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平板微熱管陣列式換熱機組在實驗動物房的應用研究

  • 作者:
  • 中國暖通空調網
  • 發布時間:
  • 2021-08-13

北京工業大學綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室 王密  樊洪明

       【摘  要】為保證實驗動物的各項生命體征,實驗動物房采用全新風空調系統,全年24小時不間斷運行,且新排風換氣次數遠高于普通建筑,實驗動物房空調系統的能耗成本巨大,因此降低空調系統能耗成為實驗動物房節能減排的重要研究方向。本文通過對北京市某實驗動物房空調系統能耗特點的分析,將平板微熱管陣列式換熱機組安裝于北京市某實驗動物房外與空調系統聯合運行,在冬季回收室內排風的熱量,給新風預熱,從而減少空調系統功耗,以做到節能。結果表明,試驗期間換熱機組換熱效率最大值為80.15%,最小值為67.67%,,整個試驗期間具有顯著的節能效果。

       【關鍵詞】實驗動物房 平板微熱管陣列 熱回收 節能

1 引言

       隨著社會的飛速發展,能源需求越來越迫切。其中,建筑業占了很大一部分,約消耗全球一次能源的30%[1]。在建筑能耗中,大約40%來自HVAC(供暖,通風和空調)系統[2]。潔凈室類建筑,因其較高的換氣率和嚴格的室內參數控制要求而消耗大量能源[3]。作為其代表建筑之一——實驗動物房,通常采用全新風空調系統,每天24小時持續運行,需要保持全年溫度恒定。因此,新風負荷巨大。另一方面,排風直接排至大氣,造成其中的冷熱量白白浪費,且可能對環境造成污染。若能夠提供合理的空氣熱回收技術,在防止空氣交叉污染的前提下,通過回收廢氣的廢熱來處理新鮮空氣,可以減少能源需求并提高能源效率[4]。

       一般地,空氣熱回收方式可分為全熱回收與顯熱回收兩種。在全熱回收裝置中,冷熱流體不能完全分開,對于實驗動物房的高污染性排風而言,是很不安全的,不應采用。熱管換熱器[5]是一種優良的顯熱回收裝置,主要優勢表現在單位體積傳熱面積大,傳熱效率高,沒有活動部件,冷熱流體完全分離,可靠性高等[6-8]。因此,熱管換熱器被廣泛應用于空氣熱回收領域。

       Noie-Baghban等人[9]使用8根獨立的熱管組成換熱器用于醫院潔凈手術部的廢熱回收,然而換熱器的效率僅為0.16,這是由于熱管的高管徑比和管外無翅片。Yang等人[10]利用熱管換熱器回收汽車尾氣的熱量,并輸送到客車車廂內,保持車廂內舒適的溫度,其中熱管的冷凝段采用外環鋼翅片,蒸發段采用裸管。實驗驗證了熱管換熱器在廢氣回收的優越性。Mostafa等人[11]研究了熱管換熱器在空調熱回收方面的應用,用空調的回風冷卻進入的新鮮空氣。實驗結果表明,隨著新風與回風溫差增大,熱回收效率明顯提高,最高可達48%左右。Ahmadzadehtalatapeh等人[12]使用熱管換熱器對馬來西亞某醫院病房空調系統進行熱回收,模擬在8排熱管換熱器情況下,全年可以節約455 MWh的總能量。Zhou[13]等人提出了一種泵驅動循環熱管技術,用于降低空調系統新風處理能耗,實驗結果表明換熱器換熱能力、溫度效率隨著熱管排數的增加而增大。AndreiBurlacu等人[14]將熱管換熱器用于建筑的余熱回收,其中熱管的冷凝段引入傳熱環以加強傳熱,通過模擬表明該裝置熱回收效率高,可有效降低建筑能耗。

       從以上內容發現,在已有的熱管換熱器研究中,熱管的尺寸較大,形式多為圓管,管外無翅片或者很少翅片。直接或間接造成換熱器與空氣接觸面積小,換熱不充分,換熱效率不高。對于一定體積情況下,提高換熱性能最有效的途徑是增大換熱器表面積,使之更有效地應用于建筑通風熱回收。

       近年來,出現了一種具有超導熱性能的導熱元件——平板微熱管陣列(MHPA)[15]。MHPA具有傳熱能力高、單位體積傳熱面積大、效率高等優點?;诖?,MHPA被應用到太陽能熱水集熱[16]、太陽能聚光熱電發生器[17]、太陽能空氣加熱器[18]、鋰離子散熱冷卻系統[19]與CPU散熱裝置[20]中,MHPA充分表現了其高效傳熱的優勢。然而,目前MHPA在熱回收方面的研究較少,僅有相關實驗[21-22]測試了MHPA在傳統住宅建筑熱回收方面的效果,實際應用時,其熱回收性能有待進一步研究。

       本文主要從換熱器結構出發,基于MHPA技術、翅片-平板微熱管陣列一體化技術,提出一種新形式的翅片-平板微熱管陣列一體化的空氣熱回收裝置。在北京市某實驗動物房通過實驗的方法探究了這種新型熱回收裝置的傳熱性能。分析了不同室外溫度對熱回收性能的影響,采用回收熱量、熱回收效率以及COP等來評價該熱回收裝置的熱性能。

2 平板微熱管陣列式換熱機組設計

       本研究使用的平板微熱管陣列示意圖見圖1。在平板熱管內添加陣列隔板,將內部空間劃分為多個矩形通道。通道內部表面有微槽結構,可以進一步增大相變換熱面積,增強擾動,強化傳熱。MHPA的蒸發段、冷凝段長度均為717.5mm,絕熱段尺寸為15mm。蒸發段和冷凝段的外端都留有25mm的光板,其他部分外部均勻焊接翅片,翅片形式選取百葉窗翅片,使整個翅片上的流動邊界層變薄,以提高熱管的傳熱系數。在本文中,采用了120根熱管,分30排布置,每排有4組。換熱器示意圖見圖2。


圖1 平板微熱管陣列示意圖

圖2 熱回收機組示意圖

3 熱管換熱器實驗

       3.1 實驗系統與方法

       本文實驗地點位于中國北京市,以冬季供熱為主。為探究所提新排風熱回收裝置在實驗動物房中的節能效果,將實驗裝置放置于北京市中國醫學科學院實驗動物研究所大動物實驗動物房飼養間。實驗動物為20只左右的猴子,根據實驗環境要求,冬季及過渡季節室內設計溫度在20℃~22℃,相對濕度維持在40%~60%。實驗動物房中通風系統采用直流式新風系統,且全年24h不間斷運行。

       本文所用的熱回收裝置分別測試了熱回收裝置在過渡季和冬季的熱回收效果。裝置由互不交叉的新風通道和排風通道組成。排風通道內,室內的排風經過蒸發段,排風攜帶的熱量傳遞給微熱管內的工質液體,工質蒸發汽化上升至冷凝段;新風通道內,從室外進來的新鮮空氣在換熱裝置的冷凝段,被微熱管內工質冷凝放出的熱量加熱。 與傳統熱回收裝置相比,本裝置增設過濾裝置,送風段配置初效、中效過濾器,排風段設活性炭過濾器。熱回收裝置中各部分之間采用法蘭連接,隔板用于將兩個風道隔開。最終熱回收裝置外形尺寸為670×665×1550mm,送風風量為1500m3/h。

       實驗系統與測點分布如圖3所示。為了研究熱回收裝置的節能效果,需采集預熱后新風的溫度、室內溫度及室外環境溫度3個溫度值。要獲得可靠的溫度變化,每個溫度測量處設置兩個測點,取平均溫差,共應設置6處測點,使用熱電阻(Pt100,精度±0.2℃,測量范圍 0℃~100℃)進行溫度測量。測點1、2位于室外機組的送風處,用于測量室外環境溫度;測點3、4位于動物房飼養間送風管道的送風口處,即新風經過預熱后的溫度;測點5、6位于動物房飼養間室內。為保證實驗動物房飼養間內空氣質量,熱回收裝置全天運行。采集0:00~24:00的測點溫度數據。數據連續采集間隔時間為5min。測得的溫度數據由連接到計算機的數據采集儀器(Agilent 34972A)進行監測和收集。


圖3 實驗系統及測點分布圖

       3.2 評價因子

       對MHPA熱回收裝置的性能分析主要從余熱回收量Q、余熱回收效率和性能系數(COP)來進行分析。

       室外新風必須加熱到與室內空氣相同的溫度,正常情況下的新風加熱量可以計算如下:

       Q1=ρQcp(Tein-Tcin)                 (1)

       有了熱回收裝置后的新風加熱量可以計算如下:

       Q2=ρQcp(Tein-Tcout)                (2)

       熱回收裝置回收的熱量:

       Q=ρQcp(Tcout-Tcin)               (3)

       溫度效率通常是衡量熱回收裝置性能的重要指標。溫度效率定義為實際交換熱量與理論最大交換熱量之比。

                         (4)

       為進一步評價該裝置的節能性能,本文還計算了裝置的性能系數(COP),COP的計算方法如式(5)所示。熱回收裝置的能耗為兩臺1.1kW的風機的能耗,共計2.2kW。由于熱回收裝置消耗額外的電能,定義熱回收裝置回收的熱量與消耗的電能之比:

                            (5)

4 實驗分析

       本次測試時間為2019年冬季至過渡季,選取1月2日與4月14日的采集數據,分別代表冬季與過渡季的典型日數據(兩天的室外平均溫度分別為0.25℃與14.4℃)。采集的溫度數據如圖4與圖5所示。從兩圖可以看出,采用熱回收裝置后,全天工況下,冬季與過渡季的新風入口溫度Tcin均得到預熱,平均溫度分別升高了16.5℃、7℃。本節對兩個季節工況下平板微熱管陣列熱回收裝置的節能效果進行分析。


圖4 冬季新排風溫度逐時變化圖             圖5 過渡季新排風溫度逐時變化圖

       4.1 冬季節能分析

       根據冬季典型日測試結果,計算出在不同時刻熱回收裝置回收的熱量Q、熱回收效率ε以及性能系數(COP)的大小與之隨時間的變化,見圖6。

       圖6表示在一天的不同時刻,室外環境溫度越低,回收的熱量越多。0:00~8:00期間,室外環境溫度為一天中的最低值,這段時間回收的熱量最高。8:00,回收余熱量最高為39.3 kW。隨后,室外環境溫度隨時間逐漸升高,回收的熱量整體呈下降趨勢,并在14:00左右達到了最低值,最低回收熱量為24.6 kW。15:00至24:00,室外環境溫度隨時間逐漸下降,回收的熱量逐漸升高。全天回收熱量平均值為32.3 kW。

       0:00~8:00期間,新風側空氣入口溫度(即室外環境溫度)緩緩降低,余熱回收效率呈上升趨勢。8:00~14:00期間,室外環境溫度逐漸上升,熱回收效率隨著時間逐漸降低。隨后室外環境溫度開始降低,熱回收效率逐漸升高。0:00~8:00期間為全天中室外環境溫度最低的時刻,熱回收機組的余熱回收效率逐漸達到最大。全天的熱回收效率最高83.6%,最低74.9%,平均熱回收效率為80%。

       為隨著室外環境溫度的變化,裝置的COP隨之變化,COP的大小與室外溫度的高低有著負相關的關系。在1月2日全天的工況下,熱回收裝置的COP最大為17.8,最小為11.2,平均值為14.7。該COP值遠大于普通空氣源熱泵的COP,可見冬季工況下,該平板微熱管陣列熱回收裝置的節能潛力很大,且具有實際應用價值。


圖6 冬季熱回收性能曲線

       4.2 過渡季節能分析

       根據過渡季典型日測試結果,計算出在不同時刻熱回收裝置回收的熱量Q、熱回收效率ε以及性能系數(COP)的大小與之隨時間的變化,見圖7。由圖7可以看出,在室外環境溫度Tcin隨著時間發生波動的過程中,熱回收裝置回收的熱量Q隨之反向變化。0:00~6:30期間,室外環境溫度為一天中的最低值,這段時間回收的熱量最高。6:30,回收余熱量達到全天最高值,為21.1kW。6:30~15:50,室外環境溫度隨時間逐漸升高,回收的熱量整體呈下降趨勢。并在15:50達到了最低值,最低回收熱量為5.6 kW。15::50至24:00,室外環境溫度隨時間逐漸下降,回收的熱量逐漸升高。全天回收的熱量平均值為13.7 kW。


圖7 過渡季熱回收性能曲線

       0:00~7:00期間,室外環境溫度在10℃左右,是一天中的最低值,余熱回收效率較高,整體效率在77%~82%之間波動。7:00~15:50期間,室外環境溫度逐漸上升,熱回收效率隨著時間逐漸降低。隨后室外環境溫度開始降低,熱回收效率逐漸升高。全天的熱回收效率最高81.6%,最低67.9%,平均熱回收效率為74.7%。

       隨著室外環境溫度的變化,裝置的COP隨之變化,COP的大小與室外溫度的高低有著負相關的關系。在4月14日全天的工況下,熱回收裝置的COP最大為9.6,最小為2.5,平均值為6.9。全天工況下,COP值大于5的時間占全天60%時間以上??梢娺^渡季工況下,MHPA熱回收裝置也具有一定的節能價值。

5 結論

       本文針對實驗動物房新風量大、供熱能耗高的特點,基于平板微熱管陣列技術和翅片-微熱管一體化技術設計了一種可用于動物房排風熱回收的空氣-空氣換熱裝置。通過冬季和過渡季的典型日測試,證明了其具有良好的節能效果,可作為實驗動物房新風系統節能的一項行之有效的舉措。具體結論如下:

       (1)新型換熱裝置利用了微熱管陣列技術。因為微通道的存在加強了換熱器的承壓能力,所以換熱器可以使用導熱能力更強,承壓能力較弱的鋁結構。如此一來,整個裝置的質量會大大降低。

       (2)新型換熱裝置將百葉窗翅片與微熱管進行一體化設計,使得換熱器結構更加緊湊小巧,換熱面積更大,進而提升換熱器性能。

       (3)新型換熱裝置的換熱過程主要靠重力進行,無需額外的驅動裝置。這樣,可以簡化整個系統,進一步降低能耗。

       (4)新型換熱裝置的冬季平均熱回收效率為80%,平均回收熱量為32.3 kW平均COP為14.7。過渡季平均熱回收效率為74.7%,平均回收熱量為13.7 kW平均COP為6.2。

       新型的換熱裝置具有質量更輕、換熱能力更強、體積更小,換熱面積更大,無需額外驅動裝置以及節能效果更好等特點,如果在冬季應用于實驗動物房,不僅有效地降低裝置占據的空間,還可以提高動物房本身的節能效果,產生較大的經濟效益。

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       備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期(第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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