热管空气处理盘管
对中央空调能耗的影响
摘要
本文调查研究了中央空调系统中热管空气处理盘管对能源的消耗的影响。以一座办公楼为例,研究表明,与传统的回风式中央空调相比,热管空调系统能节省冷却和加热能源。研究表明，对于在通常的22℃-26o C范围内的室内设计温度和50%相对湿度内，这座办公大楼节约了23.5-25.7%的制冷能量，38.1–40.9%的总能量消耗。热管空调系统的能量节约率随室内设计温度的提高及室内的相对湿度的减少而提高，相对湿度对能量节约率的影响远比室内设计温度的影响要大。研究表明，当热管盘管空气处理应用到中央空调系统中，可以大大降低能耗，并且能提升室内热舒适度及空气质量。
关键词：热管空气处理盘管能源节约率回风式中央空调余热回收1.简介
随着中国经济的迅速发展和人民生活水平的显著提高，最近几年空调的使用数目迅速增多。空调需求量的增多，使得能源消耗快速提升。文献[1]中调查显示，在中国上海建筑总能量消耗中，空调系统能量消耗在餐厅中占46.1%，商业建筑中占40.5%，办公楼占中49.7%，医院中占30.3%。由于中国能源资源匮乏，日益增加的能量需求将对经济的进一步发展造成严重的负担。当今，如何利用新的能源节约技术和设备来降低能源消耗成为一项重要的课题。
为了降低建筑中空调的能耗，露点空气供给设备经常应用于空调系统中。但是当潮湿空气离开制冷盘管，往往相对湿度太高（约95%RH）且温度过低，不能直接用于应用空间，否则会使人们感觉不舒适。除此之外，如果应用空间、低速管道及空气室中的相对湿度超过70%，将会出现真菌，霉菌等，从而对公众健康造成威胁。因此,为了保持良好的室内热舒适度和空气质量,并降低发病率(如军团杆菌疾病),必须保持送风的相对湿度低于70%，这就意味着相对湿度控制是空气供给中的一个重要方面。但是如果将传统的制冷盘管用于提升室内热舒适度和
空气质量，则需要外置能量用于重新加热气流，来使其从设备露点达到所要求的送风状态。为了解决这个问题，可将热管空气处理盘管用于回收外部热空气的热量来加热露点状态的空气，从而节约再热能量。文献[2]中研究表明，进风温度在24.5℃到28℃范围内，回收能量能够满足大多数工业和商业空调设备的再热要求。此外，热管处理盘管的蒸发器能作为一个预冷器，在室外热空气在到达冷却盘管前对其进行预冷，从而增强冷却盘管的除湿能力，降低冷负荷峰值。
相对于其他热回收设备，人们对热管极为感兴趣。因为它是一个被动的高导热率热转换装置，并且不需要能量或者机械部件，以温差为动力，能够减少维修和耗能费用。这篇文章将讨论，当热管空气处理盘管应用于空气处理过程时，回风式中央空调系统在不同室内设计温度和相对湿度下的能量消耗。在这项研究中，通过在冷却盘管前后的巡回热管，在空气处理单元中加入一个回路热管，如图1所示。
热管由一个封闭容器，包含有双向工作流体，如冷却剂。当温暖的空气流过蒸发段,热量被冷却剂所吸收的同时,液态制冷剂沸腾变成蒸汽，以较高的速度进入热管冷却段。预冷空气经过制冷盘管，待进一步冷却和除湿之后，以更低的温度和湿度经过热管的冷凝段，在这里利用蒸发段热空气的预热将其再度加热到供气状态。同时，气态的冷凝剂释放热量凝结成液态，并在重力及毛细管现象的双重作用下又回到蒸发段。依靠热管的作用，冷却盘管所需要的制冷能量减少，使冷却管具有更强的除湿能力，从而降低空气的相对湿度，这样一来就可提高室内空气质量和热舒适度。另外通过用热管预冷外部空气，可以降低冷负荷峰值，这图1热管空气处理线圈布置
⑴外部空气 ⑵回风 ⑶预冷空气 ⑷冷却线圈
⑸冷湿空气 ⑹再热空气 ⑺蒸发段 ⑻冷凝段
图2 回风式中央空调空气处理过程
使得设备的尺寸减小，比如冷却装置，冷却水泵等。
2. 空调运行过程中的能耗分析
空调运行过程中的温湿图如图二所示，其中W表示夏季室外空气设计条件的状况，N是室内空气设计条件状况，C表示室内和室外空气的混合点，L代表装置露点，O是空气的供给状态，e是状态线。在图二中，回风式中央空调系统的工作过程有两种情况，一种是实线描述的传统回风式中央空调系统的工作过程，另一种是虚线所描述的利用热管空气处理盘管的回风式中央空调系统（如图一示）。
从表2可知，传统的回风式中央空调系统的工作过程为：
在此空气处理过程中所受的冷负荷为：Q0=G(iC-iL) (1) 其中Q0即为冷负荷(KW)，G是所提供的空气每秒流过的质量(kg/s)，iC是器械露点L时潮湿空气的热函(kj/kg(干空气))。
再次加热的能量需求为：Q1=G(iO-iL) (2) 其中Q1是再次加热的速率(KW)，iO是O处提供的空气状况下潮湿空气的热函(kj/kg(d干空气))
传统的回风式中央空调系统会有部分制冷能量的浪费，这是因为这种空气处理方法需要对器械露点L的空气进行再加热以达到O点的空气状况，在此过程中外部热量被用来抵消部分制冷热量，而这些热量原本可用在提供空气过程中的制冷。不过这种情况可通过如图1所示的在空调的制冷圈旁边加上一个循环热气管得以提高。根据图1,知，利用热气管空气处理盘管的空调运作过程就成为：
据推断，如果围绕着热气管周围的热量能够满足再热空气的需求，那么空气处理过程中所需消耗的能量仅仅是空气制冷和除湿所需的能量。例如：
Q01=G(i C’-i L)
(3)
其中Q01是热气管空调系统在空气处理过程中的冷负荷(KW)，iC’是指潮湿空气在混合状态C下的热函(KJ/Kg(干燥空气))。
在这种途径下节省下的制冷能量为：
=Q0-Q01=G(i C-i C1)=G W(i W-i W’) (4)
其中GW是在空调系统中室内空气质量对室外空气的需求(Kg/s)。这种途径中再热时的能量节省与热气管加热后的热量消耗是相等的，正如公式(2)示。3.室内设计温度对能量消耗的影响
众所周知，空调系统中的冷负荷取决于室内设计的温度值。为了得出在固定的室内设计温度下热气管空气处理盘管对能耗的影响，我们选择了中国广州的一座占地2673平米的三层办公大楼作为数据调查对象。这幢大楼有188名工作人员，每人可吸入外部空气30立方米，所计算出的带热气管的空气处理盘管和不带热气管的空气处理盘管的室内制冷负荷和能量消耗分别列于表1和表2。.计算的条件是：提供的空气温度差为6摄氏度，室内设计相对湿度为50%。
表1 热管回风式中央空调系统在不同室内设计温度下的能耗
表2 传统回风式中央空调系统在不同室内设计温度下的能耗
基于以上的数据结果，带有热气管空气处理盘管的空调系统与未带有热气管
