泵驅動回路熱管能量回收裝置的工作特性

馬國遠，段 未，周 峰

（北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100124）

泵驅動回路熱管能量回收裝置的工作特性

馬國遠，段 未，周 峰

（北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100124）

為了有效利用公共建筑空調系統排風的能量，降低新風處理能耗，設計出一種泵驅動回路熱管能量回收裝置.搭建實驗系統，討論該裝置在8種運行工況、3種不同工質下的工作特性，分析工況和工質對其換熱量、溫度效率和性能系數等參數的影響.結果表明:該裝置能夠滿足公共建筑換氣能量回收的要求，具有顯著的節能效果.室內外溫差增大對其換熱量和性能系數有利，對溫度效率不利.該裝置夏季工況的性能系數可達11.07，冬季工況的性能系數可達23.82；以R32為工質時，該裝置的性能優于R22和R152a.

泵驅動回路熱管；能量回收；換熱量；溫度效率；性能系數

據統計，目前中國大型公共建筑中，空調系統用電占比達到50%～60%，在空調系統總負荷中，新風負荷占比約為30%～50%，在人員密集的公共建筑內可達70%以上［1］.另一方面，夏、冬季空調系統排風中攜帶的大量冷、熱量被排到室外，造成很大程度上的浪費.如果能夠有效回收利用排風攜帶的能量來降低新風負荷，是實現空調系統節能的重要途徑之一，對實現中國建筑節能目標具有重要意義.在空調新風和排風之間設置能量回收裝置，使新風和排風進行冷、熱量的交換，把排風中的能量盡可能多地傳遞給新風，降低處理新風的能耗，是一種行之有效的空調系統節能方法.

目前，用于空調排風能量回收的裝置按照系統結構可分為整體式和分體式兩大類，整體式能量回收裝置包括轉輪式、板式、板翅式、熱泵式和整體熱管式等，分體式能量回收裝置包括中間熱媒式和回路熱管式等.Simonson等［2］基于轉輪式能量回收裝置的傳熱機理建立數學模型，為轉輪式能量回收裝置的結構改進和效率計算提供了依據.Michael［3］提出一種用于計算板式空氣-空氣熱交換器效率的數學模型，闡述了熱交換效率與總傳熱系數、氣體流動形式和兩側氣體流量比之間的關系.Nguyen等［4］提出一種熱泵式能量回收裝置，以空調排風為冷（熱）源，利用熱泵處理新風.周峰［5］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.Bennett等［6］將中間熱媒式能量回收系統的初投資、運行維護費用和年節省費用整合，得出全生命周期費用計算公式，并通過計算機程序對參數進行優化.劉娣等［7］設計了一種分離式熱管能量回收樣機，實驗得出能量回收效率與室內外溫度之間的關系.

整體式能量回收裝置的回收效率較高，當新、排風管道距離較近時宜采用整體式裝置.當新、排風管道距離較遠時，宜采用分體式裝置，其中中間熱媒式以泵為驅動力、以水為中間介質傳輸新排風熱量，但需要考慮冬季防凍措施，同時中間熱媒式利用顯熱進行換熱，泵功消耗較大、經濟性差；回路熱管式以低沸點介質為工質，屬于相變換熱，冬季無需防凍，但由于沒有機械動力，蒸發器與冷凝器間需要一定的高度差，系統布置有限制，無法適應復雜大型的能量回收場所.本文針對中間熱媒式和回路熱管式的局限性，提出當空調系統的新、排風道距離較遠時，將泵驅動回路熱管技術應用于公共建筑進行排風能量回收.該裝置屬于相變換熱，且由工質泵提供動力，泵功率較小，冬季無需防凍，系統布置靈活，能夠適應復雜大型的能量回收場所.

目前，有研究者將泵驅動回路熱管系統應用于數據中心自然冷卻，替代傳統的空調系統，達到節能的目的［8-9］.該類研究均為利用室外自然冷源為室內環境降溫冷卻，要求室內空氣溫度高于室外空氣溫度機組才能運行.為使泵驅動回路熱管技術滿足公共建筑排風能量回收的要求，在夏季和冬季工況均能夠利用排風能量降低新風負荷，本研究對泵驅動回路熱管系統加以改進，可使系統工質能夠沿正反2個方向循環，以適應夏季和冬季工況轉換的要求，同時搭建了泵驅動回路熱管能量回收裝置的性能測試系統，對其工作特性進行研究.

1　泵驅動回路熱管能量回收裝置

傳統的回路熱管是對單根熱管的變形，以重力和毛細力為驅動力，由于缺乏機械動力，在管路布置比較復雜的情況下難以正常啟動.泵驅動回路熱管系統在傳統回路熱管系統的基礎上加裝工質泵，用于克服系統阻力，為工質循環提供動力，能夠適應管路布置復雜的換熱場所.

泵驅動回路熱管能量回收裝置的工作原理如圖1所示.系統主要由工質泵、儲液罐、新風換熱器及風機、排風換熱器及風機、截止閥1～4及其連接管路組成.

通過控制截止閥1～4的開閉，系統可以實現2種運行模式.

1.1夏季運行模式

該裝置按夏季運行模式工作時，截止閥1、2開，3、4關，工質的循環方向為儲液罐→工質泵→新風換熱器→排風換熱器→儲液罐.其工作過程如下:儲液罐內的飽和液態工質進入工質泵入口；經泵的絕熱增壓過程在泵出口達到過冷狀態；從泵出口到新風換熱器入口，工質由于管路的流動阻力產生一定的壓降；工質在新風換熱器中吸熱由過冷狀態達到飽和狀態，繼續吸熱產生相變變為氣液2相狀態；工質從新風換熱器出口到排風換熱器入口，壓力繼續降低；在排風換熱器內兩相狀態的工質放出熱量冷凝為液態，經排風換熱器出口流回儲液罐，完成一個循環.如此周而復始，將排風的冷量不斷轉移到新風，達到回收排風中的冷量為新風預冷、降低處理新風的能耗的目的.

1.2冬季運行模式

該裝置按冬季運行模式工作時，截止閥3、4開，1、2關，工質的循環方向為儲液罐→工質泵→排風換熱器→新風換熱器→儲液罐.其工作過程與夏季運行模式相類似，區別在于工質進出兩換熱器的順序.在冬季運行模式下能夠將排風的熱量不斷轉移到新風，達到回收排風中的熱量為新風預熱、降低處理新風的能耗的目的.

2　實驗系統及性能測試

實驗在焓差實驗室中進行，由焓差室提供恒溫恒濕的環境條件，泵驅動回路熱管能量回收裝置實驗系統的布置如圖2所示.它主要由2個測試室（室內測試室和室外測試室）、被測裝置、空氣再處理系統、風量測試裝置以及計算機測控系統等組成.由室內測試室模擬室內環境，提供排風空氣條件；由室外測試室模擬室外環境，提供新風空氣條件.排風換熱器安裝在室內測試室，新風換熱器、儲液罐和工質泵等其余部件安裝在室外測試室.工質泵選用自吸式磁力泵.新風換熱器和排風換熱器為相同結構參數的翅片管換熱器，且放置于同一水平高度.新風換熱器和排風換熱器的風機為軸流風機.

在本實驗中，能量回收裝置的性能主要由3項性能參數來衡量，分別是換熱量Q、溫度效率η和性能系數（coefficient of performance，COP）.

換熱量為

式中:Q為換熱量，kW；mea為排風換熱器空氣質量流量，kg/s；hea，in為排風換熱器進口空氣焓值，kJ/ kg；hea，out為排風換熱器出口空氣焓值，kJ/kg.

溫度效率為

式中:η為溫度效率，%；Tea，in為排風換熱器進口空氣溫度，℃；Tea，out為排風換熱器出口空氣溫度，℃；Toa，in為新風換熱器進口空氣溫度，℃.

式中:COP為性能系數；Wpump為工質泵功率，kW；Weafan為排風換熱器功率，kW；Woafan為新風換熱器功率，kW.

在新風進口處、排風進口處和排風出口處分別設置干、濕球溫度傳感器，進而計算出空氣焓值以及裝置的溫度效率.通過壓力變送器和壓差變送器使得靜壓箱內壓力與大氣壓力保持一致.通過壓差變送器測量噴嘴前后壓差，進而計算出排風換熱器的風量，由焓差和風量可計算出裝置的換熱量.通過數字功率計測量工質泵、新風換熱器風機和排風換熱器風機的功率，由換熱量和功率可計算出裝置的

性能系數為性能系數.通過PID控制器維持穩定的工況.通過數據采集器采集溫度、濕度、壓力、壓差和電量等信息.相關測試儀器的規格參數如表1所示.采用標準不確定度的B類評定方法，計算出換熱量、溫度效率和性能系數的最大相對不確定度分別為3.32%、2.41%和3.63%.

3　實驗結果與討論

按GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》第3目“室內空氣設計參數”與附錄A“室外空氣計算參數”中的數據［10］，夏季和冬季各選擇4個典型城市，測試夏季和冬季共8個工況，各個工況的室內外空氣參數如表2所示.表2中室內外溫差的定義為室內干球溫度與室外干球溫度之差，取正值.夏季4個工況的室內外溫差分別為3.4、5.5、7.5、9.5℃，冬季4個工況的室內外溫差分別為16.8、21.1、26.1、31.9℃.

本實驗以目前主流工質R22為比較對象，要求替代工質在物化性質及安全性上接近R22，又能在傳熱特性及環保特性上優于R22.最終選擇3種工質來測試泵驅動回路熱管能量回收裝置的性能，分別是R22、R32和R152a.工質充注量的計算遵循2條基本原則［11］:

1）保證在管路中全部為液體的條件下儲液罐仍然有液體剩余以保證其氣液2相狀態.

2）確保管路全部為氣體時儲液器能夠容納所有工質，且有一定的氣體存在，以保證其中工質溫度為飽和溫度.

由質量守恒

表1　測試儀器的規格參數Table 1 Parameters of the instruments

表2　室內外空氣參數Table 2 Parameters of indoor and outdoor air

式中:mmin為工質最小充注量，kg；mL為液態工質質量，kg；mv為氣態工質質量，kg；Vloop為管路容積，m3；ρL為液態工質密度，kg/m3；Vacu為儲液罐容積，m3；ρv為氣態工質密度，kg/m3；mmax為工質最大充注量，kg.

根據式（4）（5）結合實驗系統的幾何尺寸，得出R22充注量為19.9～22.5 kg，R32充注量為15.4～18.3 kg，R152a充注量為14.4～16.7 kg.由于裝置中設有儲液罐，只要保證工質按上述范圍充注，則工質充注量對系統性能影響不大.最終3種工質均按最小充注量充注，即R22充注19.9 kg，R32充注15.4 kg，R152a充注14.4 kg.

工質泵、新風換熱器風機和排風換熱器風機均配有變頻器，通過變頻器可以改變工質泵及風機的運行頻率，從而改變工質的質量流量及換熱器的迎面風速.若工質泵的運行頻率過低，工質的質量流量過小，工質在換熱器內相變時的氣化率過大，不利于換熱，同時裝置運行不穩定；若工質泵的運行頻率過高，工質的質量流量過大，工質在換熱器內相變時的氣化率過低，換熱不充分，同時工質泵的消耗功率增加，裝置的性能系數下降.本實驗測試過程中，新風換熱器和排風換熱器的迎面風速和風量保持相等.若風機的運行頻率過低，換熱器的迎面風速過低，裝置的換熱量不足；若風機的運行頻率過高，換熱器的迎面風速過高，裝置的溫度效率下降明顯，同時風機的耗功增加，裝置的性能系數下降.故測試不同室內外溫差和不同工質對能量回收裝置性能的影響時，通過變頻器使得工質的質量流量保持在250 kg/h，新風換熱器和排風換熱器的迎面風速保持在1.8 m/s.

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夏季工況下，室內外溫差和工質種類對能量回收裝置性能的影響如圖3所示.冬季工況下，室內外溫差和工質種類對能量回收裝置性能的影響如圖4所示.

圖3（a）給出了夏季工況下，使用不同的工質，裝置換熱量隨室內外溫差變化的關系.從圖中可以看出，隨著溫差的增大，裝置的換熱量顯著增大，以R32為例，ΔT=3.4℃時換熱量為2.08 kW，ΔT= 9.5℃時換熱量達到4.87 kW，其原因主要是由于室內外溫差增大，換熱器的換熱溫差隨之增大，工質在換熱器內的氣化率提高，換熱器內相變換熱的比例增大，導致換熱量增大.以R32為工質時，在不同溫差下裝置的換熱量均高于R22和R152a.

圖3（b）給出了夏季工況下，使用不同的工質，裝置溫度效率隨室內外溫差變化的關系.從圖中可以看出，隨著溫差的增大，裝置的溫度效率呈下降的趨勢，以 R32為例，ΔT=3.4℃時溫度效率為63.1%，ΔT=9.5℃時溫度效率降到49.2%，其原因主要是排風進、出口空氣溫差與室內外溫差均增加，但排風進、出口空氣溫差增加的速度低于室內外溫差增加的速度.以R32為工質時，在不同溫差下裝置的溫度效率均高于R22和R152a.

圖3（c）給出了夏季工況下，使用不同的工質，裝置性能系數隨室內外溫差變化的關系.從圖中可以看出，隨著溫差的增大，裝置的性能系數呈上升的趨勢，以R32為例，ΔT=3.4℃時性能系數為4.87，ΔT=9.5℃時性能系數達11.07，其原因主要是實驗過程中工質的質量流量和新、排風換熱器的迎面風速保持不變，工質泵與新、排風換熱器風機的運行頻率和功耗基本保持不變，裝置的總功耗基本保持不變，性能系數的變化趨勢與換熱量的變化趨勢相一致.以R32為工質時，在不同溫差下裝置的性能系數均高于R22和R152a.

圖4（a）給出了冬季工況下，使用不同的工質，裝置換熱量隨室內外溫差變化的關系.從圖中可以看出，隨著溫差的增大，裝置的換熱量顯著增大，以R32為例，ΔT=16.8℃時換熱量為6.49 kW，ΔT= 31.9℃時換熱量達到11.87 kW，其原因主要是由于室內外溫差增大，換熱器的換熱溫差隨之增大，工質在換熱器內的氣化率提高，換熱器內相變換熱的比例增大，導致換熱量增大.使用3種不同的工質，在不同溫差下裝置的換熱量差別不大.

圖4（b）給出了冬季工況下，使用不同的工質，裝置溫度效率隨室內外溫差變化的關系.從圖中可以看出，隨著溫差的增大，裝置的溫度效率基本保持不變，以R32為例，ΔT=16.8、21.1、26.1、31.9℃時溫度效率分別為33.2%、33.8%、33.5%和33.6%，其原因主要是排風進、出口空氣溫差與室內外溫差均增加，且二者的增速相當.以R32為工質時，在不同溫差下裝置的溫度效率最高，R22和R152a差別不大.

4　結論

為回收公共建筑空調系統排風能量，設計出一種泵驅動回路熱管能量回收裝置，該能量回收裝置在夏季和冬季2種運行模式下均能夠穩定運行，通過搭建實驗臺進行性能測試，得到以下結論:

1）裝置的換熱量與性能系數隨室內外溫差增大而提高，以R32為工質，夏季工況9.5℃溫差時換熱量為4.87 kW，性能系數為11.07，冬季工況31.9℃溫差時換熱量為11.87 kW，性能系數為23.82，具有很好的節能效果.

2）夏季工況下裝置的溫度效率隨室內外溫差增大而減小，冬季工況下裝置的溫度效率隨室內外溫差增大幾乎不變.

3）夏季工況下以R32為工質時裝置的性能明顯優于R22和R152a，冬季工況下使用3種不同工質時裝置性能的差距不大，R32略好于 R22和R152a.

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（責任編輯 楊開英）

Operating Characteristics of a Pump-driven Loop Heat Pipe Energy Recovery Device

MA Guoyuan，DUAN Wei，ZHOU Feng
（College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

A pump-driven loop heat pipe energy recovery device was proposed to reduce the energy consumption of fresh air handling in public buildings through energy recovery from exhaust air.An experimental setup was built to investigate the energy recovery device operating characteristics for 3 working fluids under 8 working conditions.The influence of working fluid and working condition on heat transfer rate，temperature efficiency and coefficient of performance（COP）of the device was studied. Results show that the device can meet the energy recovery requirements in public buildings with obvious energy saving.The heat transfer rate and COP increase with the temperature difference between indoor and outdoor air while the temperature efficiency decreases.The COP under the summer and winter conditions can reach up to 11.07 and 23.82，respectively.The performance of the device using R32 as working fluid is better than that of R22 and R152a.

pump-driven loop heat pipe；energy recovery；heat transfer rate；temperature efficiency；coefficient of performance（COP）

TU 831.6

A

0254-0037（2016）07-1095-07

10.11936/bjutxb2015120007

2015-12-03

國家自然科學基金資助項目（51376010，51406002）；北京市自然科學基金資助項目（3154031）

馬國遠（1963—），男，教授，博士生導師，主要從事制冷與空調系統的環保節能技術方面的研究，E-mail:magy@ bjut.edu.cn