熱管換熱器在空調系統應用中的節能經濟性分析

王晶晶

(上海創智天地發展有限公司，上海 200433)

隨著我國空調普及率的逐年提高，其能耗不斷增加，建筑能耗在總能耗中所占比重越來越大。目前中國每年竣工建筑面積約為20億m2，其中公共建筑約有4億m2。在公共建筑的全年能耗中，大約50%～60%消耗于空調制冷與采暖系統，而在空調采暖這部分能耗中，大約20%～50%由外圍護結構傳熱所消耗(夏熱冬暖地區大約20%，夏熱冬冷地區大約35%，寒冷地區大約40%，嚴寒地區大約50%)。從目前情況分析，這些建筑在圍護結構、采暖空調系統以及照明方面，共有節能50%的潛力。其中采暖空調節能潛力最大，在暖通空調設計方面加以控制就能夠有效的節約能源。因此降低空調系統的能耗對降低建筑物耗能、節約能源有重要意義。本文通過對熱管換熱器在空調熱回收系統應用中的技術經濟性分析，明確了熱管換熱器在空調節能方面的關鍵性作用。

1 熱管換熱器介紹

熱管是一種依靠自身內部工作液體相變來實現傳熱的高效傳熱元件，一般由管殼、吸液芯和端蓋組成。典型的熱管構成要先將管密閉，抽成 1.3 ×10－1～1.3 ×10－4的負壓，在此狀態下充入適量的工質。當熱管的一端受熱時管內工質汽化，汽化后的蒸汽向另一端流動，遇冷凝劑向散熱區放出潛熱。冷凝液借毛細力和重力回流至吸熱段，繼續受熱汽化。這樣往復循環將熱量從吸熱段傳遞至散熱段。熱管以其構思巧妙，傳輸溫差小，適用溫度范圍廣，可調控管內熱流密度等眾多優良特性，在能量回收和余熱利用方面顯示出其獨特的作用。與常規換熱技術相比，熱管換熱器具有以下特點:1)傳熱效率高。與銀、銅等金屬相比，單位質量的熱管可以多傳遞幾個數量級的熱量。2)熱管管壁溫度具有可調性。實際使用中可以調整管壁溫度，使冷端溫度低于新風的露點溫度，達到熱回收顯熱和增強去濕、降低潛熱負荷的目的。3)恒溫特性。在熱管中充入惰性氣體，可以在輸入的熱量變化時，改變熱管冷凝的散熱面積從而使加熱端熱源溫度維持恒定。4)適應性強。受熱部分與放熱部分結構設計及位置靈活，可以實現冷熱流之間不接觸。特別適用有毒環境下的熱回收。

2 熱管換熱器與其他常用換熱器的比較

傳統的熱回收裝置為轉輪式換熱器，它是通過排風與新風交替逆向流過轉輪來傳遞熱量。排風由一側的入口吸入，將所含部分冷(熱)量傳遞給轉輪;而新風從另一側吸入，轉輪以15 r/min～20 r/min的轉速旋轉，將積蓄在轉輪上的冷(熱)量傳遞給新風。

在同樣的換熱效率下，與轉輪式換熱器相比，熱管換熱器具有以下優點:1)結構緊湊，安全可靠。轉輪換熱器是由機械動力，通過傳動設備使轉輪轉動來工作的。受到機械設備本身壽命的限制。維修率較高，壽命較短。而熱管換熱器本身不存在運動部件，因此使用壽命較長。并且相對于轉輪換熱器，熱管換熱器體積小，便于安裝。2)節能。轉輪換熱器轉輪轉動需要消耗一定的機械能(電能)，而熱管換熱器是通過工質的汽液態轉換來實行熱交換的，不需要消耗額外的能源。3)無空氣污染。轉輪換熱器在熱交換過程中，新、排風兩種介質通過轉輪交替轉換，不能避免交叉污染。而熱管換熱器新、排風互不接觸，無交叉污染。目前的熱交換器還有顯熱和全熱回收兩種形式。不同形式的性能、效率和利用方式，設備費的高低、維護保養的難易也各不相同，它們的綜合比較如表1所示。

表1 各種換熱器的性能比較

從表1不難看出，熱管式換熱器無論從換熱效率、設備成本和維護、空間占用還是從使用壽命等各方面都具有非常明顯的優勢。因此，熱管換熱器的應用將成為空調熱回收系統的主要發展方向。

3 熱管換熱器的應用分析

3.1 項目概況及設計參數

本工程是位于上海市楊浦區某項目，共計五幢辦公樓及兩層地庫，并與一期地庫互相連通。地下2層主要用作機電用房及機動車庫。地下1層部分用作餐飲和商鋪用途。

根據設計項目共采用5臺熱管式換熱器，作為辦公區部分新風與衛生間排風的熱交換，詳細設計參數見表2。

表2 熱管式換熱器設計參數表

3.2 熱管換熱器使用效果分析

新風經過熱管換熱器處理前后效果見表3，表4。

表3 熱管換熱器處理前后使用效果表(夏季)

表4 熱管換熱器處理前后使用效果表(冬季)

根據表3，表4計算可知，整個建筑夏季全天最高節能948 kW，冬季全天最高節能1 921.5 kW。

3.3 熱管換熱器的經濟性分析

本項目所采用的6排管，12FPI，制冷劑采用R134a的氣對氣式熱管式換熱器市場價約為每臺5萬元(共25萬元)。引用《熱管及熱管換熱器》(重慶大學出版社，1986)的計算公式，表5列出了經濟效益的計算結果。從表5可以看出，盡管采用熱管換熱器的初投資較高，但是由于運行和維護成本為零，而且對于節能方面又有很大的貢獻，投資回報年限僅為2.1年，無論對于投資者還是今后的使用者都是雙贏的，所以在空調熱回收系統中采用熱管換熱器是節能的有效手段。

表5 熱管換熱器經濟效益表

4 結語

由于熱管式換熱器具有高導熱性、恒溫性、可調性、高適應性的特點，而且在余熱回收、節能降耗、減少二氧化碳排放、改善環境等方面所帶來的綜合效益是巨大的，因此在空調節能方面應積極推廣，大力支持，以期待更廣泛的應用。

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