热管技术与建筑节能(Ⅰ)—热管节能应用

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-5 9:14:15 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:热管

热管具备优良的热传导性能、二次间壁换热、热流密度可调节等普通换热设备所不具备的优越性能,因而在工业换热和回收余热等方面获得广泛应用,在冶金、化工、建材、动力等行业有很多成功实例[1,2]。近年来,热管换热技术应用在建筑节能方面的研究可谓方兴未艾,但目前这方面的研究很多都是个案研究,并不具备很强的广泛意义。本文旨在分析建筑能流特征和热管技术在建筑节能中的适用性,并对热管应用的途径和方法进行较系统的分析,为实际应用提供一般意义的方法论指导。

1 建筑废热(冷)能流特征
  建筑能流分析表明,尽管流入建筑的能量有多种,但经过不同途径的能量转换后,最终都将以废气、废水、围护结构散热等形式排出。建筑物废热(冷)排放具有以下特点,这些特点都是与热管换热器的应用相适应的。
  (1)有适当的温度,且热(冷)量较大。进行空调的建筑物,新风置换排出气体的温湿度接近室内温湿度,对于大型建筑物,排气废热(冷)可达总负荷的30%~40%。
  (2)在时间上容易达到平衡。建筑废热排放有一定的周期性,而空调通风排气的废热(冷)与处理新风的能源需求在时间上完全同步。
(3)废热排放和热能利用的地点接近。
(4)废热(冷)与所需能源的品位比较接近。 
 (5)利用废热引起的污染和对热交换设备可能引起的腐蚀影响不大,但对工厂及医院手术室的通风空调排气等情况需要考虑此问题。
  目前,建筑废热回收利用的途径大致如图1所示。
2 热管技术在建筑节能中的应用
2.1 自然通风热(冷)回收
对于竖管通风的自然排风系统,目前大多没 有采取热回收措施,因为安装常规换热器后,有可能由于压力损失过大而导致通风失败。热管换热器具备优良的传热性能和灵活的结构形式,能够在竖管风道自然排风系统得到有效利用。试验表明,在风道风速0.5 m/s,热回收效率50%的情形下,其引起的压力损失约为1 Pa[3]
  热管换热器应用在自然排风系统的能源回收时,其整体性能受管外翅片形式、热管排列方式、管排数量、气流速度等多种因素的相互制约。随着风速的提高,其热交换效率降低而阻力增大。对于风道自然排风系统,建议换热器风速不超过1 m/s;平翅片、百叶窗式翅片比锥形、针形翅片换热效果好,而且压力损失小,主要因为前者翅片与管壁接触更充分,而后者则导致气流扰动增强;对于管道风速0.5 m/s时,采用单排平翅片或百叶窗式翅片热管,热交换效率可达40%,双排可接近70%,之后随着热管排数的增加,换热效率提高不大,但压力损失明显增大;热管单元交错排列与矩形排列比较,热交换效率虽略有提高,但压力损失增加则更加显著[4,5]
2.2 集中排风热(冷)回收
  公共建筑规模大,换气量也大,比如医院手术室有时要求换气频率每小时40次以上,而对大型建筑,排气所带走的能量约占总负荷的30%~40%左右,能源回收潜力大。
  通过分离式热管换热器,可利用空调系统排风的能量预处理新风,若新风量按30%计算,可使空调系统节能7%以上;随着冷、热气流温差的增大和新风比的增加,节能效果将更加显著。试验表明,冷、热气流温差只要超过3℃即可回收能量。据此,我国上海、南京等长江中下游地区夏季空调的“冷”回收的时间可达1500 h以上,按气象参数计算,3年内可回收设备的初投资费用[6]
用回收集中排气的废热或废冷来预处理新风,较多采用全热交换器的形式,热管换热器只能回收显热,因此在新风与回风热交换的过程中回收的效率比全热交换器相对较小,但适用范围更大[7]
2.3 住宅空调节能
  在基本不改变空调器现有配置的基础上,加上热管换热装置,组成热管-空调器组合系统,冬季可回收排风热能,减少空调器负荷,达到节能的目的;而在夏季可提高空调系统制冷能力和去湿能力,完全或部分取消再热负荷,提高舒适度[8]。  
这一课题的研究在国内外可谓方兴未艾,研究者们在不同的条件下大多得出了令人鼓舞的结果。Wu等人得到的结果为:系统制冷量提高20%~32.7%,在送风相对湿度<70%的条件下,热管换热器可以替代再热器,在送风相对湿度≥70%的条件下,可能需要辅助再热[9]。Mcfarland等人指出:对于标准为温度22℃、相对湿度50%的房间空调工况,热管-空调器组合系统除湿能力提高62%,再热负荷减少20%,系统潜能效率(Latent energy-efficiency)提高90%;进一步,考虑空调器标准使用寿命可达10a以上,热管-空调器组合系统每年运行1000 h,则可计算出系统附加的热管换热器投资回收年限(Simple payback peri-od)为4a,因而在经济上也是完全可行的[10]
  热管-空调器组合系统的系统优化设计和优化运行很重要[11]。此外,气流阻力有所增加,需要适当增加空调器风机压头,设备成本、总体尺寸都有所加大。
2.4 在太阳能工程中的应用
  热管本身所具有的诸多特点,如均温性、热流密度可以变化、热二极管特性等,使其在太阳能工程的应用中具有极为广泛的前景。
2.4.1 太阳能热水器
  真空管热管集热器具有防干烧、防冻裂、防止热流逆向传递引起的热损失等特点,使得太阳能热水器在广泛的气候区域得以应用,热管型集热器成为太阳能集热的一种重要形式。据统计[12],截至2000年底,我国年产销太阳能热水器610万m2,产值达50亿人民币,现有太阳能热水器保有量超过2600万m2,是世界上最大的产销大国。
  对于热管型太阳能热水器,建议主要从这几个方面来提高热水器的效率[13~16]
  ①确定最佳集热管节距,兼顾系统成本、效率 之间的技术经济平衡;
  ②采取太阳辐射强度和水温或温差相结合的控制策略,并确定相应的最佳控制参数;
  ③确定适当的水箱高径比、水箱容积与集热器面积比等结构参数,确定最佳循环速率等运行参数,维持水箱内部的温度梯度,尽可能首先取用高温水层;
  ④对于真空管热管型热水器,适当加长热管冷凝段的相对长度,或采用环型冷凝段末段等结构形式,增大冷凝段的传热面积,可以强化热管冷凝段与水箱之间的传热。
  通过这些改进措施,可以提高热水器的整体效率20%以上。
  太阳能热水供应的另一种有效形式是太阳能辅助热泵热水器[17],可以全天候应用。
2.4.2 太阳能空调
  太阳能空调系统的诱人之处在于越是太阳能辐射强烈的时候,环境气温越高,此时太阳能空调的制冷能力就越强,这是人和自然和谐的理想境界。
  由于技术、成本等原因,太阳能空调一般采用吸收式制冷和吸附式制冷技术。目前存在的问题是设备体系比较庞大,投资成本比较高,其性能受到气候因素的制约。但真空管热管技术已比较成熟,可以将太阳能集热器的工作温度从70℃提高到120℃,大大提高集热器的热性能,为太阳能空调提供更好的技术基础,太阳能空调前景诱人。
  山东省乳山市建成了太阳能吸收式空调及供热综合系统[18]。该系统采用热管式真空集热管2160支,总采光面积540 m2,总吸热体面积364m2,供冷、供热功率100 kW,空调、采暖建筑面积1000 m2,供生活用热水量32 m3/d。测试结果表明:太阳能集热器的平均日效率夏季空调时超过40%,冬季采暖时可达35%,过渡季节提供生活热水时可达50%以上;溴化锂吸收式制冷机的COP值可达0.70,整个系统的制冷效率可达20%以上。另外,该系统通过辅助锅炉,可以全天候运行。
  上海交通大学研制的太阳能吸附式制冰机样机,每平方米太阳能集热器每天可产冰5~7 kg; 1998年提出了一种太阳能吸附式供热与制冷联合循环的复合机装置,利用2 m2的太阳能集热器,每天可产90℃的热水60 kg,制冰5 kg[19]
2.5 热管供热系统
  近年来,一些热管式散热器陆续出现,并成为散热器开发的一个热点。
  分别以氟里昂11、水、甲醇丙酮为热管工质进行测试表明,以甲醇或丙酮为热管工质的散热器综合性能最佳[20]
  对比普通水热媒散热器,热管散热器有以下优点:
  ①表面温度均匀,Jebrail等人实验表明:对于90℃和72℃的热媒水,普通散热器不同表面点之间的最大温差分别为16.1℃和12.2℃;而同样表面积的热管散热器,以甲醇为热管工质时最大温差分别为2.87℃和5.68℃,以丙酮为热管工质时最大温差分别为0.25℃和2.10℃;
  ②没有普通散热器容易出现的氧化腐蚀问题;
  ③所需热媒量大为减少,可大为节省输送动力消耗,简化输送管路系统;
  ④系统简单轻便,不受水压力制约,安装方便。
  热管散热器用于集中供热系统时,也有一些实际的工程问题有待进一步完善:
  ①热管散热器属于二次换热,其传热能力主要取决于热媒管内的传热热阻,强化热媒与热管工质之间的换热是提高效率的关键,对比普通水热媒散热器,传热系数略低;
  ②热管从启动到稳定工作,管内产生从负压到正压的大跨度压力变化,停止工作时,管壳内需要维持一定的负压,因此生产工艺要求较普通散热器高;
  ③热管工质的沸点、饱和压力、毒性、可燃性、与壳体材料的相容性、热传输因子等热物理性质和参数对热管散热器的性能和实际适用性起着决定性作用,须要慎重考虑。
2.6 热管节能技术新探索
2.6.1 地热资源的开发
  我国地热资源丰富,近几年发展最快的是中、低温地热利用,如采暖、沐浴、医疗、旅游、种养业等。全国地热采暖已发展到800万m2,其中天津市达到500万m2,随着对环境的重视,北京地区也在加强地热利用的规划[12]
  招玉春对太阳能及热管在温室中的应用所作的经济分析认为:农业温室中,燃料成本占总成本 20%~32.2%,采用热管技术,利用太阳能和地热可以大大降低农业温室的运行和管理成本,提高经济效益[21]
2.6.2 热管/喷射式制冷
  Riffat等人提出了一种新型的热管/喷射式制冷模型[22]。该系统制冷性能COP值可与吸收式制冷媲美,而且结构非常紧凑,可有效利用太阳能和其他形式的80℃左右的低品位废热。以甲醇为工质时,系统性能明显高于用水为工质;当发生温度80℃,蒸发温度5℃,冷凝温度35℃时,前者比后者高70%;以甲醇为工质,冷凝段以35℃空气被动冷却时,单级喷射系统COP值为0.7,双级系统可进一步提高性能;冷凝温度对系统性能的影响,要大于发生温度和蒸发温度对其的影响,因此,应着重考虑冷凝段的强化传热。
2.6.3 低品位工业废热利用
  在有稳定的低品位工业废热的情形下,采用热管技术利用工业废热作为吸收式制冷的热源,达到提高能源利用率,减少环境污染的目的[23]
2.6.4 在食品加工中的应用
  在食品加工中,利用插入式热管可大为缩短食品冷冻和解冻所需要的时间,减少食品表面水分蒸发,从而减少能耗,保持食品质地均匀,减少细菌污染[24]

3 结 论
  (1)建筑能流分析表明,能源回收潜力很大,热管换热技术适合于建筑能源回收和节能;热管换热器具有效率高、结构紧凑、形式多样、布置灵活、适用性强等优越性。
  (2)在用回收集中排气的废热或废冷来预处理新风时,与全热交换器比较,热管换热器热交换效率略低,压力损失略高,但温度适用范围大,不存在交叉污染;在竖管风道自然排风系统中,热管换热器具有比普通换热器压力损失小、换热效率高的优越性;热管换热器与房间空调器结合,可提高系统的空气处理能力,节省系统能耗,提高舒适度,但需要适当提高风机压头。
  (3)热管技术在太阳能、地热能以及其他形式低品位废热利用中优势越来越受到重视,太阳能热水器已广泛使用,相信太阳能空调的实用化和普及也将为期不远。
(4)热管散热器具有表面温度均匀、节省金属
耗量、减少热媒量、防氧化腐蚀、安装便利等优势,但同时也存在一些实际性的工程问题有待进一步完善。
  (5)热管换热技术应用于建筑能源回收和节能,许多工程问题还有待系统和深入研究,其经济性也有待更多的实际工程检验。

 



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