泵驅動回路熱管式能量回收系統的模擬分析與研究

宋文博 馬國遠 劉帥領

摘 要：為有效回收空調系統排風攜帶的能量以降低新風負荷，對氣泵驅動回路熱管系統和液泵驅動回路熱管系統應用于排風熱回收進行模擬計算，定量分析了系統在夏、冬季不同室內外溫差運行工況下的換熱量、溫度效率和COP。分析結果表明，在夏、冬季工況下，兩種系統具有顯著的能量回收效果，換熱量隨著室內外溫差的增大而增大，在小溫差工況下，氣泵驅動回路熱管性能優于液泵驅動回路熱管，而在大溫差工況下，液泵驅動回路熱管則更具優勢。

關鍵詞：建筑節能;模擬;熱工性能;能量回收裝置

0 引言

利用有效的能量回收裝置從排風所帶走的能量（熱量、冷量）中回收部分能量處理新風，可以節約本來由制冷或制熱機組承擔的新風負荷，降低空調系統能耗，這是空調系統節能的一項有效措施[1]。

泵驅動回路熱管式能量回收裝置利用相變換熱，具有非常好的傳熱能力，其驅動方式有兩種，分別是由液相管路上的液泵驅動和由氣相管路上的氣泵驅動。張雙等[2-3]設計了一種用于數據中心自然冷卻的液泵驅動回路熱管機組，實驗得出機組換熱量與室內外溫差呈近似線性關系，當溫差為18 ℃時，COP達10.41，節能效果顯著。馬國遠等[4]設計出一種泵驅動回路熱管能量回收裝置，實驗探究了系統的工作特性和影響裝置性能的因素，結果表明，該裝置夏季運行工況的性能系數可達11.07，冬季運行工況的性能系數可達23.82。

本文采用編程迭代計算方法建立氣泵驅動回路熱管系統和液泵驅動回路熱管系統的數學模型，計算分析兩種能量回收系統在夏、冬季運行工況下的換熱特性，對比得出兩種系統各自適用的工況條件。

1 系統工作原理及理論模型

1.1 ? ?氣泵驅動回路熱管系統工作原理

氣泵驅動回路熱管系統主要由新風換熱器、排風換熱器、氣液分離器、氣泵、四通換向閥、風機及其連接管路組成，圖1為氣泵驅動回路熱管系統原理圖，循環工質為R22。夏季工況下，氣態制冷劑離開氣泵出口后進入排風換熱器冷凝放熱，吸收室內排風中的冷量，之后進入新風換熱器氣化吸熱，從而對室外新風進行預冷。冬季工況下，通過調節四通換向閥，制冷劑先進入新風換熱器中冷凝放熱，預熱室外新風，再進入排風換熱器中氣化吸熱，吸收室內排風的熱量。

1.2 ? ?液泵驅動回路熱管系統工作原理

液泵驅動回路熱管系統主要由新風換熱器、排風換熱器、液泵、儲液罐、分液器、電動三通閥及其連接管路組成，圖2為液泵驅動回路熱管系統原理圖，循環工質為R22。夏季工況下，儲液罐內的飽和液態制冷劑進入液泵入口，經絕熱增壓后進入過冷狀態;通過連接管路進入新風換熱器蒸發吸熱，逐漸變為氣液兩相態，從而對室外新風進行預冷，之后進入排風換熱器冷凝放熱，吸收室內排風中的冷量。冬季工況下，過冷狀態的制冷劑離開液泵出口后先進入排風換熱器蒸發吸熱，吸收室內排風中的熱量，再進入新風換熱器對室外新風進行預熱。

1.3 ? ?泵模型

泵主要為工質提供循環動力，本模型中假設工質在氣泵中進行絕熱壓縮，工質在氣泵入口和出口處的熵值相等，并假設工質在液泵內進行等溫壓縮，忽略泵對工質換熱的影響。

1.4 ? ?蒸發器模型

2 數據對比與分析

文獻[6]中對液泵驅動回路熱管能量回收裝置進行了試驗研究，得出液泵驅動回路熱管系統在夏、冬季工況運行的換熱特性，本文將試驗數據與模擬計算結果進行對比，結果如圖3所示。

由圖3可知，模擬計算值與試驗值偏差小于10%，說明模型與實際相符。

3 模擬結果與分析

3.1 ? ?夏季工況

圖4對比了兩種系統在夏季工況下系統換熱量隨室內外溫差變化的情況。結果顯示，兩種系統的換熱量在4～16 ℃的室內外溫差范圍內均隨著溫差的升高而增大。在同一室內外溫差工況下，氣泵驅動回路的換熱量始終高于液泵驅動回路，原因是在小溫差工況下，兩種系統的換熱器內制冷劑均不能完全相變，而氣泵驅動回路熱管系統的換熱器內制冷劑的平均氣化率高于液泵驅動回路熱管系統，管內制冷劑的換熱系數更高，更有利于系統換熱。

圖5對比了兩種系統在夏季工況下系統的溫度效率隨室內外溫差變化的情況。結果表明，氣泵驅動回路的溫度效率隨著溫差的升高而降低，而液泵驅動回路的溫度效率隨著溫差的升高先降低，之后趨于穩定。

圖6對比了兩種系統在夏季工況下系統的COP隨室內外溫差變化的情況。結果表明，兩種系統的COP均隨著溫差的升高而增大。溫差小于13 ℃時，氣泵驅動回路的COP高于液泵驅動回路，溫差大于13 ℃時，液泵驅動回路的COP超過氣泵驅動回路，原因是液泵的功耗較氣泵更小，在大溫差工況下，液泵驅動回路的性能系數提升更快。

3.2 ? ?冬季工況

圖7對比了兩種系統在冬季工況下系統的換熱量隨室內外溫差變化的情況。結果顯示，兩種系統的換熱量在4～32 ℃的室內外溫差范圍內均隨著溫差的升高而增大，但氣泵驅動回路在20 ℃溫差后換熱量的增速減緩，在25 ℃溫差時兩種系統的換熱量均達到9.35 kW，之后液泵驅動回路的換熱量超過氣泵驅動回路。其原因是隨著室內外溫差的升高，氣泵驅動回路冷凝器出口處的制冷劑氣化率逐漸降低，直至完全發生相變，而進入過冷狀態的制冷劑不能及時送走，工質在換熱器進出口處的焓差增長緩慢，同時氣泵入口處工質密度隨著溫差的上升而降低，系統工質質量流量下降，導致系統換熱量難以得到顯著提升，而液泵驅動回路靠液泵提供循環動力，系統的工質質量流量較為穩定，在大溫差工況下系統性能仍能隨著溫差增大而顯著提升。

圖8對比了兩種系統在冬季工況下系統的溫度效率隨室內外溫差變化的情況。結果表明，氣泵驅動回路的溫度效率隨著溫差的升高而迅速降低，而液泵驅動回路的溫度效率隨著溫差的升高而緩慢上升。

圖9對比了兩種系統在冬季工況下系統的COP隨室內外溫差變化的情況。結果表明，兩種系統的COP均隨著溫差的升高而增大。在小溫差工況下，氣泵驅動回路的系統COP高于液泵驅動回路，但在大溫差工況下，隨著溫差增大，氣泵驅動回路COP增長緩慢，而工質泵的功耗更低，在15 ℃溫差之后，液泵驅動回路的COP超過氣泵驅動回路。

4 結論

本文建立了氣泵驅動回路熱管能量回收裝置和液泵驅動回路熱管能量回收裝置應用于排風熱回收的數學模型，對兩種系統在夏、冬季不同室內外溫差運行工況下工作的性能進行了對比分析，得出如下結論：

（1）氣泵驅動回路熱管能量回收系統和液泵驅動熱管能量回收系統應用于空調系統排風熱回收具有良好的熱回收效果。

（2）氣泵驅動回路與液泵驅動回路在夏、冬季工況下的換熱量和COP均隨著室內外溫差的增大而增大，溫度效率的變化與工況條件和系統形式相關。

（3）在小溫差工況下，氣泵驅動回路熱管能量回收系統性能優于液泵驅動回路熱管能量回收系統，而在大溫差工況下，液泵驅動回路熱管能量回收系統則更具優勢。

[參考文獻]

[1] 張小松，李舒宏，趙開濤，等.板翅式換熱器用于空調系統排風能量回收的研究[J].通風除塵，1998，17（3）：4-7.

[2] 張雙，馬國遠，周峰，等.數據機房自然冷卻用泵驅動回路熱管換熱機組性能實驗研究[J].土木建筑與環境工程，2013，35（4）：145-150.

[3] ZHANG S，MA G Y，ZHOU F.Experimental study on a pump driven loop-heat pipe for data center cooling[J].Journal of Energy Engineering，2015，141（4）：14-54.

[4] 馬國遠，段未，周峰.泵驅動回路熱管能量回收裝置的工作特性[J].北京工業大學學報，2016，42（7）：1095-1101.

[5] 丁國良，張春路.制冷空調裝置仿真與優化[M].北京：科學出版社，2001.

[6] 段未，馬國遠，周峰.多回路泵驅動回路熱管系統的換熱特性[J].化工學報，2017，68（1）：104-111.

收稿日期：2020-11-18

作者簡介：宋文博（1996—），男，山東文登人，碩士研究生，研究方向：制冷及低溫技術等。