帶熱管的板式空氣-空氣換熱器工作特性實驗研究

薛連政 馬國遠 周 峰 晏祥慧 姜明健

帶熱管的板式空氣-空氣換熱器工作特性實驗研究

薛連政 馬國遠 周 峰 晏祥慧 姜明健

（北京工業大學環境與能源工程學院 北京 100124）

提出一種用于能量回收的帶熱管的板式空氣-空氣換熱器，換熱器芯體內部縱向排列12根相互獨立的環路熱管，板間L型密封將換熱器分為內、外兩個循環，2臺離心風機組織室內外空氣通過通道層間的波紋板進行逆向C形流動換熱。搭建了換熱器性能測試平臺，針對冬季工況和夏季工況，對換熱器的溫度效率、換熱量與能效比進行了研究，進一步分析了2種不同工質的熱管對換熱器性能的影響。結果表明：冬季工況和夏季工況換熱器的換熱量、EER隨室內外溫差的增大而增大，冬季工況最高溫度效率達到62%，夏季工況最高溫度效率達到70%，當環路熱管內工質為R32時，對換熱器在冬、夏季工況的換熱性能均有提升。分析計算了哈爾濱、北京、上海、廣州四座典型城市使用該換熱器全年EER分別為12.72、7.70、5.75、3.67。

能量回收；板式空氣-空氣換熱器；熱管

0 引言

近年來，在我國經濟高速發展的同時，能源形勢也隨之日益嚴峻，其中以制冷空調行業發展所帶來的能源消耗最大，并且隨之而來的還有一系列環境問題。隨著全球氣候不斷變暖，世界各國越來越重視節能減排工作[1]。而熱回收技術對我國實現節能目標具有重要意義。目前用于公共建筑空調系統能量回收的裝置種類較多，可分為2大類，即全熱換熱器和顯熱換熱器[2]。常用的顯熱換熱器有板式換熱器和熱管式換熱器[3]。傳統的板（翅）式能量回收裝置無傳動設備和耗能部件，但新風與排風之間存在濕交換，裝置有交叉污染的風險，不宜在醫院、生物潔凈室等場合使用。整體熱管式能量回收裝置無需外加動力，耗能低，新風與排風不直接接觸，沒有交叉污染的風險[4]。Nasif[5]等在平板上添加一種多孔膜制成全熱板翅式能量回收裝置，對其溫度效率和焓效率分別測量計算，發現多孔膜可有效提高換熱器性能。Min和Su[6]提出一種數學模型來研究全熱板翅式能量回收裝置的換熱量和溫度效率，裝置的換熱量隨板間距的增加先增加后減小，焓效率隨著風機功率增加而降低。Lu[7]等以塑料為平板材料在不同的風速條件下對溫度效率進行實驗和理論研究，風速提高對溫度效率不利。嚴衛東[8]等提出一種新型轉輪全熱回收新風機組,利用恒溫恒濕小室,改變室內排風參數,測試夏季工況下該機組的冷回收性能。吳曉非[9]通過實驗得到一個經驗公式，可通過室內外空氣溫差、濕度差和風量來計算全熱板翅式能量回收裝置實時的溫度效率和焓效率。張海泉[10]通過實驗與理論計算得到了板式換熱器熱工與阻力性能的計算方法。EI-Baky和Mohamed[11]將整體熱管式能量回收裝置用于空調系統排風能量回收，裝置的溫度效率隨室內外溫差增大而增大，當室外新風溫度為40℃，排風溫度為26℃時，溫度效率為48%。Yat[12]通過實驗研究了進口空氣干球溫度、相對濕度和風速對一個8排熱重力熱管換熱器換熱效率的影響。張保棟[13]通過理論計算得到了熱管換熱器最佳冷熱段長度比的通用公式。姚壽廣[14]等對一種具有并聯熱管組結構的新型平板式熱管散熱冷板的內部運行機理進行了數值模擬，分析并預測了加熱冷卻條件對該平板式熱管運行性能的影響。孫世梅、張紅[15]根據熱管換熱器結構特點及傳熱特性，建立了熱管換熱器殼程流動與傳熱的三維物理模型。周峰[16]研究了新風溫度、充注率、傾斜角度、管排數和迎面風速等參數對整體熱管式能量回收系統性能的影響。磊波[17]等通過典型鐵路客站公共區域的模擬計算，表明實際最優熱回收風量是在理論最優熱回收風量區間內，得到其熱回收的潛力。

目前，板（翅）式換熱器作為應用最為廣泛的換熱器之一，國內外對其進行了大量的研究，但板（翅）式換熱器仍有一些不足需要改善，例如，換熱芯體通道間距大造成其體積大，換熱芯體流道結構復雜、材質可靠性差造成了不易清洗、易破損等問題。針對以上問題，本文在常規翅片管換熱器的基礎上，將其設計為具有新型流道結構的可用于能量回收的空氣-空氣換熱器，具有質量輕，結構緊湊，換熱效果好，可靠性高的特點。并且將內部的穿管有效利用，制成環路熱管，作為進一步提高板式換熱器性能的方法。搭建了換熱器性能測試平臺，在不同室內外溫差條件下，對換熱器的溫度效率、換熱量與能效比進行了研究，并進一步分析了2種不同工質的熱管對換熱器性能的影響。

1 實驗裝置及工作原理

圖1 板式換熱器芯體外部結構示意圖

表1 板式換熱器芯體幾何參數

圖2 空氣內外循環示意圖

板式熱管換熱器的換熱芯體結構如圖1所示，此換熱器由鋁制波紋翅片在12根相互獨立的封閉環路熱管基礎上穿片而成。換熱器芯體環路熱管的蒸發段與冷凝段具有一定的高度差。芯體翅片間的垂直及水平密封形成L型密封，內、外循環側的L型密封呈中心對稱，且在各自循環側均為相間排列。芯體翅片間垂直方向的密封將換熱器分為內循環側與外循環側，水平方向的翅片密封控制內外循環側的氣流流向。該新型板式換熱器板片薄，通道間距窄，整體結構質輕緊湊，換熱器芯體結構參數見表1。當換熱器的內循環側與外循環側存在溫差時，可由2臺額定功率均為0.14kW的離心風機分別驅動內循環氣流與外循環氣流通過其間的鋁翅片進行熱量交換，圖2為內外循環不同通道間空氣換熱示意圖。

2 實驗過程與方法

本實驗在焓差室中進行，利用焓差室控制室內外環境溫度并監測實時溫濕度數值,圖3為實驗系統示意圖。實驗過程中，焓差室的室內外測試間分別模擬室內外環境。冬季工況為室內溫度20℃恒定不變，室外溫度取-20℃～15℃，并以5℃為間隔作為實驗溫度進行測試。夏季工況為室內溫度27℃恒定不變，室外溫度分別取31℃、34℃、37℃、40℃作為實驗溫度進行測試。換熱器內循環側與外循環側分別置于焓差室的室內側與室外側，并控制環路熱管蒸發段與冷凝段在室內外側的位置進行實驗測試。首先，熱管未充注工質，研究換熱器換熱性能，本文通過溫度效率、換熱量、能效比EER三個指標對換熱器進行性能評價。為進一步探究熱管對換熱器性能的影響，將熱管充注工質R32、R134a兩種情況進行實驗研究與分析。

試驗中采用風速儀分別對換熱器內外循環的風機出口均分5個測點進行測量，得到風機高速檔的風量分別為630m3/h。在換熱器的內循環面的矩形風口及風機出口各均勻布置5個溫度測點，并取其測量值的平均值作為溫度值，同理，外循環側采用同樣方法進行測量。使用的儀器主要參數列于表2中。

圖3 實驗系統

表2 使用的儀表主要參數

本文通過溫度效率、換熱量、能效比EER三個指標對換熱器進行性能評價。計算換熱量時需要直接測量的量有內循環側進風溫度及內循環風機的出風溫度與風量，分別可由溫度傳感器和風速儀測量并計算得出。計算EER所需知的輸入功率，由功率計直接測量并存儲。本文溫度效率、換熱量、能效比EER按下面式子計算。

（1）溫度效率的計算公式為：

式中：為冬季溫度效率；為夏季溫度效率；為室內進口處空氣干球溫度，℃；為室內出口處空氣干球溫度，℃；為室外進口處空氣干球溫度，℃。

（2）換熱量的計算公式為：

式中：Q為冬季單位時間換熱量，kW；Q為夏季單位時間換熱量，kW；為空氣的定壓比熱，kJ(/kg·℃)；為空氣密度，kg/m3；為室內風機風量，m3/h。

（3）能效比EER的計算公式為：

式中：為換熱量，kW；為室內風機功率，kW；為室外風機功率，kW。

3 實驗結果與討論

3.1 冬季工況結果與討論

圖4給出冬季工況換熱器環路熱管充注R32、R134a與空管的換熱性能對比情況。由圖4（a）可看出，當室內外溫差（Δ）小于8℃時，溫度效率（η）隨室內外溫差的增加而迅速增大，即Δ在5～8℃范圍內，R32、R134a、空管的溫度效率增幅均為10%左右，由于翅片兩側換熱的內外循環氣流為逆向C型流動，小溫差傳熱下內側循環氣流與相鄰通道內的外側循環氣流間的傳熱鋁片面積并未完全利用，且小溫差下熱管環路運行不良，換熱器溫度效率受熱管環路影響較小，使得溫度效率與溫差成近似線性關系。當Δ>8℃時，溫度效率增幅明顯減小，且Δ>15℃時，溫度效率基本不變，原因在于Δ介于8～15℃時，內外循環氣流能夠較為充分的利用其間的波紋板片面積進行傳熱，R32、R134a、空管的溫度效率增幅均為4%左右，但是當Δ>15℃時，內外循環其間的波紋片換熱面積不足，即使增大室內外溫差其溫度效率增幅較小。從圖4（a）可知，熱管環路充注R32使換熱器溫度效率較空管提高約2%，，說明此時環路熱管可提高換熱器溫度效率，當Δ>18℃時，η達到了60%，而熱管環路充注R134a其溫度效率介于R32與空管之間。

圖4（b）為換熱器換熱量隨室內外溫差的變化情況，可知換熱量與室內外溫差近似線性相關，換熱量幾乎不受其他因素影響，這是由于溫度效率幾乎不隨室內外溫差的變化而變化，只有Δ<8℃時，η受Δ影響較大。環路熱管對換熱器溫度效率的提升約為2%，所以圖4（b）中，R32較空管的換熱量也提升2%。圖4（c）為換熱器EER隨室內外溫差的變化情況，總功率大小不受室內外溫差的影響，所以EER曲線與換熱量曲線近似，也可知EER主要與室內外溫差相關，R32能夠改善換熱器的換熱性能。

（a）換熱器溫度效率隨室內外溫差的變化情況

（b）換熱器換熱量隨室內外溫差的變化情況

（c）換熱器EER隨室內外溫差的變化情況

3.2 夏季工況結果與討論

圖5顯示了換熱器夏季工況換熱器熱管充注R32、R134a與空管的換熱特性。由圖5（a）可知夏季工況溫度效率整體高于冬季工況。但溫度效率（η）隨室內外溫差（Δ）的增加而降低，且在小溫差（Δ為4～8℃）時的降幅大于大溫差（Δ>8℃），造成這種情況的原因為內循環通道內的主流風速向下，小溫差傳熱使得貼近波紋板傳熱的空氣層所獲得的浮升力較小，相反在大溫差時貼近換熱面的空氣層浮升力較大，不利于來流空氣與波紋片換熱，致使溫度效率隨室內外溫差的增加而有下降趨勢。由于換熱器芯體總換熱面積的限制，當Δ>10℃時，溫度效率曲線趨于平緩。Δ在4～8℃范圍內，環路熱管對換熱器溫度效率的提升作用不明顯，Δ=4℃時，溫度效率達到70%。Δ在8～12℃范圍內，R32較R134a或空管的溫度效率提升約2%，熱管環路充注R32使換熱器在較大室內外溫差情況下的溫度效率降幅減小，使溫度效率維持在65%以上。

圖5（b）為夏季工況下換熱器換熱量隨室內外溫差的變化情況，可知換熱量與室內外溫差的關系與冬季工況相像也為近似線性，但由于夏季工況換熱器的溫度效率整體優于冬季工況，所以Δ-曲線的斜率大于Δ-曲線，在相同的Δ情況下的值大于，例如當室內外溫差為10℃時，約為1.5kW，約為1.3kW。因此由圖5（c）也可看出在相同的Δ情況下，換熱器夏季工況EER優于冬季工況。

（a）換熱器溫度效率隨室內外溫差的變化情況

（b）換熱器換熱量隨室內外溫差的變化情況

（c）換熱器EER隨室內外溫差的變化情況

4 節能性分析

本實驗中的換熱器可用于空調系統能量回收，由于換熱器熱管環路充注R32性能較好，故對其做節能性分析，冬季室內溫度維持20℃，夏季室內溫度維持27℃，由圖6（a）可求冬季工況EER與室外溫度的擬合函數如下：

-0.556310.537 （6）

同理由圖6(b)可求夏季工況EER與室外溫度的擬合函數如下：

0.5569-14.765 （7）

（a）冬季換熱器EER隨室外溫度的變化情況

（b）夏季換熱器EER隨室外溫度的變化情況

圖6 一年中換熱器EER隨室外溫度變化情況

Fig.6 Variation of heat exchanger EER with outdoor temperature in a year

假設換熱器應用于公共服務場所，運行時間段為7:00-22:00，考慮換熱器冬季、夏季的溫度效率特性，當冬季室外溫度低于15℃、夏季室外溫度高于30℃時作為換熱器工作的啟動溫度，以保證換熱器較好的工作性能。冬季以15℃作為溫度區間的其中一個分割點，以5℃作為區間間隔，查《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》[17]得到相應各溫區在一年中所占的時長如表3所示。由表3可知哈爾濱、北京、上海、廣州四座城市冬季、過度季節換熱器使用時長分別為3640h、2870h、2296h、897h，夏季換熱器使用時長分別為71h、294h、286h、878h，全年換熱器使用長分別為3711h、3164h、2582h、1775h。

表3 換熱器各個溫區開啟時長

由圖7（a）可以求出，冬季換熱器的換熱量隨室外溫度變化的擬合函數如下：

=-0.1558+2.9503 （8）

由圖7（b）可以求出，夏季換熱器的換熱量隨室外溫度變化的擬合函數如下：

=0.1559-4.1343 （9）

由擬合函數（6）～（9）可以計算出一年中各個溫度區間下換熱器的EER、換熱量與室外溫度的對應關系。結果如表4所示。

由表3、表4可求出換熱器全年的EER與總換熱量，結果如表5所示。經計算哈爾濱、北京、上海、廣州四座典型城市全年EER分別為12.72、7.70、5.75、3.67，全年回收能量分別為47.60GJ、24.55GJ、14.95GJ、6.56GJ。將其約合為電能按3600kJ/kWh計算，則哈爾濱、北京、上海、廣州四座城市節省電能分別13222.22kWh、6819.44kWh、4152.78kWh、1822.22kWh。

（a）冬季換熱器換熱量隨室外溫度的變化情況

（b）夏季換熱器換熱量隨室外溫度的變化情況

圖7一年中換熱器換熱量隨室外溫度的變化情況

Fig.7 Variation of heat transfer capacity with outdoor temperature in a year

表4 各個溫區的換熱量、EER

續表4 各個溫區的換熱量、EER

表5 換熱器EER與總回收熱量計算

5 結論

本文所設計的新型板式熱管換熱器較傳統熱回收裝置相比，具有結構緊湊、熱回收效率高、性能可靠的特點。在冬季、夏季工況下對其換熱器工作性能進行了研究，并且將環路熱管作為提升換熱器性能的方法，主要結論如下：

（1）換熱器環路熱管充注工質R32較工質R134a略有優勢，能夠提升換熱器在冬、夏季工況的性能。冬季工況下換熱器溫度效率隨室內外溫差的加大而增大并趨于平緩，最大溫度效率約為62%，在室內外溫差為5～8℃范圍內，環路熱管對換熱器溫度效率的影響較小。夏季工況下換熱器溫度效率隨室內外溫差的加大而減小并趨于平緩，充注工質R32的環路熱管使換熱器溫度效率維持在65%以上，最大溫度效率約為70%。

（2）換熱器在冬、夏季工況的換熱量、EER均隨室內外溫差的增大而增加，冬季室外溫度低于15℃、夏季室外溫度高于30℃時作為換熱器工作的啟動溫度時，哈爾濱、北京、上海、廣州四座典型城市全年EER分別為12.72、7.70、5.75、3.67，全年節省電能分別為13222.22kWh、6819.44kWh、4152.78kWh、1822.22kWh。

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Experimental Study on Operation Characteristics of Plate Heat Exchanger Coupled with Heat Pipe

Xue Lianzheng Ma Guoyuan Zhou Feng Yan Xianghui Jiang Mingjian

( College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124 )

This paper presents plate heat exchanger coupled with heat pipe what vertically arranged 12 independent loop heat pipes inside the core for energy recovery. The L type seal between the plate fins divides the heat exchanger into two cycles, inner and outer, and two sets of centrifugal fans on the inner and outer circulation side. Indoor and outdoor air passes through the plate between the channel layers to perform reversed C flow heat exchange. For the winter conditions and summer conditions, an experimental study was conducted on the effect of the heat transfer performance of the heat exchanger with different refrigerants. The indoor and outdoor temperature difference and the kind of refrigerants in the loop heat pipe were analyzed to show the way of affection on the temperature efficiency, heat transfer capacity, and energy efficiency ratio (EER). The results show that the heat transfer capacity and EER of the heat exchanger increase with the increase of indoor and outdoor temperature difference in winter and summer conditions, the maximum temperature efficiency in winter conditions reaches 60%, and the maximum temperature efficiency in summer conditions reaches 70%. When the loop heat pipe working medium is R32, the heat exchange performance of the heat exchanger in winter and summer conditions are improved. The analysis and calculation of the annual EER of the heat exchanger for four typical cities in Harbin, Beijing, Shanghai and Guangzhou are 12.72, 7.70, 5.75, 3.67 respectively.

heat recovery; plate heat exchanger; heat pipe

TK172.4

A

1671-6612（2019）04-343-08

國家重點研發計劃（2016YFB0601601）；國家自然科學基金（51776004）

薛連政（1993-），男，碩士，E-mail：xuelz@emails.bjut.edu.cn

馬國遠（1963-），男，教授，博士生導師，E-mail：magy@bjut.edu.cn

2018-09-04