動力型熱管熱泵聯合節能技術的研究現狀與應用進展

張洪旺

摘 要：節能是當代學術界的重要課題，是企業創新的熱點，也是一項基本國策。文章綜述了熱管、熱泵及熱管熱泵聯合節能技術研究現狀，介紹了動力型熱管熱泵聯合節能技術的應用進展及發展趨勢，對促進動力型熱管熱泵聯合節能技術的推廣具有一定的意義。

關鍵詞：動力型熱管；熱泵；聯合節能技術

中圖分類號：S226.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0191-02

Abstract： Energy saving is an important topic in the contemporary academic circles， which is the hotspot of enterprise innovation， and a basic national policy. In this paper， the research status of heat pipe， heat pump and heat pipe heat pump combined energy saving technology is summarized， and the application progress and development trend of power heat pipe heat pump combined energy saving technology are introduced. It has certain significance to promote the popularization of the combined energy-saving technology of power heat pipe heat pump.

Keywords： power heat pipe； heat pump； combined energy-saving technology

1 概述

熱管是一種依靠潛熱進行能量輸運的元件，具有換熱系數高，等溫性好，熱流方向可逆，環境適應性強等特性；而熱泵以消耗少量電能或燃料為代價，將大量無用的低熱能變為有用的高熱能，具有制冷制熱雙重功能。動力型熱管熱泵的聯合應用可以更有效的實現能源利用最大化。

2 動力型熱管與熱泵的研究現狀

2.1 動力型熱管的研究現狀

1944年美國俄亥俄州的R.S.Gaugler首次提出了熱管工作原理[1]；1964年，美國Los Alamos國家實驗室創造出了熱管這種傳熱元件，使得熱管從理論階段走向實踐[2]；1964-1970年間，熱管研究進入了理論研究的高峰期，有近千篇論文發表；從1970年起，熱管從實驗室規模迅速轉向實用領域，包括空間核電源、電子儀器散熱、航天飛行器均溫等節能應用研究；1980-2000年，熱管開始進入了工業應用階段，在電子電器散熱、計算機CPU散熱、大型空氣預熱器、高溫熱管換熱器、高溫高壓化學反應器等領域迅速發展。2000年以來，熱管逐漸步入更深入的應用研究階段，其技術領域主要涵蓋高效微型熱管技術、高溫大型熱管技術、高效熱管反應設備技術、高效熱管換熱裝備等方面。

40多年來，熱管由單根熱管演變到多根熱管組成的換熱器，由整體式熱管換熱器演變到分體式熱管換熱器等，但整體來看，現有熱管以重力和毛吸力作為驅動力，在結構靈活性和啟動特性上存在著傳熱距離短、蒸發段與冷凝段的安裝位置具有局限性、啟動復雜困難等問題。

為解決上述問題，提高熱管工作性能，出現了泵驅動的熱管系統、旋轉離心力驅動的熱管系統、電流體驅動的熱管系統及磁流體驅動的熱管系統。由于電流體驅動和磁流體驅動的熱管系統的動力有限，旋轉離心力驅動的熱管系統僅適用于電機等特定的設備中。而由于泵驅動熱管系統具有顯著節能效果及其普遍適用性，成為近年來學術界的研究熱點，并已經應用于空調、干燥、航天等領域。

2.2 熱泵的研究現狀

1824年卡諾發表的卡諾循環的論文中首次提出了熱泵理論，1850年開爾文指出制冷裝置也可以制熱，1852年威廉·湯姆遜提出熱泵構想，且稱其為熱能倍增器[3]。20世紀初期，熱泵技術才得以初步發展，如1912年瑞士的蘇黎世成功安裝一套用于供暖的水源熱泵設備，到20世紀40年代，才有了許多代表性的熱泵設計。

目前，熱泵已演變出多種形式，按工作原理，可分為蒸汽壓縮式（也稱為機械壓縮式熱泵）、吸收式熱泵、化學熱泵、蒸汽噴射式熱泵、熱電熱泵等，因其高效節能特性已被廣泛應用在供暖、干燥、余熱回收等行業。例如，與燃煤，燃油鍋爐相比，在提供相同熱量的情況下，熱泵可節約40%左右的一次能源，可減少68%的二氧化碳排放量、93%的二氧化硫排放量、73%的二氧化氮排放量[4]。

2.3 動力型熱管熱泵聯合型節能技術的研究現狀

熱管和熱泵技術的應用可以減少一次能源使用、對廢熱進行梯級利用，實現高效節能是可行的。

張龍燦對光伏-太陽能環形熱管/熱泵復合系統進行了實驗研究，發現復合系統同時具有環形熱管模式、熱泵模式的優點，可以保證對熱能的穩定供給，同時能夠合理利用能源和減少電能消耗[5]；李永田等研究了分離式熱管和熱泵聯合技術在谷物等低溫干燥領域的應用，研究結果表明，與熱管與熱泵技術進行單一使用相比，熱管和熱泵聯合技術的運營成本底，能夠推動低品位能源的使用，但設計難度增大[6]；田小亮等于“熱管熱泵復合式干燥動力源系統”“一種節能型冷凍深度除濕空氣處理裝置”等多項授權發明專利中利用了動力型熱管熱泵聯合節能技術，并通過實驗研究發現動力型熱管可以減小熱泵機組的熱負荷，提高系統的除濕能力，節能效果顯著[7-8]。

綜上，熱管與熱泵聯合技術確實具有高效節能性。考慮工作穩定性、結構靈活性等問題，動力型熱管熱泵聯合技術優于普通熱管熱泵聯合技術，更具有廣闊的應用前景。endprint

3 動力型熱管熱泵的聯合節能技術的應用進展

3.1 應用于中央空調領域

我國現有統計數據顯示，建筑能耗約占社會總能耗的1/3左右，其中，僅中央空調系統設備能耗就占整個建筑能耗的50%～60%。

現在的中央空調系統通常采用冷凍除濕機組和轉輪除濕機組對空氣進行調溫調濕。冷凍除濕法通常是利用7-12℃的冷凍水作冷媒來冷卻被處理的空氣，機器露點溫度一般在14℃以上；近十年來出現的直膨式冷凍除濕方法，使機器露點溫度由14℃以上降低為10℃以上；轉輪除濕法盡管能達到很好的絕對除濕效果，滿足低濕的空氣處理要求，但處理過程能耗巨大。而利用動力型熱管熱泵聯合節能技術對空氣進行調溫調濕類型的空調系統的能耗僅為轉輪除濕空調系統的1/5-1/3，且能夠在機器露點溫度為-5℃的工況長期穩定運行。

該技術在應用中實現了整機的制冷能效比達到6.9；制冷和制熱總能效比為9.9，而普通直膨式空調機組的最高級制冷能效比（1級）為3.4，綜合能效顯著提高。

3.2 應用于干燥領域

干燥工序作為藥材、食品等加工過程中的重要環節，是一個需要大量消耗能源的過程。據統計，干燥能耗大約占全部能耗的12%～20%。因此，如何提高干燥效率，降低能耗，并能確保物料干燥質量，成為生產型企業的追求。

相比真空冷凍干燥、隧道干燥、轉筒干燥等，空氣源熱泵干燥具有節約能源、產品質量高、干燥時間短等顯著優點，因此，倍受國內外廠家的青睞。但目前空氣源熱泵干燥技術在實際應用過程中仍存在以下問題：（1）干燥中后期，物料含水量下降，干燥速度變慢，干燥時間延長，能耗增加；（2）變溫運行較為困難； （3）干燥規模相對較小。

4 結束語

動力型熱管熱泵聯合節能技術在能量回收和高效節能領域具有廣闊的應用前景，但仍需要深入對以下方面進行研究：

（1）對熱管系統深入研究，如溶液泵與蒸發器的匹配、換熱器管路布置以及介質充注量等問題。

（2）對熱泵機組的換熱特性、節流閥選型等進行全面系統的研究，實現系統的優化設計，開發應用程序，拓展應用領域。

（3）對動力型熱管熱泵聯合高效節能技術進一步進行理論、實驗分析，尋找節能效果最佳組合方式，推動高效節能技術的發展。

參考文獻：

[1]Gauge R S. Heat transfer device. U.S. Patent 2350348. Dec. 21，1942.

[2]Grover G M， Cotter T P， Erikson G F. Structure of very high thermal conductance[J].Journal of Applied Physics， 1964，35（6）.

[3]城東，謝繼紅.熱泵技術及其應用[M].北京：化學工業出版社， 2006：1-32.

[4]Wang Q， He W， Liu Y Q， et al， Vapor compression multifunctional heat pumps in China： A review of configurations and operational modes [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2012，16：6522-6538.

[5]張龍燦.光伏-太陽能環形熱管/熱泵復合系統的實驗研究[D].安徽：中國科學技術大學，2014.

[6]李永，田張麗.熱管和熱泵聯合技術在谷物干燥領域的應用研究[J].現代農業科技，2016，21：147-151.

[7]田小亮，孫暉，熱管熱泵復合式干燥動力源系統[P].中國專利，ZL200610068824.8，2006-09-21.

[8]田小亮，李曉花，孫暉，等.一種節能型冷凍深度除濕空氣處理裝置[P].中國專利，CN104819526A，2015-08-05.endprint