熱管間距對空氣源熱泵地板輻射采暖系統的影響實驗研究

(西安科技大學能源學院 陜西 西安 710054)

一、引言

熱管具有良好的導熱性、等溫性、可任意改變的傳熱面積、可遠距離傳熱、及控制溫度等一系列優點[1-2]。國內外研究者對其進行了大量研究。

從R.S.Gaugler提出熱管理論后被迅速研制成航天散熱器，[13-14]經過70年的發展，熱管被用于各個領域[3]。隨著對建筑能耗的重視和節能減排的要求[4-5]，熱管用于供暖也備受關注。Jong Soo Kim將震蕩熱管用于低溫地板輻射供暖系統中進行實驗研究，并與塑料熱管的供熱性能進行對比后，得出了熱管系統的性能系數要優于塑料管的結論[6]。馬洪亭將水源熱泵與熱管結合用于低溫地板輻射采暖中，進行了試驗研究，得出了試驗工況與水源熱泵的能效比[7]。2004年，羅清海，湯廣發等人對熱虹吸管散熱器與普通散熱器進行了散熱能力及表面溫度均勻性方面的比較[8]。2007年，天津大學的張于峰，郝斌等人對熱管地板輻射供暖系統的熱工特性進行了研究[9]。2010年撖文輝研究了采用熱管技術的地板輻射系統的供暖特性[10]。

目前熱管用于采暖系統的研究大多集中于理論分析、系統匹配和傳統供熱方式性能對比，但對細節問題研究較少，比如熱管間距對換熱的影響，溫源對熱管換熱的影響等。本文旨在研究熱管用于空氣源熱泵地板輻射采暖系統中熱管間距對供暖效果的影響。

二、實驗構建

(一)熱管-空氣源熱泵輻射采暖系統原理

本次實驗該實驗由空氣源熱泵、儲熱水箱、熱管、混凝土塊和房間模型所組成。熱管-空氣源熱泵輻射采暖系統是通過空氣源熱泵制備恒溫水源，然后通過熱管將源溫導入室內進行供熱。其原理如圖1，啟動空氣源熱泵機組，制冷劑在蒸發器1內由相態變化吸收室外空氣中的熱量，變成低溫低壓的蒸汽，經由四通換向閥3進入壓縮機2將低溫低壓的氣體壓縮成高溫高壓蒸汽，然后高溫高壓蒸汽進入冷凝器5與儲熱水箱內的熱水進行換熱，換熱后冷媒變成高溫高壓的液體流經膨脹閥4后變回低溫低壓的液體，依次重復循環。而經過冷凝器后儲熱水箱7內的水不斷的被加熱，循環加熱到一定溫度后，將熱水通入熱管冷凝端9，由于熱管具有良好的等溫性，熱管冷凝端接觸熱水時產生的熱量損失較少，并且能夠將熱量不斷的傳遞到混凝土板塊8上實現對混凝土板塊的供暖。

圖1 空氣源熱泵熱管地板輻射采暖原理圖

1蒸發器 2壓縮機 3四通換向閥 4膨脹閥 5冷凝器 6水泵 7儲熱水箱 8供暖地板 9熱管

(二)實驗方案

本實驗研究不同熱管間距對復合系統供暖的影響。用空氣源熱泵制備45℃的恒溫熱水，分別對由熱管間距為10、15和20cm制備的地板輻射采暖系統的末端——混凝土板塊供熱，并采用32通路的數據采集儀，使用銅-康銅熱電偶，共設置9個測點，其中5個測點用于測量地板表面的溫度，4個測點測量房間模型內溫度，其測點布置圖如圖2所示，在測量過程中每間隔10min記錄一次，直至溫度變化趨于穩定。最后并比較分析3種管間距的供暖效果。

圖2 溫度測點布置圖

三、三種熱管間距供暖效果對比分析

(一)三種熱管間距供暖效果對比

(a) 混凝土表面溫度對比

(b) 房間模型內溫度對比

圖3是空氣源熱泵制備45℃溫源分別對熱管間距為10cm、15cm、20cm的混凝土板塊加熱的表面和房間模型溫度監測圖。從圖(a)可知，三種方案的變化情況具有相似性，隨著時間的增加，溫度升高直至穩定。對混凝土板塊表面溫度，管間距10cm的溫度溫度一直明顯低于其他兩組溫度，可能是因為管間距較小，使得熱量在熱管間形成堆積效應，溫度傳導不均；管間距20cm和管間距15cm的穩定溫度雖然僅差0.6℃，但其整個溫度變化過程都在管間距為15cm的以下。從圖(b)，管間距10cm和管間距20cm的房間模型內溫度在加熱時間20min左右時存在相同的溫度，加熱20min之后管間距20cm的房間模型內溫度增長速率高于管間距10cm的房間，并在加熱50min之后管間距20cm房間模型溫度一直高于管間距10cm房間模型內溫度，一直到加熱終止；從圖中可以看出管間距15cm的房間模型內溫度曲線最先變平穩，可知管間距15cm房間模型內溫度最先進入穩定狀態，并在最終溫度穩定階段與管間距20cm的房間模型溫度達到吻合狀態，但就整個傳熱過程來看，管間距15cm的還是優于管間距為20cm的方案。

(二)三種管間距供暖測點溫度方差對比

圖4是三種管間距方案在整個加熱過程中混凝土板塊和房間模型內測點溫度的方差隨著加熱時間的對比圖。從圖(a)中可以看出管間距10cm的曲線在加熱時間60min以后大幅度增加明顯高于其他兩組方案，并最終穩定在相對較大的方差值，說明管間距10cm在加熱時間60min以后混凝土板塊表面測點溫度開始出現差異，并隨加熱時間的增加混凝土板塊上測點溫度分布均勻差異性逐漸增大，甚至在溫度穩定后這種差異也沒有減弱；在加熱時間0-70min，管間距15cm混凝土板塊測點溫度方差和管間距20cm混凝土板塊測點溫度方差變化趨勢基本相似，并且都處于相對較小的變化中，在加熱時間70min以后管間距20cm的混凝土板塊測定溫度方差開始大于管間距15cm的混凝土板塊測定溫度方差，在最終溫度穩定后管間距20cm混凝土板塊各測定溫度方差仍高于管間距15cm的方差。從圖(b)中可知，在開始加熱40min時間內，三種管間距方案的房間模型內各測點溫度方差變化較小，都處于相對均勻階段；加熱時間40min以后，管間距10cm和20cm的房間模型內測點溫度方差高于管間距15cm的對應測量時間點的方差，由此可以得知，隨著加熱時間的增加，房間模型內溫度分布均勻程度為管間距15cm>管間距20cm>管間距10cm；管間距15cm房間模型內各測點溫度方差在整個加熱過程中一直處于較為平穩的變化且處于相對較小值，可見房間模型內溫度分布較為均勻。

(a) 混凝土表面測點溫度方差對比

(b) 房間模型內測點溫度方差對比

四、誤差分析

本次實驗過程主要有以下幾個方面的誤差需要考慮。

(1)系統的供回水在管道和水箱內的熱量散失問題，雖都進行了保溫處理，但較冷的環境中其熱量損失是不可忽略的。

(2)在制作混凝土板塊時水泥和沙子的比例很難精確滿足配比規范，導致傳熱系數的不同；房間模型的制作采用XPS聚苯乙烯隔熱板材料，其密封情況和保溫效果都會對實驗采集的數據造成誤差。

五、結論

綜合對比以上研究，得出熱管可以用于空氣源熱泵輻射采暖系統中，且管間距對供暖效果有影響。在相同低溫熱源供熱下，達到穩定狀態后，對三種管間距方案的混凝土表面溫度、房間模型內溫度和溫度分布均勻性對比分析，得出管間距為15cm時，供暖效果最好。在實際應用中，熱管間距要根據復合供暖系統末端的尺寸進行合理設置，太大或太小都會影響其供暖效果。