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平板微热管阵列式换热机组在实验动物房的应用研究

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2021-08-13

北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室 王密  樊洪明

       【摘  要】为保证实验动物的各项生命体征,实验动物房采用全新风空调系统,全年24小时不间断运行,且新排风换气次数远高于普通建筑,实验动物房空调系统的能耗成本巨大,因此降低空调系统能耗成为实验动物房节能减排的重要研究方向。本文通过对北京市某实验动物房空调系统能耗特点的分析,将平板微热管阵列式换热机组安装于北京市某实验动物房外与空调系统联合运行,在冬季回收室内排风的热量,给新风预热,从而减少空调系统功耗,以做到节能。结果表明,试验期间换热机组换热效率最大值为80.15%,最小值为67.67%,,整个试验期间具有显著的节能效果。

       【关键词】实验动物房 平板微热管阵列 热回收 节能

1 引言

       随着社会的飞速发展,能源需求越来越迫切。其中,建筑业占了很大一部分,约消耗全球一次能源的30%[1]。在建筑能耗中,大约40%来自HVAC(供暖,通风和空调)系统[2]。洁净室类建筑,因其较高的换气率和严格的室内参数控制要求而消耗大量能源[3]。作为其代表建筑之一——实验动物房,通常采用全新风空调系统,每天24小时持续运行,需要保持全年温度恒定。因此,新风负荷巨大。另一方面,排风直接排至大气,造成其中的冷热量白白浪费,且可能对环境造成污染。若能够提供合理的空气热回收技术,在防止空气交叉污染的前提下,通过回收废气的废热来处理新鲜空气,可以减少能源需求并提高能源效率[4]

       一般地,空气热回收方式可分为全热回收与显热回收两种。在全热回收装置中,冷热流体不能完全分开,对于实验动物房的高污染性排风而言,是很不安全的,不应采用。热管换热器[5]是一种优良的显热回收装置,主要优势表现在单位体积传热面积大,传热效率高,没有活动部件,冷热流体完全分离,可靠性高等[6-8]。因此,热管换热器被广泛应用于空气热回收领域。

       Noie-Baghban等人[9]使用8根独立的热管组成换热器用于医院洁净手术部的废热回收,然而换热器的效率仅为0.16,这是由于热管的高管径比和管外无翅片。Yang等人[10]利用热管换热器回收汽车尾气的热量,并输送到客车车厢内,保持车厢内舒适的温度,其中热管的冷凝段采用外环钢翅片,蒸发段采用裸管。实验验证了热管换热器在废气回收的优越性。Mostafa等人[11]研究了热管换热器在空调热回收方面的应用,用空调的回风冷却进入的新鲜空气。实验结果表明,随着新风与回风温差增大,热回收效率明显提高,最高可达48%左右。Ahmadzadehtalatapeh等人[12]使用热管换热器对马来西亚某医院病房空调系统进行热回收,模拟在8排热管换热器情况下,全年可以节约455 MWh的总能量。Zhou[13]等人提出了一种泵驱动循环热管技术,用于降低空调系统新风处理能耗,实验结果表明换热器换热能力、温度效率随着热管排数的增加而增大。AndreiBurlacu等人[14]将热管换热器用于建筑的余热回收,其中热管的冷凝段引入传热环以加强传热,通过模拟表明该装置热回收效率高,可有效降低建筑能耗。

       从以上内容发现,在已有的热管换热器研究中,热管的尺寸较大,形式多为圆管,管外无翅片或者很少翅片。直接或间接造成换热器与空气接触面积小,换热不充分,换热效率不高。对于一定体积情况下,提高换热性能最有效的途径是增大换热器表面积,使之更有效地应用于建筑通风热回收。

       近年来,出现了一种具有超导热性能的导热元件——平板微热管阵列(MHPA)[15]。MHPA具有传热能力高、单位体积传热面积大、效率高等优点。基于此,MHPA被应用到太阳能热水集热[16]、太阳能聚光热电发生器[17]、太阳能空气加热器[18]、锂离子散热冷却系统[19]与CPU散热装置[20]中,MHPA充分表现了其高效传热的优势。然而,目前MHPA在热回收方面的研究较少,仅有相关实验[21-22]测试了MHPA在传统住宅建筑热回收方面的效果,实际应用时,其热回收性能有待进一步研究。

       本文主要从换热器结构出发,基于MHPA技术、翅片-平板微热管阵列一体化技术,提出一种新形式的翅片-平板微热管阵列一体化的空气热回收装置。在北京市某实验动物房通过实验的方法探究了这种新型热回收装置的传热性能。分析了不同室外温度对热回收性能的影响,采用回收热量、热回收效率以及COP等来评价该热回收装置的热性能。

2 平板微热管阵列式换热机组设计

       本研究使用的平板微热管阵列示意图见图1。在平板热管内添加阵列隔板,将内部空间划分为多个矩形通道。通道内部表面有微槽结构,可以进一步增大相变换热面积,增强扰动,强化传热。MHPA的蒸发段、冷凝段长度均为717.5mm,绝热段尺寸为15mm。蒸发段和冷凝段的外端都留有25mm的光板,其他部分外部均匀焊接翅片,翅片形式选取百叶窗翅片,使整个翅片上的流动边界层变薄,以提高热管的传热系数。在本文中,采用了120根热管,分30排布置,每排有4组。换热器示意图见图2。


图1 平板微热管阵列示意图

图2 热回收机组示意图

3 热管换热器实验

       3.1 实验系统与方法

       本文实验地点位于中国北京市,以冬季供热为主。为探究所提新排风热回收装置在实验动物房中的节能效果,将实验装置放置于北京市中国医学科学院实验动物研究所大动物实验动物房饲养间。实验动物为20只左右的猴子,根据实验环境要求,冬季及过渡季节室内设计温度在20℃~22℃,相对湿度维持在40%~60%。实验动物房中通风系统采用直流式新风系统,且全年24h不间断运行。

       本文所用的热回收装置分别测试了热回收装置在过渡季和冬季的热回收效果。装置由互不交叉的新风通道和排风通道组成。排风通道内,室内的排风经过蒸发段,排风携带的热量传递给微热管内的工质液体,工质蒸发汽化上升至冷凝段;新风通道内,从室外进来的新鲜空气在换热装置的冷凝段,被微热管内工质冷凝放出的热量加热。 与传统热回收装置相比,本装置增设过滤装置,送风段配置初效、中效过滤器,排风段设活性炭过滤器。热回收装置中各部分之间采用法兰连接,隔板用于将两个风道隔开。最终热回收装置外形尺寸为670×665×1550mm,送风风量为1500m3/h。

       实验系统与测点分布如图3所示。为了研究热回收装置的节能效果,需采集预热后新风的温度、室内温度及室外环境温度3个温度值。要获得可靠的温度变化,每个温度测量处设置两个测点,取平均温差,共应设置6处测点,使用热电阻(Pt100,精度±0.2℃,测量范围 0℃~100℃)进行温度测量。测点1、2位于室外机组的送风处,用于测量室外环境温度;测点3、4位于动物房饲养间送风管道的送风口处,即新风经过预热后的温度;测点5、6位于动物房饲养间室内。为保证实验动物房饲养间内空气质量,热回收装置全天运行。采集0:00~24:00的测点温度数据。数据连续采集间隔时间为5min。测得的温度数据由连接到计算机的数据采集仪器(Agilent 34972A)进行监测和收集。


图3 实验系统及测点分布图

       3.2 评价因子

       对MHPA热回收装置的性能分析主要从余热回收量Q、余热回收效率和性能系数(COP)来进行分析。

       室外新风必须加热到与室内空气相同的温度,正常情况下的新风加热量可以计算如下:

       Q1=ρQcp(Tein-Tcin)                 (1)

       有了热回收装置后的新风加热量可以计算如下:

       Q2=ρQcp(Tein-Tcout)                (2)

       热回收装置回收的热量:

       Q=ρQcp(Tcout-Tcin)               (3)

       温度效率通常是衡量热回收装置性能的重要指标。温度效率定义为实际交换热量与理论最大交换热量之比。

                         (4)

       为进一步评价该装置的节能性能,本文还计算了装置的性能系数(COP),COP的计算方法如式(5)所示。热回收装置的能耗为两台1.1kW的风机的能耗,共计2.2kW。由于热回收装置消耗额外的电能,定义热回收装置回收的热量与消耗的电能之比:

                            (5)

4 实验分析

       本次测试时间为2019年冬季至过渡季,选取1月2日与4月14日的采集数据,分别代表冬季与过渡季的典型日数据(两天的室外平均温度分别为0.25℃与14.4℃)。采集的温度数据如图4与图5所示。从两图可以看出,采用热回收装置后,全天工况下,冬季与过渡季的新风入口温度Tcin均得到预热,平均温度分别升高了16.5℃、7℃。本节对两个季节工况下平板微热管阵列热回收装置的节能效果进行分析。


图4 冬季新排风温度逐时变化图             图5 过渡季新排风温度逐时变化图

       4.1 冬季节能分析

       根据冬季典型日测试结果,计算出在不同时刻热回收装置回收的热量Q、热回收效率ε以及性能系数(COP)的大小与之随时间的变化,见图6。

       图6表示在一天的不同时刻,室外环境温度越低,回收的热量越多。0:00~8:00期间,室外环境温度为一天中的最低值,这段时间回收的热量最高。8:00,回收余热量最高为39.3 kW。随后,室外环境温度随时间逐渐升高,回收的热量整体呈下降趋势,并在14:00左右达到了最低值,最低回收热量为24.6 kW。15:00至24:00,室外环境温度随时间逐渐下降,回收的热量逐渐升高。全天回收热量平均值为32.3 kW。

       0:00~8:00期间,新风侧空气入口温度(即室外环境温度)缓缓降低,余热回收效率呈上升趋势。8:00~14:00期间,室外环境温度逐渐上升,热回收效率随着时间逐渐降低。随后室外环境温度开始降低,热回收效率逐渐升高。0:00~8:00期间为全天中室外环境温度最低的时刻,热回收机组的余热回收效率逐渐达到最大。全天的热回收效率最高83.6%,最低74.9%,平均热回收效率为80%。

       为随着室外环境温度的变化,装置的COP随之变化,COP的大小与室外温度的高低有着负相关的关系。在1月2日全天的工况下,热回收装置的COP最大为17.8,最小为11.2,平均值为14.7。该COP值远大于普通空气源热泵的COP,可见冬季工况下,该平板微热管阵列热回收装置的节能潜力很大,且具有实际应用价值。


图6 冬季热回收性能曲线

       4.2 过渡季节能分析

       根据过渡季典型日测试结果,计算出在不同时刻热回收装置回收的热量Q、热回收效率ε以及性能系数(COP)的大小与之随时间的变化,见图7。由图7可以看出,在室外环境温度Tcin随着时间发生波动的过程中,热回收装置回收的热量Q随之反向变化。0:00~6:30期间,室外环境温度为一天中的最低值,这段时间回收的热量最高。6:30,回收余热量达到全天最高值,为21.1kW。6:30~15:50,室外环境温度随时间逐渐升高,回收的热量整体呈下降趋势。并在15:50达到了最低值,最低回收热量为5.6 kW。15::50至24:00,室外环境温度随时间逐渐下降,回收的热量逐渐升高。全天回收的热量平均值为13.7 kW。


图7 过渡季热回收性能曲线

       0:00~7:00期间,室外环境温度在10℃左右,是一天中的最低值,余热回收效率较高,整体效率在77%~82%之间波动。7:00~15:50期间,室外环境温度逐渐上升,热回收效率随着时间逐渐降低。随后室外环境温度开始降低,热回收效率逐渐升高。全天的热回收效率最高81.6%,最低67.9%,平均热回收效率为74.7%。

       随着室外环境温度的变化,装置的COP随之变化,COP的大小与室外温度的高低有着负相关的关系。在4月14日全天的工况下,热回收装置的COP最大为9.6,最小为2.5,平均值为6.9。全天工况下,COP值大于5的时间占全天60%时间以上。可见过渡季工况下,MHPA热回收装置也具有一定的节能价值。

5 结论

       本文针对实验动物房新风量大、供热能耗高的特点,基于平板微热管阵列技术和翅片-微热管一体化技术设计了一种可用于动物房排风热回收的空气-空气换热装置。通过冬季和过渡季的典型日测试,证明了其具有良好的节能效果,可作为实验动物房新风系统节能的一项行之有效的举措。具体结论如下:

       (1)新型换热装置利用了微热管阵列技术。因为微通道的存在加强了换热器的承压能力,所以换热器可以使用导热能力更强,承压能力较弱的铝结构。如此一来,整个装置的质量会大大降低。

       (2)新型换热装置将百叶窗翅片与微热管进行一体化设计,使得换热器结构更加紧凑小巧,换热面积更大,进而提升换热器性能。

       (3)新型换热装置的换热过程主要靠重力进行,无需额外的驱动装置。这样,可以简化整个系统,进一步降低能耗。

       (4)新型换热装置的冬季平均热回收效率为80%,平均回收热量为32.3 kW平均COP为14.7。过渡季平均热回收效率为74.7%,平均回收热量为13.7 kW平均COP为6.2。

       新型的换热装置具有质量更轻、换热能力更强、体积更小,换热面积更大,无需额外驱动装置以及节能效果更好等特点,如果在冬季应用于实验动物房,不仅有效地降低装置占据的空间,还可以提高动物房本身的节能效果,产生较大的经济效益。

参考文献

       [1] Yan D, T. Hong, B. Dong, A. Mahdavi, S.D'Oca, I. Gaetani, X. FengIEA EBC Annex 66: Definition and simulation of occupant behavior in buildings Energy Build., 156 (2017), pp. 258-270
       [2] Zheng Yang, Ali Ghahramani, Burcin Becerik-Gerber, Building occupancy diversity and HVAC (heating, ventilation, and air conditioning) system energy efficiency, Energy, Volume 109,2016, pp. 641-649.
       [3] M.G.L.C. Loomans, T.B.J. Ludlage, H. van den Oever, P.C.A. Molenaar, H.S.M. Kort, P.H.J. Joosten, Experimental investigation into cleanroom contamination build-up when applying reduced ventilation and pressure hierarchy conditions as part of demand controlled filtration, Building and Environment, Volume 176,2020,106861,ISSN 0360-1323.
       [4] Liu, Z., Li, W., Chen, Y., Luo, Y., & Zhang, L. Review of energy conservation technologies for fresh air supply in zero energy buildings. Applied Thermal Engineering, 2019:544-556.
       [5] Elbaky M A, Mohamed M M. Heat pipe heat exchanger for heat recovery in air conditioning. Applied Thermal Engineering. 2007; 27(4): 795-801.
       [6] H. Jouhara, A. Chauhan, T. Nannou, S. Almahmoud, B. Delpech, L.C. Wrobel,Heat pipe based systems - Advances and applications, Energy, Volume 128,2017,Pages 729-754,
       [7] Y.H. Yau, M. Ahmadzadehtalatapeh. Predicting yearly energy recovery and dehumidification enhancement with a heat pipe heat exchanger using typical meteorological year data in the tropics, J. Mech. Sci. Technol., 25 (4) (2011), pp. 847-853.
       [8] W. Srimuang, P. Amatachaya. A review of the applications of heat pipe heat exchangers for heat recovery Renew. Sustain. Energy Rev., 16 (6) (2012), pp. 4303-4315.
       [9] S. Noie-Baghban, G. Majideian. Waste heat recovery using heat pipe heat exchanger (HPHE) for surgery rooms in hospitals. Applied Thermal Engineering, 20 (2000), pp. 1271-1282.
       [10] F. Yang, X. Yuan, G. Lin, Waste heat recovery using heat pipe heat exchanger for heating automobile using exhaust gas, Appl. Therm. Eng. 23 (2003) 367–372.
       [11] M.A.A. El-Baky, M.M. Mohamed, Heat pipe heat exchanger for heat recovery in air conditioning, Appl. Therm. Eng. 27 (4) (2007) 795–801.
       [12] M. Ahmadzadehtalatapeh, Y.H. Yau, The application of heat pipe heat exchangers to improve the air quality and reduce the energy consumption of the air conditioning system in a hospital ward—a full year model simulation, Energy Build. 43 (9) (2011) 2344–2355.
       [13] Feng Zhou, Wei Duan, Guoyuan Ma, Thermal performance of a pump-driven loop heat pipe as an air-to-air energy recovery device, Energy and Buildings, Volume 151, 2017, Pages 206-216, ISSN 0378-7788.
       [14] Andrei Burlacu, Gavril Sosoi, Robert Ștefan Vizitiu, Marinela Bărbuță, Constantin Doru Lăzărescu, Vasilică Ciocan, Adrian Alexandru Șerbănoiu, Energy efficient heat pipe heat exchanger for waste heat recovery in buildings, Procedia Manufacturing, Volume 22, 2018, Pages 714-721, ISSN 2351-9789
       [15] Y.H. Zhao, H.Y. Wang, Y.H. Diao, et al. Heat transfer characteristics of flat micro-heat pipe array Ciesc. J., 62 (2) (2011), pp. 336-343.
       [16] Yuechao Deng, Yaohua Zhao, Zhenhua Quan, Tingting Zhu, Experimental Study of the Thermal Performance for the Novel Flat Plate Solar Water Heater with Micro Heat Pipe Array Absorber, Energy Procedia, Volume 70, 2015, Pages 41-48, ISSN 1876-6102.
       [17] Guiqiang Li, Gan Zhang, Wei He, Jie Ji, Song Lv, Xiao Chen, Hongbing Chen, Performance analysis on a solar concentrating thermoelectric generator using the micro-channel heat pipe array, Energy Conversion and Management, Volume 112, 2016, Pages 191-198, ISSN 0196-8904.
       [18] Z.Y. Wang, Y.H. Diao, L. Liang, Y.H. Zhao, T.T. Zhu, F.W. Bai, Experimental study on an integrated collector storage solar air heater based on flat micro-heat pipe arrays, Energy and Buildings, Volume 152, 2017, Pages 615-628, ISSN 0378-7788.
       [19] Xin Ye, Yaohua Zhao, Zhenhua Quan, Experimental study on heat dissipation for lithium-ion battery based on micro heat pipe array (MHPA), Applied Thermal Engineering, Volume 130, 2018, Pages 74-82, ISSN 1359-431.
       [20] YueRong Xu, HongMing Fan, BoXuan Shao, Experimental and numerical investigations on heat transfer and fluid flow characteristics of integrated U-shape micro heat pipe array with rectangular pin fins, Applied Thermal Engineering,Volume 168,2020,114640,ISSN 1359-4311.
       [21] ZhongWei Zhu, HongMing Fan, Cheng Zhang, Experimental investigations on the effectiveness of micro heat pipe array heat exchanger for heat recovery for residential building, Applied Thermal Engineering, Volume 102,2016,Pages 980-988.
       [22] Y.H. Diao, L. Liang, Y.M. Kang, Y.H. Zhao, Z.Y. Wang, T.T. Zhu, Experimental study on the heat recovery characteristic of a heat exchanger based on a flat micro-heat pipe array for the ventilation of residential buildings, Energy and Buildings, Volume 152,2017,Pages 448-457.

       备注:本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期(第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。