熱管空調機組的實驗研究

（1海信（山東）空調有限公司，山東 青島 266071; 2青島工學院，山東 膠州 266300）

摘 要：本文分析了節能的需求和熱管空調的工作原理，針對實際運行情況進行了熱管空調的溫差試驗、啟停試驗，對不同項目的試驗結果進行了詳細分析，得到不同運行曲線，試驗結果表明，只要控制好熱管空調的啟停，滿足溫差要求，則熱管空調就能實現穩定可靠運行。

關 鍵 詞：熱空空調;溫差;啟停

1 前言

隨著信息時代的到來，通信業取得了飛速發展，網絡升級和更替帶來的能耗也將持續增加。一般通信基站為全封閉結構，而通信設備需要不間斷運行，因此為了滿足基站內部溫度控制要求，則基站空調需要常年不間斷運行。空調耗電、通信設備耗電、監控設備耗電等等，導致基站能耗居高不下。

熱管[1]通過工質的相變實現高效換熱，利用室外的低溫自然冷源實現基站內部溫度控制，減少壓縮機運行時間，實現基站空調的節能。

2 熱管空調的工作原理

熱管空調是將熱管有機融合進入現有壓縮機制冷機組中，通過單向閥、電子膨脹閥等有效換向，實現一套機組、兩種運行模式，在全天候運行過程中根據基站室內外溫度自動選擇運行模式，在熱管冷卻模式無法滿足負荷要求的時候，開啟壓縮機運行，實現最大化節能。當室外環境溫度較高時，如夏季，機組以壓縮機制冷模式運行，開啟壓縮機制冷運行，滿足基站內部溫度控制;而其他季節當室外環境溫度較低時，機組以熱管冷卻模式運行，通過熱管內部工質相變將室外低溫能量傳遞到室內，滿足基站內部溫度控制，此時機組能效比較高，實現節能運行[2]。

3 實驗設計

由于熱管空調是一種新型的節能技術，性能和可靠性期待研究，因此，本文對研制的機組在實驗室中進行了具體的試驗項目和試驗內容。

（1）熱管換熱量與溫差特性試驗。熱管空調在一定的充液率下，保持實驗室的室內側工況不變，改變室外側干球溫度，得到不同的室內外溫差下的各種參數，記錄并分析相關數據。

（2）啟停試驗。常規熱管換熱機組普遍存在的問題是熱管啟動時間長、啟動不穩定，甚至有時候機組無法啟動，導致市場推廣和實際應用受阻。為了驗證機組中熱管換熱和壓縮機制冷能在需要的時候順利啟動，在不同制冷劑充注量以及不同溫差情況下，進行兩種模式下的啟停和轉換試驗，記錄并分析熱管空調的啟動特性。

4 實驗結果及分析

按照實際測試項目得到了不同的的實驗結果，對結果進行相關誤差和不確定性處理[3]，同時對數據進行影響因素分析，具體如下。

4.1 溫差的影響

熱管換熱的優點是隨著室內外溫差加大，換熱量也逐漸增大。本試驗是在室內干球28℃條件下，通過焓差實驗室改變室外環境溫度，進行了不同溫差條件下熱管性能的試驗研究，測試結果的曲線見圖1。

通過試驗發現，隨著內外溫差加大，機組熱管換熱的換熱量也隨之增加，溫差在5℃～15℃范圍內變化時，換熱量與溫差基本呈線性變化;而溫差在15℃以上時，顯熱換熱量增加變緩。通過溫差試驗得知，熱管空調一體機組中熱管換熱量與溫差不完全呈線性關系。

在溫差較小時，由于熱管系統送風量較大，出風溫度較高，熱管換熱器表面無凝露;而當溫差逐漸增大時，室外溫度過低，熱管換熱器內部工質冷凝效果好，工質溫度也較低，低溫液態工質進入室內蒸發器后，導致出風溫度過低，換熱器表面出現凝露，凝露水珠覆蓋換熱器表面，影響熱管系統與空氣的熱交換，最終導致熱管換熱量增長變緩現象。

熱管空調在內外溫差5℃時，熱管冷卻模式的能效比為6.13W·W-1，隨著溫差加大，能效比線性同比增大;當溫差到15℃以后，能效比的增大由于換熱量增長變緩而變緩。圖2表明，熱管的運行能效比遠遠高于壓縮機制冷模式下的能效比。由此可見，在空調機組中增加熱管換熱存在巨大的節能潛力。

4.2 啟停的影響

熱管空調有兩種運行模式：壓縮機制冷模式和熱管冷卻模式。在正常運行過程中會有不同模式的轉換和啟停，其中壓縮機為氣體泵，用途為壓縮和輸送氣體，運行前提是高低壓差要在安全范圍內，由于回油、平衡等安全問題，一般壓縮機停機和開機時間間隔至少3分鐘。而氟泵為液體泵，用途為輸送液體，如果泵前工質中含氣體，則容易發生汽蝕，氟泵容易發生故障。因此熱管空調在運行模式轉化過程中，需要評估機組的性能和安全性。

（1）壓縮機制冷模式轉熱管冷卻模式。熱管空調在正常運行過程中，由于節能的需求，在滿足熱管冷卻模式的運行條件下機組會由壓縮機制冷模式轉為熱管冷卻模式。見圖3，模式轉化過程中，壓縮機停機后，系統中排氣壓力、吸氣壓力和氟泵后壓力迅速平衡為一個中間值，隨后緩慢下降，由于停機過程中系統高溫和低溫工質混合，工質容易發生閃蒸現象，此時氟泵前端為氣液混合物，氟泵無法啟動，只有當系統內部壓力下降到一定程度后穩定，氟泵才能啟動，熱管冷卻模式開始運行，通過多次試驗，此狀態下確定停機平衡時間5分鐘。

（2）熱管冷卻模式下的啟停。熱管空調的熱管冷卻模式運行過程中，當通信基站內部環境溫度達到設定溫度要求時，熱管運行會停機;當環境溫度超過設定溫度要求時，熱管運行再次啟動，在此停機和啟動過程的壓力變化曲線見圖4。

由于熱管長時間運行，環境溫度加上電機溫升，氟泵電機及表面的工作溫度會較高，若此時熱管停機，系統內部壓力瞬間降低，在高溫作用下，泵體內工質氣化，產生氣泡，若氣泡不能有效排出，則熱管系統無法啟動。因此，熱管啟動需要一定等待時間，通過多次試驗，此狀態下確定停機平衡時間為6分鐘。

（3）熱管冷卻模式轉壓縮機制冷模式。隨著室外環境溫度的變化，當基站內部溫度達不到設定溫度要求時，熱管空調一體機組則自動切換為壓縮機制冷運行，此時氟泵停機，系統內部壓力降低，由于熱管冷卻模式運行過程中高低壓差較小，1分鐘時間系統內部壓力穩定，此后壓縮機制冷模式開始，壓縮機啟動瞬間低壓降低、高壓升高，系統正常進入制冷運行，整個過程的壓力變化曲線見圖5。

5 結論

本文對熱管空調機組進行了溫差試驗和啟停試驗的測試和數據分析。溫差試驗表明，在室內外溫差5℃～15℃之間，熱管換熱量與溫差基本呈線性增長，當溫差大于15℃，熱管換熱量增長變緩，由此可見熱管換熱量與溫差并不完全是線性關系。啟停試驗表明，熱管空調機組中熱管的啟動需要一定的平衡時間，而壓縮機則可以實現零延時啟動。

試驗結果表明，只要滿足溫差要求，控制好啟停時間，則熱管空調就能實現穩定、可靠的運行。

參考文獻：

[1]莊俊，張紅.熱管技術及其工程應用[M].北京：化學工業出版社，2000.

[2]余建租.換熱器原理與設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3]費業泰.誤差理論及數據處理[M].北京：機械工業出版社，1995.