熱管技術在空調系統中的應用探討

吳國華，　仲　華

（華東建筑設計研究院有限公司，上海200002）

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熱管技術在空調系統中的應用探討

吳國華，仲華

（華東建筑設計研究院有限公司，上海200002）

摘要：通過對于樣品的實測數據分析，研究熱管工質充注量對熱回收效率的影響，重力熱管內部結構對于熱管換熱性能的影響，不同面風速下各種盤管排數對于換熱效率的影響，熱管傳熱溫差對于效率的影響。供設計人員參考。

關鍵詞：熱管； 熱回收； 熱回收效率； 面風速； 盤管排數； 傳熱溫差

0　引言

熱管技術是通過某種工質在液態和氣態兩相之間轉換形成熱交換，從而被利用在空調系統中。由于熱管內工質的循環是利用重力原理，其本身無能耗，是很好的節能降耗產品。

國內外對于熱管技術的研究比較多，通常集中在高溫煙氣的熱量回收和電子設備（如中央處理器）的冷卻。而用于空調領域的研究較少，目前國內只有少數幾家供應商在生產。

目前《實用供熱空調設計手冊-第二版》中，給出了以氨為工質的熱管內部沸騰換熱的試驗關聯式以及不同翅片形式的單管換熱的試驗關聯式。但對于熱回收的溫差對于效率的影響未提及。當送風量和排風量不同時，在相關資料上僅僅建議按照低風速側的風量來計算，這樣可能會產生較大的浪費。而對于盤管，現有資料給出了盤管排數對于熱回收效率的影響，根據如下文中試驗數據來看，發現有較大的偏差。

1　熱管換熱的基礎原理

熱管是蒸發-冷凝型的換熱設備，靠工質在管內的狀態變化實現熱量的傳輸。典型的重力熱管是在密閉的管內先抽成1~2×10-4Pa的負壓，在此狀態下充入適量工質。在熱管的下端（受熱段）加熱，工質吸收熱量汽化為蒸汽，在微小的壓差下，上升到熱管上端（放熱段），并向外界放出熱量，且凝結為液體。冷凝液在重力的作用下，沿熱管內壁返回到受熱段，并再次受熱汽化，如此循環往復，連續不斷地將熱量由一端傳向另一端。由于是相變傳熱，因此熱管內熱阻很小，所以能夠以較小的溫差獲得較大的傳熱率。

1.1熱管特性

（1）導熱率高，熱管主要靠工作介質相變時吸收和釋放汽化潛熱的循環來傳遞熱量，由于工質的汽化潛熱較大，所以熱管的導熱率很高，通常情況下，熱管的導熱能力比實心銅棒高400倍。工作介質在沒有吸液芯的狀況下，依靠重力回流冷凝液體。

（2）蒸發和冷凝的交換，允許熱交換在比較低的溫度下進行。

（3）均溫特性好，由于熱管的導熱速度很快，表面溫度梯度很小，當熱流密度較小時，也可以得到較高的等溫表面，通常溫差只有1~2℃。

（4）熱流密度可調，熱管的蒸發與冷凝空間是分開的，較易實現熱流密度的調節，其變換比例可以很大。

（5）熱管傳熱是被動傳熱，沒有運動部件，是很好的節能產品。

2　熱管工質充注量研究

本文研究的內容為重力熱管，該設備熱管內部傳熱工質的充注量會對熱管的傳熱性能產生一定影響。工質充注過多會影響冷凝側換熱性能，同時在蒸發側也由于液體的壓力使蒸發比較困難，進而影響傳熱效果；工質充注過少會造成蒸發側面積利用率下降。而到底“熱管工質充注量”的比例是多少，各生產廠家都作為商業秘密，并不公布。本實驗也是依據以往設備生產經驗，作了20%、17%、14%三種不同充注量下的換熱效率實驗，試圖找出比較合適的“熱管工質充注量”。實驗數據見表1。

表1　熱管工質充注量20%數據

表2　熱管工質充注量17%數據

表3　熱管工質充注量14%數據

通過以上實驗對比可以看出，當充注量低于14%的時候，效率下降較多。

3　重力熱管內部結構對換熱性能的影響

重力熱管內部熱量的傳遞是以蒸發和冷凝效果為基礎的，所以熱管內部強化換熱也會增強熱管的傳熱效果。本文應用內部光管和內螺紋管進行換熱效果的對比，數據見表4。

表4　熱管工質充注量17%數據（內部光管）

表5　熱管工質充注量17%數據（內部螺旋管）

續表

通過對以上2組數據的對比可以看出，熱管內部應用螺紋管，換熱性能有較大增加，熱回收效率可以提高7~8個百分點。

4　不同面風速下各種盤管排數對于換熱效率的影響

表6　面風速1.5m/s時，不同排數的回收效率

表7　面風速2.0m/s時，不同排數的回收效率

表8　面風速2.5m/s時，不同排數的回收效率

表9　面風速3.0m/s時，不同排數的回收效率

4.1回收效率根據不同排數的變化規律

從圖3可以看出，在8排以下，熱管回收效率增加很快，8排基本可以達到最大效率（12排）的80%以上，所以一般來說，8排熱管的性價比較高。大于8排，熱管效率雖然增加，但設備成本增加更多，因而經濟性較差。

4.2效率隨面風速的變化規律

從圖4中可以看出，隨著風速的提高，熱管的效率下降。但根據熱管排數的不同，下降幅度也不同，如圖5所示。對于2排熱管回熱器來說，風速從1.5m/s提高到3m/s時，效率下降將近50%；而對于12排熱管回熱器來說，風速從1.5m/s提高到3m/s時，效率下降不到30%，所以在實際應用中，熱管面風速的提高，為保證一定的回收效率，應該適當增加熱管排數。

5　回收量隨面風速的變化規律

熱管效率雖然是評價熱管性能的一個重要指標，但最終的效益還有許多因素影響。圖二說明效率隨面風速增加而降低，但圖四卻表明，同一個熱管換熱器，面風速提高總的回收熱量也是升高的。所以在評價熱管的效益方面應該用更合理的指標。

從圖6中也可以看出，當面風速超過2.5m/s時，總回收量增長緩慢。這是與熱管內部傳熱機理有關，包括熱管直徑，單根熱管長度，熱管內部工質特性等等因素有關，這部分內容將在以后的研究中分析。

6　熱管的傳熱溫差對效率的影響

本研究試驗中，應用6排熱管在面風速3m/s的情況下，在不同傳熱溫差下得到的效率，見表10。

表10　不同溫差下的熱管效率（6排，面風速3m/s）

從圖7來看，隨著傳熱溫差的增加，熱管效率有緩慢下降。效率下降的原因可能與熱管的平均溫度有關，圖8給出了試驗時進風溫度、排風溫度、送風溫度和熱管的平均溫度。

7　熱管熱回收效率之計算公式

從上述計算公式可以看到，熱管的熱回收效率計算之分子為新風側產生的溫升或溫降，分母為新風進風和排風進風的溫差。而排風的出風溫度t2并不參與計算。

根據上海市《公共建筑節能設計標準》DGJ08-107-2012之4.3.7條的規定，排風熱回收裝置的制冷溫度效率應大于60%，制熱溫度效率應大于65%。在實際的工程案例中，新風的進風溫度T1受室外氣象參數影響，并不可控。排風的進風溫度t1受室內設計溫度影響，變化也不會太大。唯一可以改變的是新風的出風溫度T2。這也是本文實驗的最終目的，即提高熱管的熱回收效率。

8　結語

通過本系列的熱管試驗研究，可以得出以下結論：

（1）熱管換熱器是一種很好的熱回收器件，該種設備熱回收顯熱效率較高。相對于板翅式換熱器和轉輪換熱器來說，其使用壽命較長，可清洗。

（2）熱管效率受許多方面影響，在制造上，熱管的內部結構，熱管工質充注量都影響效率，本研究中的熱管，管內應用波紋管，充注量為20%效率最高。

（3）在熱管應用中，熱管排數增加會提高效率，但超過8排以后，效率增加緩慢，因而性價比最高的是8排。本實驗未對熱管排數增加帶來空氣阻力的增加加以測試。

（4）熱管應用中面風速增加熱管效率降低，因而在面風速確定的情況下，應適當增加排數，以增加回收量。

（5）回收效率對熱管性能可以有一定的評價，但該指標并不能完整的表述真正回收量的大小，應尋找更合適的評價指標。

（6）在本系列試驗中，超過60%的回收效率需要較高的配置（排數的增加或面風速的降低），這樣的標準雖提高了回收量，但也增加了設備成本，設備的材料成本也是需要能耗。因而過高的效率要求可能不一定合理。

參考文獻：

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[3]全國民用建筑工程設計技術措施暖通空調·動力[M].北京：中國建筑標準設計研究院，2009.

修回日期：2016-03-17

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.012

中圖分類號：TU832

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）02-0051-06

作者簡介：吳國華（1971-），男，上海人，本科，高級工程師，注冊公用設備工程師；仲華（1971-），男，內蒙古人，博士，高級工程師，總工程師。

收稿日期：2016-01-22

Heat Pipe Technology in HVAC System

WU Guo-hua， ZHONG Hua
（East China Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200002，China）

Abstract：By testing for sample of heat pipe，studying working substance in heat pipe，internal configuration of heat pipe，different row of coil at different air velocity，temperature inlet and outlet of heat pipe，all the factors can infecting heat exchange efficiency of heat pipe.

Key words：heat pipe； heat exchange； efficiency of heat exchange； air velocity； row number of coil；different temperature inlet and outlet