熱管間距對(duì)空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)的影響實(shí)驗(yàn)研究

(西安科技大學(xué)能源學(xué)院 陜西 西安 710054)

一、引言

熱管具有良好的導(dǎo)熱性、等溫性、可任意改變的傳熱面積、可遠(yuǎn)距離傳熱、及控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-2]。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)其進(jìn)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(jīng)過(guò)70年的發(fā)展，熱管被用于各個(gè)領(lǐng)域[3]。隨著對(duì)建筑能耗的重視和節(jié)能減排的要求[4-5]，熱管用于供暖也備受關(guān)注。Jong Soo Kim將震蕩熱管用于低溫地板輻射供暖系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并與塑料熱管的供熱性能進(jìn)行對(duì)比后，得出了熱管系統(tǒng)的性能系數(shù)要優(yōu)于塑料管的結(jié)論[6]。馬洪亭將水源熱泵與熱管結(jié)合用于低溫地板輻射采暖中，進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了試驗(yàn)工況與水源熱泵的能效比[7]。2004年，羅清海，湯廣發(fā)等人對(duì)熱虹吸管散熱器與普通散熱器進(jìn)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(xué)的張于峰，郝斌等人對(duì)熱管地板輻射供暖系統(tǒng)的熱工特性進(jìn)行了研究[9]。2010年撖文輝研究了采用熱管技術(shù)的地板輻射系統(tǒng)的供暖特性[10]。

目前熱管用于采暖系統(tǒng)的研究大多集中于理論分析、系統(tǒng)匹配和傳統(tǒng)供熱方式性能對(duì)比，但對(duì)細(xì)節(jié)問(wèn)題研究較少，比如熱管間距對(duì)換熱的影響，溫源對(duì)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(tǒng)中熱管間距對(duì)供暖效果的影響。

二、實(shí)驗(yàn)構(gòu)建

(一)熱管-空氣源熱泵輻射采暖系統(tǒng)原理

本次實(shí)驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)由空氣源熱泵、儲(chǔ)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(tǒng)是通過(guò)空氣源熱泵制備恒溫水源，然后通過(guò)熱管將源溫導(dǎo)入室內(nèi)進(jìn)行供熱。其原理如圖1，啟動(dòng)空氣源熱泵機(jī)組，制冷劑在蒸發(fā)器1內(nèi)由相態(tài)變化吸收室外空氣中的熱量，變成低溫低壓的蒸汽，經(jīng)由四通換向閥3進(jìn)入壓縮機(jī)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(jìn)入冷凝器5與儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的熱水進(jìn)行換熱，換熱后冷媒變成高溫高壓的液體流經(jīng)膨脹閥4后變回低溫低壓的液體，依次重復(fù)循環(huán)。而經(jīng)過(guò)冷凝器后儲(chǔ)熱水箱7內(nèi)的水不斷的被加熱，循環(huán)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(shí)產(chǎn)生的熱量損失較少，并且能夠?qū)崃坎粩嗟膫鬟f到混凝土板塊8上實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fā)器 2壓縮機(jī) 3四通換向閥 4膨脹閥 5冷凝器 6水泵 7儲(chǔ)熱水箱 8供暖地板 9熱管

(二)實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)研究不同熱管間距對(duì)復(fù)合系統(tǒng)供暖的影響。用空氣源熱泵制備45℃的恒溫?zé)崴謩e對(duì)由熱管間距為10、15和20cm制備的地板輻射采暖系統(tǒng)的末端——混凝土板塊供熱，并采用32通路的數(shù)據(jù)采集儀，使用銅-康銅熱電偶，共設(shè)置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中5個(gè)測(cè)點(diǎn)用于測(cè)量地板表面的溫度，4個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量房間模型內(nèi)溫度，其測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2所示，在測(cè)量過(guò)程中每間隔10min記錄一次，直至溫度變化趨于穩(wěn)定。最后并比較分析3種管間距的供暖效果。

圖2 溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

三、三種熱管間距供暖效果對(duì)比分析

(一)三種熱管間距供暖效果對(duì)比

(a) 混凝土表面溫度對(duì)比

(b) 房間模型內(nèi)溫度對(duì)比

圖3是空氣源熱泵制備45℃溫源分別對(duì)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(jiān)測(cè)圖。從圖(a)可知，三種方案的變化情況具有相似性，隨著時(shí)間的增加，溫度升高直至穩(wěn)定。對(duì)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?yàn)楣荛g距較小，使得熱量在熱管間形成堆積效應(yīng)，溫度傳導(dǎo)不均；管間距20cm和管間距15cm的穩(wěn)定溫度雖然僅差0.6℃，但其整個(gè)溫度變化過(guò)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(nèi)溫度在加熱時(shí)間20min左右時(shí)存在相同的溫度，加熱20min之后管間距20cm的房間模型內(nèi)溫度增長(zhǎng)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(nèi)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(nèi)溫度曲線(xiàn)最先變平穩(wěn)，可知管間距15cm房間模型內(nèi)溫度最先進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，并在最終溫度穩(wěn)定階段與管間距20cm的房間模型溫度達(dá)到吻合狀態(tài)，但就整個(gè)傳熱過(guò)程來(lái)看，管間距15cm的還是優(yōu)于管間距為20cm的方案。

(二)三種管間距供暖測(cè)點(diǎn)溫度方差對(duì)比

圖4是三種管間距方案在整個(gè)加熱過(guò)程中混凝土板塊和房間模型內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度的方差隨著加熱時(shí)間的對(duì)比圖。從圖(a)中可以看出管間距10cm的曲線(xiàn)在加熱時(shí)間60min以后大幅度增加明顯高于其他兩組方案，并最終穩(wěn)定在相對(duì)較大的方差值，說(shuō)明管間距10cm在加熱時(shí)間60min以后混凝土板塊表面測(cè)點(diǎn)溫度開(kāi)始出現(xiàn)差異，并隨加熱時(shí)間的增加混凝土板塊上測(cè)點(diǎn)溫度分布均勻差異性逐漸增大，甚至在溫度穩(wěn)定后這種差異也沒(méi)有減弱；在加熱時(shí)間0-70min，管間距15cm混凝土板塊測(cè)點(diǎn)溫度方差和管間距20cm混凝土板塊測(cè)點(diǎn)溫度方差變化趨勢(shì)基本相似，并且都處于相對(duì)較小的變化中，在加熱時(shí)間70min以后管間距20cm的混凝土板塊測(cè)定溫度方差開(kāi)始大于管間距15cm的混凝土板塊測(cè)定溫度方差，在最終溫度穩(wěn)定后管間距20cm混凝土板塊各測(cè)定溫度方差仍高于管間距15cm的方差。從圖(b)中可知，在開(kāi)始加熱40min時(shí)間內(nèi)，三種管間距方案的房間模型內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度方差變化較小，都處于相對(duì)均勻階段；加熱時(shí)間40min以后，管間距10cm和20cm的房間模型內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度方差高于管間距15cm的對(duì)應(yīng)測(cè)量時(shí)間點(diǎn)的方差，由此可以得知，隨著加熱時(shí)間的增加，房間模型內(nèi)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(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度方差在整個(gè)加熱過(guò)程中一直處于較為平穩(wěn)的變化且處于相對(duì)較小值，可見(jiàn)房間模型內(nèi)溫度分布較為均勻。

(a) 混凝土表面測(cè)點(diǎn)溫度方差對(duì)比

(b) 房間模型內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度方差對(duì)比

四、誤差分析

本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要有以下幾個(gè)方面的誤差需要考慮。

(1)系統(tǒng)的供回水在管道和水箱內(nèi)的熱量散失問(wèn)題，雖都進(jìn)行了保溫處理，但較冷的環(huán)境中其熱量損失是不可忽略的。

(2)在制作混凝土板塊時(shí)水泥和沙子的比例很難精確滿(mǎn)足配比規(guī)范，導(dǎo)致傳熱系數(shù)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(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)造成誤差。

五、結(jié)論

綜合對(duì)比以上研究，得出熱管可以用于空氣源熱泵輻射采暖系統(tǒng)中，且管間距對(duì)供暖效果有影響。在相同低溫?zé)嵩垂嵯拢_(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，對(duì)三種管間距方案的混凝土表面溫度、房間模型內(nèi)溫度和溫度分布均勻性對(duì)比分析，得出管間距為15cm時(shí)，供暖效果最好。在實(shí)際應(yīng)用中，熱管間距要根據(jù)復(fù)合供暖系統(tǒng)末端的尺寸進(jìn)行合理設(shè)置，太大或太小都會(huì)影響其供暖效果。