熱管換熱器在空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用中的節(jié)能經(jīng)濟性分析

王晶晶

(上海創(chuàng)智天地發(fā)展有限公司，上海 200433)

隨著我國空調(diào)普及率的逐年提高，其能耗不斷增加，建筑能耗在總能耗中所占比重越來越大。目前中國每年竣工建筑面積約為20億m2，其中公共建筑約有4億m2。在公共建筑的全年能耗中，大約50%～60%消耗于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng)，而在空調(diào)采暖這部分能耗中，大約20%～50%由外圍護結(jié)構(gòu)傳熱所消耗(夏熱冬暖地區(qū)大約20%，夏熱冬冷地區(qū)大約35%，寒冷地區(qū)大約40%，嚴(yán)寒地區(qū)大約50%)。從目前情況分析，這些建筑在圍護結(jié)構(gòu)、采暖空調(diào)系統(tǒng)以及照明方面，共有節(jié)能50%的潛力。其中采暖空調(diào)節(jié)能潛力最大，在暖通空調(diào)設(shè)計方面加以控制就能夠有效的節(jié)約能源。因此降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗對降低建筑物耗能、節(jié)約能源有重要意義。本文通過對熱管換熱器在空調(diào)熱回收系統(tǒng)應(yīng)用中的技術(shù)經(jīng)濟性分析，明確了熱管換熱器在空調(diào)節(jié)能方面的關(guān)鍵性作用。

1 熱管換熱器介紹

熱管是一種依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的高效傳熱元件，一般由管殼、吸液芯和端蓋組成。典型的熱管構(gòu)成要先將管密閉，抽成 1.3 ×10－1～1.3 ×10－4的負壓，在此狀態(tài)下充入適量的工質(zhì)。當(dāng)熱管的一端受熱時管內(nèi)工質(zhì)汽化，汽化后的蒸汽向另一端流動，遇冷凝劑向散熱區(qū)放出潛熱。冷凝液借毛細力和重力回流至吸熱段，繼續(xù)受熱汽化。這樣往復(fù)循環(huán)將熱量從吸熱段傳遞至散熱段。熱管以其構(gòu)思巧妙，傳輸溫差小，適用溫度范圍廣，可調(diào)控管內(nèi)熱流密度等眾多優(yōu)良特性，在能量回收和余熱利用方面顯示出其獨特的作用。與常規(guī)換熱技術(shù)相比，熱管換熱器具有以下特點:1)傳熱效率高。與銀、銅等金屬相比，單位質(zhì)量的熱管可以多傳遞幾個數(shù)量級的熱量。2)熱管管壁溫度具有可調(diào)性。實際使用中可以調(diào)整管壁溫度，使冷端溫度低于新風(fēng)的露點溫度，達到熱回收顯熱和增強去濕、降低潛熱負荷的目的。3)恒溫特性。在熱管中充入惰性氣體，可以在輸入的熱量變化時，改變熱管冷凝的散熱面積從而使加熱端熱源溫度維持恒定。4)適應(yīng)性強。受熱部分與放熱部分結(jié)構(gòu)設(shè)計及位置靈活，可以實現(xiàn)冷熱流之間不接觸。特別適用有毒環(huán)境下的熱回收。

2 熱管換熱器與其他常用換熱器的比較

傳統(tǒng)的熱回收裝置為轉(zhuǎn)輪式換熱器，它是通過排風(fēng)與新風(fēng)交替逆向流過轉(zhuǎn)輪來傳遞熱量。排風(fēng)由一側(cè)的入口吸入，將所含部分冷(熱)量傳遞給轉(zhuǎn)輪;而新風(fēng)從另一側(cè)吸入，轉(zhuǎn)輪以15 r/min～20 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，將積蓄在轉(zhuǎn)輪上的冷(熱)量傳遞給新風(fēng)。

在同樣的換熱效率下，與轉(zhuǎn)輪式換熱器相比，熱管換熱器具有以下優(yōu)點:1)結(jié)構(gòu)緊湊，安全可靠。轉(zhuǎn)輪換熱器是由機械動力，通過傳動設(shè)備使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動來工作的。受到機械設(shè)備本身壽命的限制。維修率較高，壽命較短。而熱管換熱器本身不存在運動部件，因此使用壽命較長。并且相對于轉(zhuǎn)輪換熱器，熱管換熱器體積小，便于安裝。2)節(jié)能。轉(zhuǎn)輪換熱器轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動需要消耗一定的機械能(電能)，而熱管換熱器是通過工質(zhì)的汽液態(tài)轉(zhuǎn)換來實行熱交換的，不需要消耗額外的能源。3)無空氣污染。轉(zhuǎn)輪換熱器在熱交換過程中，新、排風(fēng)兩種介質(zhì)通過轉(zhuǎn)輪交替轉(zhuǎn)換，不能避免交叉污染。而熱管換熱器新、排風(fēng)互不接觸，無交叉污染。目前的熱交換器還有顯熱和全熱回收兩種形式。不同形式的性能、效率和利用方式，設(shè)備費的高低、維護保養(yǎng)的難易也各不相同，它們的綜合比較如表1所示。

表1 各種換熱器的性能比較

從表1不難看出，熱管式換熱器無論從換熱效率、設(shè)備成本和維護、空間占用還是從使用壽命等各方面都具有非常明顯的優(yōu)勢。因此，熱管換熱器的應(yīng)用將成為空調(diào)熱回收系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

3 熱管換熱器的應(yīng)用分析

3.1 項目概況及設(shè)計參數(shù)

本工程是位于上海市楊浦區(qū)某項目，共計五幢辦公樓及兩層地庫，并與一期地庫互相連通。地下2層主要用作機電用房及機動車庫。地下1層部分用作餐飲和商鋪用途。

根據(jù)設(shè)計項目共采用5臺熱管式換熱器，作為辦公區(qū)部分新風(fēng)與衛(wèi)生間排風(fēng)的熱交換，詳細設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 熱管式換熱器設(shè)計參數(shù)表

3.2 熱管換熱器使用效果分析

新風(fēng)經(jīng)過熱管換熱器處理前后效果見表3，表4。

表3 熱管換熱器處理前后使用效果表(夏季)

表4 熱管換熱器處理前后使用效果表(冬季)

根據(jù)表3，表4計算可知，整個建筑夏季全天最高節(jié)能948 kW，冬季全天最高節(jié)能1 921.5 kW。

3.3 熱管換熱器的經(jīng)濟性分析

本項目所采用的6排管，12FPI，制冷劑采用R134a的氣對氣式熱管式換熱器市場價約為每臺5萬元(共25萬元)。引用《熱管及熱管換熱器》(重慶大學(xué)出版社，1986)的計算公式，表5列出了經(jīng)濟效益的計算結(jié)果。從表5可以看出，盡管采用熱管換熱器的初投資較高，但是由于運行和維護成本為零，而且對于節(jié)能方面又有很大的貢獻，投資回報年限僅為2.1年，無論對于投資者還是今后的使用者都是雙贏的，所以在空調(diào)熱回收系統(tǒng)中采用熱管換熱器是節(jié)能的有效手段。

表5 熱管換熱器經(jīng)濟效益表

4 結(jié)語

由于熱管式換熱器具有高導(dǎo)熱性、恒溫性、可調(diào)性、高適應(yīng)性的特點，而且在余熱回收、節(jié)能降耗、減少二氧化碳排放、改善環(huán)境等方面所帶來的綜合效益是巨大的，因此在空調(diào)節(jié)能方面應(yīng)積極推廣，大力支持，以期待更廣泛的應(yīng)用。

［1］康 芹，郭建利.熱管換熱器的應(yīng)用［J］.機械管理開發(fā)，2010(10):60-62.

［2］李國慶，徐海卿.熱管換熱器在空調(diào)熱回收中的應(yīng)用［J］.工業(yè)技術(shù)，2007(10):23.

［3］蔡衛(wèi)東.熱管技術(shù)研究進展及其在空調(diào)制冷行業(yè)中的應(yīng)用［J］.制冷與空調(diào)，2003，3(3):31-36.

［4］邢振祥.余熱回收高效節(jié)能熱管換熱器應(yīng)用與工作介質(zhì)的研究［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2009，7(139):33-36.