热管技术在采暖空调中的应用与发展

2008年09月08 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要：现代采暖空调的发展方向是节能、环保，走可持续发展之路；热管技术具有常规传热技术所不具备的许多优越性，二者结合则相得益彰。一方面，拓展了热管的应用范围，在更广阔的领域充分发挥热管换热器优越的传热性能；另一方面，改善了采暖空调设备的性能，提高了采暖空调工程的效率，实现了采暖空调冷热源的多样化。此外，对节能降耗、回收废热、开发可再生能源、保护生态环境都意义重大。

1引言

热管技术历经30年的发展，已经走向实用阶段[1]。它具有其它传热技术所不具备的许多诱人之处：卓越的传热效率以及可靠性、隔离性、低阻力、体积小、可控制、汇源分离等独特优越性。因此，热管技术已经在越来越广阔的领域取得卓有成效的应用，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。可持续性发展已经成为整个社会发展的方向，采暖空调是能耗大户，其技术的发展自然也要走可持续发展之路。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上得到广泛的应用，使之成为实现采暖空调低能耗、高效率、冷热源多样性、走绿色空调之路的现实技术基础之一。在实现人与自然的和谐相处和可持续发展方面，具有广阔的发展前景.

2热管技术的几个特点

以热管为传热单元的热管换热器同常规换热器相比，有很多独特的优越性[1～3]：

2.1传热效率高

由于热管换热器是以热管为传热单元，热管具有很高的导热性，与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可以多传递几个数量级的热量。热管换热器的效率往往可达80%以上，可以有效的利用数量几乎无限以及形式多种多样的工业废热、太阳能、地热能等低品位能源和回收采暖空调系统供、回风之间小温差热能。

2.2热管管壁温度的可调性

热管管壁温度可以调节，这在低温余热回收或热交换中是相当重要的，因为可以通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温度流体的露点以上，从而可以防止露点腐蚀，保证设备长期运行。

热管管壁温度的可调性，对采暖空调系统的另一个意义在于，在供回风系统中，通过调整管壁温度，使冷端温度低于冷流体露点温度以下，达到既回收显热能又增强去湿、降低潜热负荷的作用，从而大大改善采暖空调系统的效果。

2.3恒温特性

可变导热管（VCHP——VariableConductanceHeatPipe）的开发可以实现变工况情况下冷、热源的恒温特性，既可以要求当热负荷或热源温度发生很大变化时，冷凝段或热汇的温度保持不变，又可成功地用于保持热管或热源温度不随热负荷或热汇温度的变化而改变。热管的这种特性使其在采暖空调工程中显示出其它换热方式所不具备的诱人之处。比如：利用汽车排放的尾气来加热乘客车厢，热源的热负荷、排气温度都随汽车工况变化幅度很大，但要求冷凝段或热汇温度保持不变。这个问题可以通过热管的液体控制技术来实现。

2.4适应性强

冷、热段结构和位置布置灵活，可以实现汇源分离。由热管组成的换热设备的受热部分和放热部分结构设计和位置布置非常灵活，汇源分离的距离可以根据实际需要及所采用的热管性能来定，可以从几十厘米到一百米，可以实现冷热流体之间的零泄漏。在采暖空调工程中特别适合于有毒环境下的废热、余热回收。

另外，热管换热器还有安全可靠、阻力小、单向导热（热二极管）等特性。热管换热器几乎没有什么机械障碍，是二次间壁换热，热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏，所以大大增强了设备运行的可靠性。热管换热器非常适合于回收各种连续生产工艺的余热作为采暖空调工程的热源。热二极管原理在太阳能、地源能利用及空调系统供排风热回收工程中有很重要的应用价值。

3热管技术在采暖空调工程中的应用

热管自1964年正式在美国发明问世。热管传热技术经历30多年的发展，由于它具有常规换热技术所没有的许多独特优越性，应用领域已经相当广泛，应用的重点由航天转移到地面，由工业化应用扩展到民用产品。经过20余年的努力，我国的热管技术工业化应用已处于国际先进水平，在采暖空调领域的应用也有很大的发展[4～8]。

3.1用热管技术回收通风空调工程热能

商业建筑和公共机构的建筑一般都有大功率的通风系统，外面进来的新鲜空气先经过处理，使它的温度和湿度都在设计规定的限度之内，而后连续置换从建筑结构内排出的经过调节的空气。在这个空气置换过程中，能量消耗是相当可观的。因而，采用某种办法回收空调设备排气的热能，就有举足轻重的经济效益。热管换热器具有高效率、隔离性能和热二极管作用等特性，因此非常适合于回收空调排气的热能。

文献[6]指出：如果空调系统新风量按送风量的30%考虑，采用分体热虹吸热管冷热回收装置，可使空调系统节能7%以上。试验表明冷热气流温差只要超过3℃即可回收能量。据此，我国上海、南京等长江中下游地区夏季空调冷回收时间可达1500h以上。经按气象参数计算，三年内可收回设备初投资费用。

文献[8]指出：对于室内温度22℃，相对湿度50%的空调工况，在供回风系统中加装热管换热器以后，达到了以下效果：

a）在室外温度波动率超过4.4℃时，室内温度波动小于0.3℃，相对湿度波动小于0.5%；

b）热管换热器效率接近100%；

c）去湿能力比普通系统提高62%，比旁通系统提高70%。相应地，辅助再热量分别减少20%和18%。潜在能效比（LEER——Latentenergy-efficiencyratio）分别提高90%和87%；

d）热管换热器投资静态回收期（Simplepaybackperiod）相对于普通系统是4年，相对于旁通系统是5.1年。

3.2热管技术在电站锅炉上的应用

根据已开发的资料统计，国内电站锅炉采用热管空气预热器至1993年底就有38台，除个别因设计考虑不周失败外，绝大多数运行效果良好。长期的运行表明，一般有以下效果：

a）锅炉效率可提高0.2%~6%；

b）漏风系数小于2%，是钢管空气预热器的1/10~1/3，是进口回转式空气预热器的1/5~1/12，是国产回转式空气预热器的1/12~1/20；

c）送、引风机功率一般下降30~110kW。

3.3用热管技术回收工业余热、废热

用整体式热管换热器技术开发的热管余热锅炉产生的蒸汽压力可达12MPa。进入余热锅炉的烟气温度最高可以达到1100℃。热管余热锅炉的最大特点是结构紧凑、体积小、安全可靠。与一般烟管式余热锅炉相比，其重量仅为烟管式余热锅炉的1/3~1/5，外型尺寸只为烟管式余热锅炉的1/2~1/3。烟气通过余热锅炉的压力损失一般为20~60Pa，故风机的电耗也很小。热管元件的破损，不影响蒸汽系统的循环，无须为此停车检修。

3.4用热管技术回收车、船柴油机排气余热

柴油机的排气余热约占燃料总热值的34%，排气温度在300℃~400℃之间。回收这部分余热加以利用，将会获得很好的经济效益。长江航轮柴油机热管余热锅炉的设计参数见表1，该设备整个投资回收期约为2000h。

3.5热管技术在开发太阳能中的应用

由于热管本身所具有的众多特点，如均温性、热流密度可以变化，热二极管特性等，使其在太阳能的应用中具有极为广泛的应用前景。世界各国对热管太阳能技术的开发大致可分为三个方面：

a）民用太阳能集热器：热水供应、取暖、制冷、太阳能冰箱、太阳灶；

b）农业、工业用太阳能集热器：如海水淡化、粮食及各种物料干燥，太阳能暖房；

c）太阳能发电设备、太阳能电池等。

我国的热管太阳能应用技术主要集中在民用热水器的开发和研究。近几年来，中国太阳能热水器产业得到迅速发展，初步形成了配套的新型产业化体系。据统计，截止2000年底，全国年产销太阳能热水器600万m2，产值达50亿人民币。现有太阳能热水器保有量超过2000万m2，是世界上最大的产销大国。

4热管技术在采暖空调工程中的应用探索

4.1太阳能空调技术的开发和应用[9～11]

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。这是人和自然和谐的理想境界。

从理论上讲，太阳能空调的实现有两种方式：一是先实现光-电转换，再用电力驱动常规压缩式制冷机进行制冷；二是利用太阳能的热能驱动进行制冷。对于前者，由于大功率太阳能发电技术的昂贵价格，实用性较差，因此，太阳能空调技术一般指热能驱动的空调技术。在我国，以热管技术为主要技术基础之一的太阳能热水器产业的迅速发展，使得我国成为世界上最大的太阳能产销国。由于规模效应，不仅我国太阳能集热技术居于世界前列，生产成本也有了大幅度的下跌，这就为太阳能空调迈入实用化和推广普及奠定了现实基础。在国内，有许多科技工作者在这一领域进行了大量的研究，并取得了成果。

上海交通大学制冷与低温工程研究所1998年首次提出了一种太阳能供热与制冷联合循环的复合机装置，巧妙而自然地实现了白天产的热水供夜间使用，而夜间的蓄冷供白天使用，把太阳能的热利用与冷利用有机地结合起来，提高了太阳能的利用效率。

1998年1月，中科院广州能源研究所研制成功了实用型太阳能空调热水系统，在广州江门市投入运行。其中，制冷用热水温度65~75℃，生活热水温度55~60℃，一台100kW两级吸收式制冷机可满足超过600m2的空调负荷。

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。系统设计充分体现太阳能的特色，使太阳能与建筑融为一体，造型美观，新颖别致，二者相得益彰。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，过渡季节提供生活热水的能力。

相信随着经验的积累，工艺的进步，技术的提高，以热管集热为技术基础之一的太阳能空调技术一定有广阔的应用前景，象太阳能热水器一样实用地进入大众家庭的商业化阶段也将为期不远。

4.2热管技术在地热资源开发中的应用[12～15]

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，已运行20年，可满足拉萨地区45%~50%的电力需求。近几年发展最快的是中、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800万m2，天津市已达到500万m2，随着对环境的重视，北京地区也在加强规划。在地热资源的开发中，热管技术大有作为。

日本专家对利用长热虹吸管提取地热能进行了研究，对热虹吸管中流体流动和传热特性的理论研究预测结果是：当热虹吸管全长为1500m，受热段长度100m，外管内径为10cm时，其临界地热能提取率估计为：提取的蒸汽温度100~200℃，总传热系数0~2000W/m2.K。

美国西弗吉尼亚，日本长野等地通过热管技术利用地下5~20m深处的地热融化停车场、高速公路收费处、加油站等地面积雪，效果良好。而过去常采用在道路下面埋设管子，用循环热水融雪，因而能耗大，运行费用高。

日本专家还进行了热虹吸管提取的地热能为冬季温室加热的实验研究，并进行了西红柿种植试验。结果表明：使用热管与不使用热管相比较，室温提高2~9℃，而且，室外温度越低，温差越大；西红柿的生长速度也可快一倍。在供热性能方面，使用热管的温室可以和烧油的温室媲美。

发展高科技农业，实施立体化种植、工厂化生产是未来农业可持续发展的战略目标。我国是一个人均耕地较少的国家，人均可耕地不及印度，居世界后列；我国各地气候差异很大，因此发展立体种植并强化反季节蔬菜等的生产就成为必然的选择。资料统计表明：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，从目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。

4.3热管技术与地源热泵[16～21]

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效、节能、环保型空调系统，属于“绿色技术”。据世界环境保护组织EPA的一份有关空调未来发展的报告所得出的结论：地源热泵技术在为家庭居民带来舒适、可靠和高效节能的空调环境的同时，将成为降低国家能源消耗和环境污染的一个主要力量。

地源热泵按照室外换热方式可分为三类：

a）土壤埋盘管系统（闭路系统），分三种情况：垂直埋盘管、水平埋盘管和螺旋盘管；

b）地下水系统（开路系统），分两种情况：双井系统和单井系统；

c）地表水系统，分两种情况：间接闭路系统和直接开路系统。

地源热泵在推广的过程中，有待进一步完善的技术问题主要有两个方面：即地下盘管问题和地下水资源问题。

热管换热器在换热、防腐等技术问题上的成熟使热管技术能较好地解决这两个问题。设想在地下埋置热管换热器，换热器一端置于土壤或地下水中，另一端连到封闭小水箱中，水箱与热泵冷（热）源供回水管组成封闭环路；换热器水箱、管路可以采用耐腐蚀材料，环路中循环工质可以采用盐水或选用其它热容量大、导热性能好的液体。这样，一方面发挥热管换热器优越的传热性能，充分利用地源热能的资源优势，提高热泵效率，还可减缓甚至避免因腐蚀和结垢而导致的效率降低或停机事故的发生；另一方面，因循环回路简单，阻力小，可以大大降低水泵功耗，节省水泵投资和运行费用，还可节省打井投资，避免地下水资源浪费和因过量开采地下水引起的环境问题。

因此，热管技术和地源热泵相结合，可以使地源热泵技术扬长避短，投资更省，效率更高，适应性更强。

5结语

采暖空调是能耗大户，随着我国经济的迅速发展和生产、生活对环境要求的日益提高，采暖空调能耗在总能耗中的份额还将进一步快速增加，因此，发展节能、环保的采暖空调技术是可持续发展的必然要求。热管技术经过三十几年的发展而日趋成熟，并在很多领域有卓有成效的应用。而且，在我国由于热水器等太阳能产业的推广而形成的规模效应，价格已大幅下跌，这就使得热管技术成为新能源和可再生能源开发应用的现实技术基础之一。

热管技术和现代采暖空调技术的结合，可以实现能源消耗的“开源节流”，改善能源消耗结构，提高能源综合利用效率，保护生态环境，增强采暖空调事业乃至整个社会的可持续发展的能力，具有广阔的发展前景。

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