熱回收效率,以及新、排風(fēng)的壓力損失隨風(fēng)速的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新風(fēng)的溫降(升)隨著新、排風(fēng)溫差的增大而增大,隨著風(fēng)量的增大而減小;該樣機(jī)的最大熱回收效率在夏季可達(dá)70%,冬季為63%,新、排風(fēng)的最大阻力損失僅為25Pa,節(jié)能效果顯著。隨著生活水平的提高,空調(diào)在人們生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來越廣泛,然而在享受空調(diào)帶給我們的舒適環(huán)境的同時(shí),卻也讓我們付出了許多代價(jià)。一

2、方面,越來越多的空調(diào)帶來的電能消耗讓國(guó)家能源吃緊,拉閘限電在各大城市頻頻發(fā)生;另一方面,空調(diào)所帶來的“空調(diào)綜合癥”又嚴(yán)重威脅著人們的身體健康。為了改善室內(nèi)空氣品質(zhì),最普遍的做法就是直接開窗通風(fēng)換氣,但這勢(shì)必會(huì)增加空調(diào)負(fù)荷和采暖能耗?，F(xiàn)階段,隨著我國(guó)加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的步伐,各項(xiàng)節(jié)能措施也相繼出臺(tái)。關(guān)于建筑能耗大戶的空調(diào)和供熱方面的改革勢(shì)在必行。如果能將房間通風(fēng)換氣時(shí)的余熱進(jìn)行回收并預(yù)熱新風(fēng),則在改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的同時(shí),也能使室內(nèi)空調(diào)負(fù)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗材少、新排風(fēng)之間無交叉污染、換熱效率高、壓力損失小以及動(dòng)力消耗少

3、等優(yōu)點(diǎn),正得到越來越廣泛的應(yīng)用1。但目前利用熱管換熱器直接在普通建筑進(jìn)行通風(fēng)換氣和熱回收的應(yīng)用性研究2-3相對(duì)較少,缺少較為真實(shí)全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果能利用熱管的優(yōu)點(diǎn),將其應(yīng)用在普通住宅通風(fēng)換氣時(shí)的余熱回收,將能克服和改善現(xiàn)有的新風(fēng)換氣機(jī)普遍存在的換熱系數(shù)不高、輔助動(dòng)力過大、配套設(shè)施過多、成本過高等問題。鑒于市場(chǎng)上還未有此類成型產(chǎn)品,本研究根據(jù)實(shí)際情況加工出一臺(tái)適合于進(jìn)行普通房間熱回收的樣機(jī),通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試其在不同的風(fēng)量和室內(nèi)外溫差條件下的熱回收效果。1熱管式通風(fēng)換熱器的設(shè)計(jì)1.1熱管式通風(fēng)換熱器工作原理熱管式通風(fēng)換熱器工作原理如圖1所示。熱管式通風(fēng)換熱器是由若干根熱管按一定方式排列組裝而成。按照

4、熱管的工作原理,其工作段可分為蒸發(fā)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(shí),室外較熱的新風(fēng)通過蒸發(fā)段,室內(nèi)較冷的排風(fēng)通過冷凝段;熱管內(nèi)部工質(zhì)在蒸發(fā)段吸收熱量產(chǎn)生相變,將熱量傳到冷凝段放出熱量,這部分熱量隨著室內(nèi)排風(fēng)帶走,而冷凝后的工質(zhì)通過內(nèi)置毛細(xì)芯力(水平式)或重力(重力式)回流至蒸發(fā)段,周而復(fù)始。這樣,就實(shí)現(xiàn)了降低室外新風(fēng)溫度的目的。冬季時(shí),將室內(nèi)較熱的排風(fēng)通過蒸發(fā)段,而將較冷的室外新風(fēng)通過冷凝段,則可實(shí)現(xiàn)預(yù)熱室外新風(fēng)的目的。1.2樣機(jī)熱力計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)我國(guó)北方住宅大多采用房間空調(diào)器和集中供暖系統(tǒng),這種系統(tǒng)的特點(diǎn)就是:室溫常年較為穩(wěn)定,冬季室內(nèi)保持在1620,

5、夏季保持在2426;房間的室內(nèi)外溫差較大,冬季室內(nèi)外溫差范圍為1040,夏季室內(nèi)外溫差范圍為416;房間的通風(fēng)換氣量不大。針對(duì)以上3個(gè)特點(diǎn),本研究根據(jù)熱管換熱器設(shè)計(jì)方法4和優(yōu)化算法,結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的小型化、實(shí)用型以及實(shí)際工作溫度等特點(diǎn),設(shè)計(jì)出一款適合于普通家庭通風(fēng)換氣的小型熱管式換熱器。該樣機(jī)采用鋁-氨熱管,管內(nèi)真空度為1×10-1Pa,充液體積分?jǐn)?shù)為37%。樣機(jī)共用18根熱管,按正三角形錯(cuò)列布置成7排。為了測(cè)得不同風(fēng)速下該樣機(jī)的熱回收效果,并結(jié)合一般家庭房間實(shí)際容納人數(shù)情況,選取26人所需的新風(fēng)量為實(shí)驗(yàn)測(cè)試范圍。按照我國(guó)室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,住宅建筑必須保證30m3/(h·人

6、)的新風(fēng)量5。據(jù)此,設(shè)計(jì)該樣機(jī)的風(fēng)量為60180m3/h,換熱效率按65%計(jì),迎風(fēng)口面積為144mm×230mm,樣機(jī)整體外部尺寸為200mm×520mm×310mm。2熱管式通風(fēng)換熱器熱回收效率實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹本研究搭建了一小型的可測(cè)試熱管換熱器熱回收效率的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由風(fēng)機(jī)、恒溫水浴、翅片管換熱器、熱管換熱器以及各連接風(fēng)管所組成。室內(nèi)空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)分別送入預(yù)處理空氣的翅片管換熱器,將其處理成不同工況下的室內(nèi)外空氣溫度后,模擬室外新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)經(jīng)長(zhǎng)為1.2m的風(fēng)管進(jìn)入熱管換熱器進(jìn)行熱交換。風(fēng)量和風(fēng)速通過調(diào)速風(fēng)機(jī)改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié),翅片管

7、換熱器中的管內(nèi)液體溫度通過恒溫水浴來調(diào)節(jié)。2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)(分度值0.1,精度±0.1)測(cè)量溫度,包括蒸發(fā)段空氣入口溫度、蒸發(fā)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(gè)測(cè)點(diǎn),待各點(diǎn)溫度均穩(wěn)定10min以上再讀數(shù),并取各讀數(shù)的平均值作為測(cè)量值。換熱量及熱回收效率計(jì)算公式如下:式中:Qe為蒸發(fā)段換熱量,kW;Qc為冷凝段換熱量,kW;cp為比定壓熱容;為空氣密度,kg/m3;V為風(fēng)量,m3/h;A為風(fēng)道截面積,m2;u為風(fēng)速平均值;tein為蒸發(fā)段空氣入口溫度,;teout為蒸發(fā)段空氣出口溫度,;tcin為冷凝段空氣入口溫度,;

8、tcout為冷凝段空氣出口溫度,;為熱回收效率,%。風(fēng)量可通過風(fēng)速測(cè)量間接得到。實(shí)驗(yàn)采用Testo425熱球風(fēng)速儀來測(cè)量風(fēng)速,為了減少測(cè)量誤差,測(cè)量入口風(fēng)速的截面選擇在距離熱管換熱器迎風(fēng)口2D處,測(cè)量出口風(fēng)速截面選擇在距離熱管換熱器出風(fēng)口4D處(D為風(fēng)道長(zhǎng)邊邊長(zhǎng))。在各測(cè)試截面分為4等分正方形,將風(fēng)速儀熱球分別置于各等分正方形的中心,再對(duì)各測(cè)量值取平均值。計(jì)算風(fēng)量的公式由式(1)給出:V=3600uA(5)實(shí)驗(yàn)采用Testo512壓差計(jì)測(cè)量新、排風(fēng)通過熱管換熱器的壓力損失p,其精度為0.5%×測(cè)量值。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析為使實(shí)驗(yàn)盡量接近真實(shí)情況,在模擬夏季工況時(shí),通過恒溫水浴將經(jīng)過冷

9、凝段的空氣入口溫度(模擬夏季空調(diào)房間的排風(fēng)溫度)tcin恒定在24,將經(jīng)過蒸發(fā)段的空氣入口溫度(模擬夏季室外新風(fēng)溫度)tein控制在2740范圍之內(nèi)。而在模擬冬季工況時(shí),將經(jīng)過蒸發(fā)段的空氣入口溫度(模擬冬季空調(diào)房間的排風(fēng)溫度)tein控制在18,將經(jīng)過冷凝段的空氣入口溫度(模擬冬季室外新風(fēng)溫度)tcin控制在2740之內(nèi)。風(fēng)量則根據(jù)26人新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)選取60,90,120,150,180m3/h這5種工況,其分別對(duì)應(yīng)風(fēng)速為0.5,0.75,1,1.25,1.5m/s。對(duì)圖37中各符號(hào)代表的含義作出如下說明夏季新、排風(fēng)溫差t1=tein-tcin;夏季新風(fēng)溫降t2=tein-teout;冬季新、排

10、風(fēng)溫差t3=tein-tcin;冬季新風(fēng)溫升t4=tcout-tcin;冬夏二季新風(fēng)能耗均用Q來表示。圖3和圖4分別表示在不同風(fēng)量條件下,夏季新風(fēng)溫降和冬季新風(fēng)溫升隨室內(nèi)外新、排風(fēng)溫差的變化曲線。如圖所示,當(dāng)風(fēng)量不變時(shí),隨著新、排風(fēng)溫差的增大,夏季新風(fēng)溫降和冬季新風(fēng)溫升也隨之升高;而當(dāng)新、排風(fēng)溫差不變時(shí),夏季新風(fēng)溫降和冬季新風(fēng)溫升隨著風(fēng)量的增大而減小。從圖3中可以看出,當(dāng)夏季風(fēng)量為60m3/h,新、排風(fēng)之間的溫差為316時(shí),新風(fēng)溫降可達(dá)到1.911;將風(fēng)量增大到180m3/h,新風(fēng)溫降為1.49.2。夏季的熱回收效率達(dá)到46%70%。從圖4中可以看出,當(dāng)冬季風(fēng)量為60m3/h,新、排風(fēng)之間的溫

11、差為316時(shí),新風(fēng)溫升可達(dá)到1.810;當(dāng)風(fēng)量增大至180m3/h,新風(fēng)溫升為1.37.9。冬季的熱回收效率達(dá)到43%63%。圖5表示新、排風(fēng)經(jīng)過熱管式通風(fēng)換熱器后的壓力損失隨風(fēng)速的變化情況。由圖中可以看出,在風(fēng)速為0.51.5m/s(對(duì)應(yīng)風(fēng)量為60180m3/h)時(shí),新、排風(fēng)的壓力損失隨著風(fēng)速的增大而增大。由于本實(shí)驗(yàn)采用調(diào)速風(fēng)機(jī),當(dāng)風(fēng)量為60m3/h,新、排風(fēng)的壓力損失為6Pa,單臺(tái)風(fēng)機(jī)能耗為3W;當(dāng)風(fēng)量為180m3/h,新、排風(fēng)的壓力損失增大至25Pa,單臺(tái)風(fēng)機(jī)能耗增至22W。圖6和圖7分別表示60m3/h和180m3/h風(fēng)量,經(jīng)熱管式通風(fēng)換熱器進(jìn)行熱回收和不經(jīng)過熱回收裝置的條件下,夏季和冬季的新風(fēng)能耗。從圖中可以看出,經(jīng)過熱回收后的新風(fēng)能耗大大降低。如當(dāng)夏季風(fēng)量為180m3/h,新、排風(fēng)之間的溫差為16時(shí),將新風(fēng)不經(jīng)過熱交換直接冷卻到室內(nèi)工況所消耗的冷量為909W,而先經(jīng)過熱管式通風(fēng)換熱器進(jìn)行熱回收后,再冷卻到室內(nèi)工況并考慮風(fēng)機(jī)能耗后,所需總能耗僅為424W。4結(jié)論(1)當(dāng)室內(nèi)外的新、排風(fēng)溫差為316時(shí),夏季新風(fēng)溫降可達(dá)1.411,熱回收效率為46%70%;冬季新風(fēng)溫升可達(dá)1.310,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(fēng)溫差的增大而升高,隨風(fēng)量