供热技术在采暖空调领域的应用与展望

供热技术在采暖空调领域的应用与展望

0发展可持续建筑之路,发展绿色空调技术随着经济的不断发展，特别是建筑业的发展，建筑能耗已成为能源消费的最大部分。在发达国家，建筑能耗占总能耗的30%40%，其中供暖空调能耗占建筑能耗的65%，呈上升趋势。我国建筑能耗占社会能源消耗的40%,而采暖和空调的能耗占建筑总能耗的50%～65%。随着经济的发展、生活水平提高,建筑能耗的总量逐年上升,因此,建筑节能势在必行。发达国家在90年代组织起来探索实现可持续建筑之路,名为绿色建筑挑战(greenbuildingchallenge),即采用新技术、新设备、新工艺、新方法,实行综合优化设计,使建筑在满足功能需要时所消耗的资源、能源最少。另一方面,随着社会发展和人民生活水平的提高,人们对居住环境的要求也越来越高,更多的住户关注居住环境的舒适与环保,更多地关注室内的空气品质(IAQ)。IAQ的下降,引起所谓的病态建筑物综合症(SickBuildingSynthesis,简称SBS),从而使人们的身心健康、工作效率受到很大的影响,因此,提高空气品质一直是暖通空调等领域研究的热点之一。由此可见,发展节能、环保的采暖空调技术是可持续发展的必然要求。热管技术经过几十年的发展日趋成熟,并在很多领域有卓有成效的应用。我国热管技术在化工、建材、冶金、动力工程、生物工程等方面的应用处于国际领先地位,在采暖空调领域的应用也呈快速发展之势。因为热管技术卓越的传热性能在废热、余热、太阳能、地热能等低品位能源的回收与利用得到了广泛的应用,使之成为实现采暖空调低能耗、高效率、舒适的室内环境、走绿色空调之路的现实技术基础之一。在实现人与自然和谐相处和可持续发展方面,具有广阔的发展前景。1空调新风量与能耗的关系空调器在运行时,是将封闭空间的空气进行循环加热或冷却,因而导致室内空气品质(IAQ)将大大降低,引起所谓的病态建筑物综合症(SBS),国内外许多实例表明,“建筑物综合症”产生的一个重要原因就是新风供应量不足。当前我国《室内空气质量标准》(GB/T18883-2002)规定,最小新风量为30m3/(h·人),这个新风量标准仅仅相当于美国标准50m3/(h·人)的60%。在已投入运营的众多大厦中,为节能或降低造价等原因,许多建筑的新风量达不到标准,导致室内工作人员头痛、疲劳、胸闷、恶心等不适特征,造成室内工作效率降低。因此,从健康、舒适性考虑,大多空调有提高新风换气量的需要。通常,可接受的室内质量的新风量是以温湿度按典型的24℃和50%RH(相对湿度)为前提条件,通过调整并控制室内气象参数(温度、湿度、风速),提供符合空气品质要求的新风量给空调房间,从而达到改善IAQ的目的,但亦意味着空调系统耗能的增加,这就引起了如何在提高IAQ与相应增加能耗两者之间选择的两难困境。可以说,探索与舒适性、室内空气品质及节能这三大主题相适应或兼容的新系统和新设备是现代社会的迫切要求。1.1空调切换换热器采暖的最佳条件为通风空调系统内换热器的工作环境非常苛刻,热源与热汇间的温差较低。在冬季,冷热气流间的温差在30℃左右;而在夏季,该温差不到15℃,因此,客观上要求该换热器具有在低温差下能有效地进行热交换,并使换热器单位重量的换热量最大,以减轻换热器体积和重量。而在此条件下,热管换热器是满足空调换气换热器的最佳选择。这主要由于热管换热器具有高的可靠性、传热可逆性,避免冷热流体相互污染、热响应快、启动时间短,以及可在较小的冷热气流温差驱动下进行外部热交换等优点,是通风空调系统内一种较为理想的热能回收与除湿装置。其技术特点为:(1)高性能(2)管道的温度可以调整(3)属性(4)此外，管换热器还具有可靠性、低阻力、单一热容量等特点1.2热管技术的应用空调系统节能一直是暖通空调领域研究的课题之一。随着生活水平的提高,建筑物空调用能耗占建筑物总能耗的比例不断增加,其中新风耗能占建筑物总耗能的4%～12%,设置热回收系统,对空调系统节能具有重要的现实意义。在空调系统中,大部分空调回风经冷却和再热后作为送风送到空调房间,而其它部分的回风则排出。由于新、回风需经冷热处理,因而研究空调系统的热回收对空调系统节能具有极其重要的意义。在空调热回收系统中,己研制出相应的转轮式热交换器、板翅式热交换器和盘管热环式热交换器等,并在空调工程中得到广泛应用。热管由于其具有很高的传热系数,因而近年热管用于空调热回收系统中的研究得到很大的发展。在国外,热管技术在空调中的应用已经渗透到了很多领域。它在大型集中空调中的应用已是一项成熟的技术。在日本,许多大的空调设备制造公司已将热回收技术广泛用于工业及民用建筑的空调系统中。Mathur一直致力于研究空调系统的热回收问题。他针对美国许多城市的气候条件,研究热管换热器对现有空调系统的能量消耗和高峰需求的影响,主要用热管换热器回收排风的余热(或冷量)用以加热(或冷却)新风。为了计算实际热回收量,Mathur使用BINWeatherData编制了一个预测热回收量的模拟程序来计算热负荷和冷负荷。经济分析表明,对现有空调系统加装热管换热器的简单改装费用不到一年的时间即能收回。在国内,随着我国空调用户的不断增加,对热管的研究也在不断地开展,如潘阳等人研究的热管式空调通风换热器、热管式空调换气换热器等。同时,热管的应用也在不断升温,如上海市民用建筑设计院和航天部五院501设计部共同研制的氨-铝低温热管换热器,该装置用于上海游泳馆的空调余热回收,风量为10000m3/h,显热回收效率为60%,换热器效率为80%,运行效果良好。从节能方面考虑,热管技术用在空调热回收中也是极具潜力的。空调系统的负荷中,新风负荷一般占总负荷的20%～30%,利用热管换热器从排风中回收能量,减少新风负荷,可减少新风能耗70%～80%,节约空调负荷10%～20%。文献指出,热管用于有排风的大型空调系统中,比通常使用的空调系统节能25%～30%。1.3进风温度对空调系统运行的影响传统空调系统采用冷凝方式对空气进行除湿,与此同时对空气进行冷却,其吸收的显热与潜热比只能在一定的范围内变化。当建筑物实际需要的显热潜热比在较大的范围内变化时,往往不能满足实际需要。对这种情况,一般是牺牲对湿度的控制,通过仅满足室内温度的要求来妥协。这就造成室内相对湿度过高或过低的现象,过高的结果是不舒适,进而降低室温设定值,通过降低室温来改善热舒适,造成不必要的能源消耗。这样,要解决空气处理的显热与潜热比与室内热湿负荷相匹配的问题,就必须寻找新的除湿方法。在常规大型空调系统中,利用除湿转轮或回转盘管换热器来增加系统的除湿能力,能较好地控制室内湿度,满足室内舒适性要求。将热管换热器用于空调系统中,同样可使除湿量显著增加,而且总能耗量和高峰负荷减少,使空调器的送风温湿度适宜,从而达到舒适性的要求。文献就进风温度对房间空调器的影响进行了实验分析。当冷凝器进风温度、风量和蒸发器进风含湿量、风量等不变时,随着蒸发器进风温度的降低,除湿量显著增加,而制冷量、耗功率变化不大;当冷凝器进风温度、风量和蒸发器进风温度不变时,随着蒸发器风量的减少,除湿量增加,但不显著,同时制冷量却减少较多。针对这样的情况,文中提出通过在空调器上加重力式热管换热器来降低蒸发器进风温度,同时可使除湿量显著增加,而制冷量和耗功率基本不变,并且空调器的出风温度和相对湿度适中,增加了舒适感,开拓了热管技术的应用范围。1.4热管技术的应用对于建筑空调系统,提高室内空气品质是通过调整并控制室内的温度和湿度,提供符合空气品质要求的新风量给空调房间来实现的,从而达到改善IAQ的目的,但亦意味着空调系统耗能的增加,热管技术的应用巧妙地解决了这一矛盾。然而此类系统温差小、设计难度大,尤其对热管换热器结构设计、内部流动与传热分析以及空调房间内的温度与湿度控制研究尚未见深入报道,这极大地阻碍了热管技术的工业化应用进程。2在供暖系统中的管道技术的应用2.1在锅炉供热的应用设备采用支撑体系,根据初步使用传导板的不真空热管技术是一种超导传热和高效换热新技术。但该技术有一难以克服的缺点:传热距离有限,且有爆管的危险。迄今人们一般都是将其用于换热器或单根热管改造锅炉,专家们对其使用现状不满足,经过不懈的努力,对超导液的成分进行技术处理,终于研制出新型超导液,成功解决了这两大技术难题,开发了真空热管供暖系统。真空热管供暖系统是将锅炉内胆作为蒸发器,将散热器作为冷凝器,二者之间用无缝钢管连接,利用相关技术设备,向锅炉充入适量超导液,抽成真空后封闭管道系统即可。其传热原理类似于真空蒸汽供热,就是利用所充入超导液在真空状态时,35℃开始气化,随着温度的升高,其气化程度增加,同时,在管道的传输过程中不断向低温环境散热,超导介质发生相变,重新液化。由于超导液在管道中的传输速度较快,随后传送过来的高温介质又加热了管内的低温介质,如此反复,向散热设备释放热量,最后超导液回到锅炉的温度仅比锅炉送出的温度低5℃左右。2000年济南市某小学使用了真空热管技术供热系统,该小学有一栋局部5层L形教学办公楼,建筑面积4200m2,建筑高度16.5m,最远端距锅炉房80m,其中小学部分3900m2,幼儿园部分300m2。根据学校使用特点及具体要求,选用了2台立式燃气锅炉提供热源,分两套系统分别供给小学和幼儿园,容量分别为522kW和174kW,散热器选用光管翅片型,全部焊接安装,经过近两个供暖期的实际运行,室温均能达到设计要求。该系统可以随时启动,满足了用户的要求,用户反映良好。与传统热水锅炉供暖系统相比,有如下的特点:(1)对于同样的热负荷,超导液或蒸汽供热时所需的介质质量,流量要比热水流量少得多,另外,散热器中的热媒供回温差与室内温差较大,可以大大节省散热设备的面积;(2)超导液在真空的封闭系统内循环流动,流速最高可达到70m/s,其状态参数变化比较大,并伴随相变,不存在“跑、冒、滴、漏”问题;(3)由于超导液受热气化后,热惰性小,而且凝固点也低(-40℃以下),冬季不怕冻,非常适宜于间歇供暖的用户;(4)通过锅炉出口介质的压力、温度控制,超导介质具有可随室外气温调节锅炉运行温度的优点,最低运行温度可以达到45℃;(5)系统寿命长,使用成本低,不用补充水,不需水泵及水处理设备,管道无阀门,一次性投入及日常运行维修费用均比热水、蒸汽暖系统低;(6)安全性高,锅炉始终在无压或低压下运行,锅炉停火状态时,系统内保持负压,压力小于-0.1MPa,供热期间系统基本处于常压下运行。2.2热水热态系统2.2.1液相联箱工作介质的热性能超导暖气装置是利用热管原理设计的,如图1所示。它由热管元件、液相联箱、汽相联箱及电加热器组成。在液相联箱中加入适量工作介质,并抽成10-3～10-4Pa的真空,在此条件下,当电加热管直接加热液相联箱内的工作介质时,介质受热汽化变成蒸汽向上部冷却段流动,到了冷却段蒸汽向管外冷空气释放汽化潜热,本身受冷凝结成液体沿各支热管元件的内壁向下流向加热管。如此周而复始,液相联箱内的热量通过热管元件和汽液联箱空气中。试验研究表明:(1)在输入相同功率(800W)条件下,当工况稳定时,超导暖气装置表面温度明显高于导热油暖气装置表面温度,大约高出25～30℃左右;(2)导热油暖气装置表面温度有明显的滞后现象,且当功率提高到1200W时,其表面温度仍低于超导暖气装置表面温度,超导暖气装置可节能30%左右;(3)超导暖气装置有热启动快、表面温度均匀、传热效率高等优点。2.2.2热管性能与热性能的对比为了提高钢制散热器的承压能力,节约热媒用量和解决容易出现的氧化腐蚀问题,近年来,一些热管散热器形式陆续出现,并成为散热器开发的一个热点。热管散热器利用柱型或板型散热器为壳体,在散热器底部穿入热媒管,壳体内注入工质,并建立真空环境,常温重力式热管如图2所示。工作过程:在散热器底部,供热系统通过热媒管将壳体内的工质加热,在工作温度内,工质沸腾,蒸气上升至散热器上部凝结放热,凝结液顺散热器内壁回流至加热段被再次加热蒸发。分别以氟里昂-1、水、甲醇、丙酮为热管工质进行测试,结果表明,以甲醇、丙酮为热管工质的散热器综合性能最佳。对比普通水热媒散热器,热管散热器有以下优点:(1)表面温度均匀,JebraiEE等人实验表明:对于90℃和72℃的热媒水,普通散热器不同表面点之间的最大温差分别为16.1℃和12.2℃;而同样表面积的热管散热器,当以甲醇为热管工质时分别为2.87℃和5.68℃,当以丙酮为热管工质时分别为0.25℃和2.1℃。(2)没有普通散热器容易出现的氧化腐蚀问题。(3)所需热媒量大为减少,可大大节省输送动力消耗,简化输送管路系统。(4)系统简单轻便,节省金属材料耗量80%;少受水压力制约,安装方便灵活,维护工作量少。(5)通过适当改装,置于房顶倒置安装,可以较方便地改造为太阳能热水系统。2.3其他热管锅炉普通重力热管应用与锅炉供热系统已有许多专利技术,如:立式热管双层炉排茶于浴炉(91208704);热管无压卧式锅炉(92225661.6);双炉排反烧式热管锅炉(93240332);热管锅炉(93226093.4)。全热管锅炉(951020901.0),燃油热管锅炉(98227782.2)。高效节能热管锅炉(00238684.4)等。热管锅炉供热热系统有许多优于普通水管锅炉的优点:(1)热管锅炉启动快,且不易积灰,而深受用户欢迎。(2)热管锅炉传热温差大,热处理量大,且节省钢材。(3)热管锅炉经济性和可靠性优于普通水管锅炉。但是,它们大都是将单根热管蒸发段直接受高温燃气辐射,管内蒸汽温度难以控制,对于钢-水热管来说,管内工质温度限于250℃,稍有不慎,都会产生爆管现象,因此,没有得到推广和应用。此外,上述锅炉在用于家庭供暖时,常与家庭中原有暖气散热器配套使用,因而,需水量大,经济性差。文献研制开发的家庭用节能供热装置是在吸收国内外同类产品众多优点的基础上,采用高新热管技术而进行开发和研制的一种绿色环保产品。整个系统由三部分组成,如图3所示。(1)加热设备第一部分(2)系统的主要特征此部分采用两相闭式热虹吸管作传热元件,两相闭式热虹吸管(Two-PhaseClosedThermosyphon)又称重力热管(文中简称热虹吸管)。与普通热管一样,利用工质的蒸发和冷凝的相变传递热量,且工质不需要外动力。凝结液从冷凝段返回到蒸发段不是靠吸液芯所产生的毛细力,而是靠凝结液自身的重力,因此,热虹吸管的工作具有一定的方向性,蒸发段必须置于冷凝段的下方,才能使冷凝液靠自身重力返回到蒸发段。本套家庭用节能供热装置是一种全热管供热装置,其主要特征在于:(1)整套装置采用并联热管组件作传热元,直接利用燃料如天然气、液化石油气等直接燃烧的热量作热源。热量损失少,热效率高,其消耗燃气量是一般锅炉的70%。产生的开水、热水,供冬季采暖和生活用。(2)本装置采用热管换热技术,从根本上克服了旧式采暖系统中水火管锅炉的水火管易结垢烧穿的致命弱点,锅炉结构紧凑,所需钢材量比一般锅炉少20%,占地面积少。(3)本系统以热虹吸管作超导暖气片,结构简单,设计合理,热效率高。(4)节水量大,节水20%～30%。(5)功能多。产生开水、热水,供冬季家庭和中小单位采暖和生活用。3使用可支配能源在供暖中的应用3.1太阳能空调的发展前景利用太阳能作为能源的空调系统,它的诱人之处在于越是太阳能辐射强烈的时候,环境气温越高,人们的生活越需要空调,此时太阳能空调的制冷能力就越强。这是人与自然和谐的理想境界。太阳能空调目前仍以探索为主,工程应用不多。目前存在的问题是设备体系比较庞大,投资成本比较高,其性能受到气候因素的制约。但真空管热管技术已比较成熟,可以将太阳能集热器的工作温度从70℃提高到120℃,大大提高了集热器的热性能,为太阳能空调提供了更好的技术基础;由于规模效应,我国太阳能集热器产品的价格已持续下跌,为太阳能空调的实用化提供了更好的经济基础,加上太阳能空调在能源消耗、环境保护方面的优势,随着技术的进一步完善,太阳能空调必将得到普及,并有诱人前景。由北京市太阳能研究所承担的太阳能吸收式空调及供热综合系统已在山东省乳山市“中国新能源科普公园”内的太阳能馆建成。该系统采用热管式真空集热管2160支,总采光面积540m2,总吸热体面积364m2,供冷、供热功率100kW,空调、采暖建筑面积1000m2,供生活用热水量32m3/d,测试结果表明,太阳能集热器的平均日效率随不同季节、不同用途而不同。夏季空调时超过40%,冬季采暖时可达35%,过渡季节提供生活热水时可达50%以上。利用太阳能作为热源,溴化锂吸收式制冷机的COP值可达0.70。整个系统的制冷效率可达20%以上。本系统完全具备夏季空调、冬季采暖和过渡季节提供生活热水的能力。另外,该系统通过辅助锅炉,可以全天候运行。3.2社区供热发展现状我国地热资源极为丰富,全国已发现地热点3200多处,打成的地热井2000多眼。高温地热主要分布在西藏南部和云南西部,地热发电主要在西藏,已装机25MW,运行20年,可满足拉萨地区45%～50%的电力需求。近几年发展最快的中、低温地热利用,如采暖、洗浴、医疗、旅游、种养业等。地热采暖已发展到800×104m2,天津市已达到500×104m2,随着对环境的重视,在地热资源开发中,热管技术大有作为。资料统计表明,在蔬菜温室化生产中,燃料的成本占总成本的比例达32.2%,如果减少这部分费用,则利润率将有一个飞跃,因此,寻求投资少的热源就显得非常重要。经过30多年的发展,大规模应用热管的技术已经成熟,从日前热管的传输功率来看,利用热管将地热资源传送至温室是完全能够实现的。而且,这种传热本身就可省掉用于产生热源的锅炉及配套的热水系统的投资。我国西部生态脆弱,在西部大开发中,党中央提出了“再造秀美山川”的口号。抓住西部大开发机遇,充分发挥西部新能源和可再生能源的资源优势,应用热管技术的优越性,加快新能源和可再生能源技术的推广,对改善西部生态环境和增强西部可持续发展能力意义重大。4联合式