王志成，張 宇，張 玥，楊春英，袁 闊

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，黑龍江 哈爾濱 150027;2.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國數(shù)據(jù)處理中心、通信基站等電子信息系統(tǒng)的機(jī)房建設(shè)規(guī)模日益劇增，這類機(jī)房長年溫度需維持在18～28℃[1]以保證設(shè)備的正常運(yùn)行，目前多采用壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)全年不間斷地進(jìn)行溫度調(diào)控，這就導(dǎo)致其耗電量在機(jī)房總能耗中的占比可達(dá)40%以上[2-3]。我國地域遼闊，橫跨六個(gè)溫度帶，其中黑龍江省、吉林省等地區(qū)的月平均氣溫>10℃的月份不超過5個(gè)月、年平均氣溫≤5℃，這些區(qū)域因此也被稱為寒區(qū)。學(xué)者陳仁升等人[4]研究發(fā)現(xiàn)我國寒區(qū)面積有417.4萬平方公里，占我國陸地面積的43.5%，蘊(yùn)藏著非常豐富的自然冷源。若能借助寒區(qū)的室外自然冷源量解決電子信息系統(tǒng)機(jī)房供冷高能耗問題，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)國家的節(jié)能減排倡導(dǎo)。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對室外自然冷源的利用，提出了一種分離式熱管技術(shù)，依據(jù)室內(nèi)外溫差并借助分離式熱管完成室內(nèi)與室外的換熱；且室外冷空氣與室內(nèi)熱空氣無任何交集，從而保障了機(jī)房內(nèi)的濕度和潔凈度控制要求，這使該技術(shù)要優(yōu)于直接引進(jìn)新風(fēng)供冷技術(shù)。對于分離式熱管技術(shù)的換熱性能及節(jié)能性，學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。學(xué)者胡張保等人[5]從工作原理、影響因素以及技術(shù)特征等方面，較為系統(tǒng)地介紹了分離式熱管在數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。石定明[6]、唐志偉[7]、張泉[8]、羅文[9]等學(xué)者利用仿真與實(shí)驗(yàn)等手段對分離式熱管技術(shù)的換熱特性進(jìn)行分析，并為分離式熱管的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了技術(shù)支持。在節(jié)能性方面，Ding[10]、金鑫[11]等學(xué)者通過分離式熱管的性能實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為該系統(tǒng)具備較高的能效比，且在冬季節(jié)能效果更為顯著。此外一些學(xué)者如楊春英等人[12]根據(jù)適用于通訊基站的分離式熱管技術(shù)研究，進(jìn)一步探討了分離熱管系統(tǒng)裝置的最佳安裝方式等。眾多的研究結(jié)果表明利用分離式熱管技術(shù)進(jìn)行節(jié)能是可行且可靠的。

本文在以上學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套利用寒區(qū)自然冷源的智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)裝置，其主要采用分離式熱管技術(shù)，通過與壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)共同運(yùn)行，并借助控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電子信息機(jī)房供冷的高效智能節(jié)能減排工作。

1 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)研究主要分為兩部分，第一部分探討不同影響因素下分離式熱管系統(tǒng)的供冷性能，第二部分則是依托第一部分的研究結(jié)果設(shè)計(jì)智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)，并進(jìn)行節(jié)能性分析。

1.1 工作原理

智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用了分離式熱管技術(shù)，該技術(shù)主要是依據(jù)制冷劑的相變作用將室內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到室外環(huán)境中[13]，其蒸發(fā)段與冷凝段相互分開[14]。圖1為智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)工作原理，其中左側(cè)部分為分離式熱管系統(tǒng)，右側(cè)部分則為壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)。

圖1 智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)工作原理示意

在分離式熱管系統(tǒng)中，液態(tài)制冷劑流經(jīng)蒸發(fā)器時(shí)，通過熱管與室內(nèi)高溫氣體進(jìn)行換熱，蒸發(fā)吸熱氣化；然后氣態(tài)制冷劑利用浮升力經(jīng)由氣體管上升至室外一定高度處的冷凝器中，冷凝放熱液化；而后重新形成的液態(tài)制冷劑受重力影響經(jīng)由液體管落回蒸發(fā)器內(nèi)，繼續(xù)吸收室內(nèi)熱量再次氣化，從而形成一個(gè)完整的自然制冷循環(huán)回路，源源不停地將室內(nèi)熱量帶到室外。整個(gè)過程中為加強(qiáng)系統(tǒng)的換熱作用，室內(nèi)室外均配備了低功耗率的風(fēng)機(jī)；當(dāng)室內(nèi)外氣溫差大于某一設(shè)定值或室外溫度小于某一設(shè)定值時(shí)，分離式熱管系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)行制冷，反之，則采用空調(diào)系統(tǒng)。

圖2 部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

本次實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在黑龍江省哈爾濱市，屬于寒區(qū)。參考小型通訊基站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)室尺寸為3 m×3 m×2.7 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為彩鋼夾芯板；室內(nèi)室外風(fēng)機(jī)采用WYS4-30APM-01，其性能參數(shù)為220 V-50 Hz-0.2 A-80 W；機(jī)房發(fā)熱設(shè)備使用熱油汀裝置進(jìn)行模擬，發(fā)熱功率為800 W、1 400 W、2 200 W；在室外和室內(nèi)等多個(gè)位置(包括蒸發(fā)器的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口及熱油汀周圍)分別布放多個(gè)Pt100型熱電阻，并用SM1200B-50溫度采集儀不間斷地采集各個(gè)部分的溫度，每10 s記錄一次；利用數(shù)字冷媒表testo550分別采集換熱設(shè)備冷凝端和蒸發(fā)端兩端的壓力；工質(zhì)選用R22作為制冷劑。

1.3 實(shí)驗(yàn)處理方法

本實(shí)驗(yàn)欲探討各個(gè)因素如制冷劑充注率、風(fēng)機(jī)風(fēng)量、室內(nèi)外溫差及蒸發(fā)器和冷凝器垂直高差作用下的分離式熱管系統(tǒng)供冷性能規(guī)律，以尋求最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。影響因素主要采用單一變量控制的方法進(jìn)行研究，其中制冷劑充注率、風(fēng)機(jī)風(fēng)量及垂直高差屬于人為影響因素，易于控制；但室內(nèi)外溫差則屬于環(huán)境影響因素，其室外溫度人為控制難度大，因此本實(shí)驗(yàn)在短時(shí)間內(nèi)室外溫度變化微小的情況下，借助控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)熱設(shè)備的發(fā)熱量，盡量維持室內(nèi)外溫差的一致，并利用多次測試取平均的處理辦法保證系統(tǒng)供冷性能參數(shù)獲取的準(zhǔn)確性與合理性。

供冷性能的評價(jià)準(zhǔn)則采用制冷量Q和能效比COP進(jìn)行表征。制冷量Q指蒸發(fā)器每單位時(shí)間內(nèi)與周圍環(huán)境的換熱量，可以反映系統(tǒng)的制冷情況；能效比COP則指制冷量Q與系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的耗電量W之比，可以反映系統(tǒng)的節(jié)能情況。根據(jù)傳熱學(xué)的相關(guān)理論可知，制冷量Q及能效比COP計(jì)算如下

Q=ρqvCp(t2-t1)/3 600

(1)

COP=Q/W

(2)

式中W——風(fēng)機(jī)耗電量/W；

ρ——空氣密度/kg·m-3取1.2；

qv——風(fēng)機(jī)風(fēng)量/m3·h-1；

Cp—— 空氣定壓比熱/J·(kg·℃)-1，取1 007；

t1——蒸發(fā)器出口空氣溫度/℃；

t2——蒸發(fā)器進(jìn)口空氣溫度/℃。

2 分離式熱管系統(tǒng)供冷性能分析

2.1 制冷劑充注率

在分離式熱管系統(tǒng)的供冷性能研究中，優(yōu)先考慮制冷劑充注率這一因素。制冷劑充注率m(一般以百分比的形式表示)，定義為某一狀態(tài)下制冷劑的充注體積V1與蒸發(fā)器的容積V2之比，即下式(3)。按照實(shí)際充注情況及式(3)計(jì)算，m有可能超過100%

m=V1/V2×100%

(3)

充注率過低時(shí)，在蒸發(fā)器中的制冷劑將由液態(tài)全部變?yōu)闅鈶B(tài)，處于過熱狀態(tài)，造成蒸發(fā)器吸熱量不足、換熱效率低下。充注率過高時(shí)，制冷劑的氣化程度反而不完全，其中部分液體將會(huì)被氣體攜帶著進(jìn)入蒸汽上升管乃至冷凝器中，并在冷凝器的內(nèi)表面形成一層液體薄膜，使其傳熱熱阻增加，削弱了系統(tǒng)換熱性能。因此在其他條件不變的情況下，隨著制冷劑充注率的加大，系統(tǒng)的制冷量和COP均出現(xiàn)先增加后減少的變化規(guī)律，見圖3(實(shí)驗(yàn)條件為室內(nèi)外溫差20 ℃，垂直高差2.8 m，風(fēng)量2 000 m3/h)，這說明制冷劑存在最佳充注率。

最佳制冷劑充注率主要依據(jù)制冷量進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)橹评淞吭酱?，制冷速度越快，溫度的增幅越容易得到控制。根?jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對制冷劑充注率與制冷量進(jìn)行三次方擬合，如下式(4)。制冷量與制冷劑充注率的擬合曲線與原數(shù)據(jù)的對比見圖3，擬合誤差在5%以內(nèi)，符合精度要求。經(jīng)過計(jì)算，本分離式熱管系統(tǒng)的最佳制冷劑充注率為184%，此時(shí)制冷量最大，達(dá)到了3.6 kW

圖3 充注率對制冷量及COP的影響

Q=3.897 39-0.103 56m+0.001 08m2-2.855 41×10-6m3

(4)

2.2 風(fēng)機(jī)風(fēng)量

從圖4(實(shí)驗(yàn)條件為室內(nèi)外溫差20 ℃，垂直高差2.8 m，制冷劑充注率為184%)中可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量加大的作用效果表現(xiàn)為，分離式熱管系統(tǒng)的制冷量處于先快后緩的增長趨勢，而COP的變化規(guī)律則是先增后減，且大約在風(fēng)量為1 600 m3/h時(shí)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

圖4 風(fēng)機(jī)風(fēng)量對制冷量及COP的影響

在較低風(fēng)量時(shí)，蒸發(fā)器換熱表面的空氣流速較低，導(dǎo)致室內(nèi)空氣不能與制冷劑進(jìn)行充分的循環(huán)熱交換，因此制冷量和COP均較小。風(fēng)量過高時(shí)，盡管室內(nèi)空氣循環(huán)速度加快，但較熱空氣與蒸發(fā)器的接觸時(shí)間較短，換熱效率反而有所下降，所以其制冷量的增長速率趨緩。而隨著風(fēng)量增加，風(fēng)機(jī)耗電量增長率一般不變或略有加快，因此勢必會(huì)有耗電量大于制冷量的情況，COP也就開始下降甚至驟降。

2.3 室內(nèi)外溫差

室內(nèi)外溫差在分離式熱管系統(tǒng)設(shè)計(jì)中扮演著極其關(guān)鍵的角色。分離式熱管系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力主要是氣態(tài)制冷劑在重力作用下產(chǎn)生的浮升力，也就是氣液兩相間的密度差造成的影響。溫度差越大，導(dǎo)致密度差越大，工質(zhì)循環(huán)加快，換熱效果也就越好。另外根據(jù)傳熱學(xué)原理，除輻射外，熱量與溫度差是正比關(guān)系，這也解釋了圖5(實(shí)驗(yàn)條件為垂直高差2.8 m，制冷劑充注率184%，風(fēng)量2 000 m3/h)中制冷量和COP隨室內(nèi)外溫差基本呈現(xiàn)線性增加的原因，也表明了該系統(tǒng)特別適用于室內(nèi)和室外溫度相差較大情形(如冬季)下的供冷。

圖5 室內(nèi)外溫差對制冷量及COP的影響

2.4 蒸發(fā)器和冷凝器的垂直高差

圖6(實(shí)驗(yàn)條件為室內(nèi)外溫差20 ℃，垂直高差2.8 m，制冷劑充注率184%)表明，蒸發(fā)器和冷凝器的垂直高差對分離式熱管系統(tǒng)的供冷設(shè)計(jì)中也起著顯著的作用，具體表現(xiàn)為垂直高差由1.5 m增至2.8 m，制冷量則由1.8 kW增長為3.6 kW，COP也由9.4提升至20.6。由于重力作用，垂直高差越大，制冷劑相變循環(huán)速度越快，制冷量和COP也就越大且變化一致。但高差增大也就意味著管路系統(tǒng)變長，尤其當(dāng)管路系統(tǒng)安裝較為復(fù)雜時(shí)，管路系統(tǒng)的流動(dòng)阻力也就相應(yīng)增大，工質(zhì)循環(huán)速度變慢，供冷性能下降。因此建議管路系統(tǒng)應(yīng)盡量簡單，減少不必要的彎管等造成阻力增大的結(jié)構(gòu)。

圖6 蒸發(fā)器和冷凝器的垂直高差對制冷量及COP的影響

3 智能控制策略及節(jié)能分析

智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)的智能性主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)的合理有效性上，即控制系統(tǒng)應(yīng)能夠“快、穩(wěn)、準(zhǔn)”地控制室內(nèi)溫度變化，且基于分離式熱管技術(shù)能進(jìn)一步提高能源利用率，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的高效節(jié)能效果。因此本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是，根據(jù)上述分離式熱管系統(tǒng)供冷性能規(guī)律分析，按照最優(yōu)制冷劑充注率和最優(yōu)垂直高差，進(jìn)一步確定分離式熱管系統(tǒng)或壓縮式制冷空調(diào)的切換(即開啟/關(guān)閉)條件以及風(fēng)機(jī)風(fēng)量隨溫差的控制規(guī)律。

3.1 聯(lián)合運(yùn)行切換條件

分離式熱管系統(tǒng)和壓縮式制冷空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行的切換條件的選取，應(yīng)該保證智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果最佳，且盡量避免人為影響因素，因此宜選擇環(huán)境影響因素作為切換條件，即室內(nèi)外溫差。房間冷負(fù)荷隨室外氣溫的降低而減小，分離式熱管系統(tǒng)的制冷量隨室外氣溫的降低而增加，根據(jù)熱平衡原理，作為切換條件的室內(nèi)外溫差應(yīng)滿足以下關(guān)系：

發(fā)熱設(shè)備的冷負(fù)荷(Qh)+圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷(QW)=分離式熱管系統(tǒng)的制冷量(Q)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷QW應(yīng)按下式計(jì)算

QW=AK(tw-tn)a

(5)

式中A——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總表面積/m2，取50.4 m2；

K——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

tw——室外溫度/℃；

tn——室內(nèi)溫度/℃；

a——溫差修正因子，取1.37。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總傳熱系數(shù)K應(yīng)按下式(6)進(jìn)行計(jì)算

(6)

式中αn——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W·(m2·℃)-1；

δ——圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度/m；

αλ——圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

λ——材料的修正因子；

Rk——圍護(hù)結(jié)構(gòu)封閉空腔的傳熱熱阻/(m2·℃)·W-1；

αw——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W·(m2·℃)-1。

經(jīng)計(jì)算，K為2.53 W/(m2·℃)。

式(5)與式(1)聯(lián)立可以得到式(7)，如式(7)所示

Qh+AKa(tw-tn)=rqvCp(t2-t1)/3 600

(7)

按照式(7)，以最大風(fēng)量(2 000 m3/h)和最大發(fā)熱量(熱油汀最大發(fā)熱功率2 200 W)計(jì)算，并根據(jù)制冷劑充注率184%和垂直高差2.8 m的實(shí)驗(yàn)條件得到的蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差5.7 ℃，可以獲取兩系統(tǒng)切換的最低室內(nèi)外溫差Δtmin為8 ℃。當(dāng)室內(nèi)外溫差大于8 ℃時(shí)，即分離式熱管系統(tǒng)的制冷量高于室內(nèi)的冷負(fù)荷(Qh與QW之和)時(shí)，單獨(dú)運(yùn)行分離式熱管系統(tǒng)進(jìn)行制冷；反之，則關(guān)閉分離式熱管系統(tǒng)，運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制冷。

3.2 風(fēng)量隨溫差的控制規(guī)律

在其他系統(tǒng)條件一定時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量應(yīng)具備根據(jù)室內(nèi)外溫差的高低進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的能力，從而使得智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。下式(8)表明風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速比的正比關(guān)系，因此只需控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量的目的。鑒于無級(jí)變頻方式成本高、裝置復(fù)雜、可靠性差、機(jī)械損耗大以及運(yùn)行壽命短等缺點(diǎn)，風(fēng)機(jī)采用分檔的方式進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，分別是1 600 m3/h、1 800 m3/h和2 000 m3/h共計(jì)三個(gè)檔位。此外，結(jié)合式(7)，按最大發(fā)熱量考慮可以分別得到三個(gè)檔位對應(yīng)的臨界室內(nèi)外溫差，即Δt1(=15 ℃)、Δt2(=12 ℃)、Δt3(=Δtmin=8 ℃)

(8)

式中qv1——與轉(zhuǎn)速n1對應(yīng)的風(fēng)量/m3·h-1；

qv2——與轉(zhuǎn)速n2對應(yīng)的風(fēng)量/m3·h-1。

圖7為風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的控制原理，設(shè)定室內(nèi)溫度目標(biāo)值后，溫度傳感器測出室內(nèi)室外溫度，再利用PID控制器計(jì)算溫差并由此不斷調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，最終滿足室內(nèi)溫度要求。圖8中，在室內(nèi)外溫差為Δtmin(=8 ℃)、風(fēng)量為2 000 m3/h時(shí)，此時(shí)室內(nèi)與室外恰好處于熱平衡狀態(tài)，雖不能抑制室內(nèi)溫度的增長，但可延緩其增長速率；當(dāng)室內(nèi)外溫差大于Δtmin(=8 ℃)時(shí)，分離式熱管系統(tǒng)的制冷效果增強(qiáng)，開始降低室內(nèi)溫度；隨著溫差增加Δt2(=12 ℃)到Δt1(=15 ℃)或以上，風(fēng)機(jī)風(fēng)量通過控制器自動(dòng)調(diào)整為1 800 m3/h或1 600 m3/h，不僅可滿足室內(nèi)供冷需求，還可降低風(fēng)機(jī)能耗。此外，為防止設(shè)備頻繁運(yùn)行導(dǎo)致的壽命損耗等問題，系統(tǒng)還設(shè)置了延時(shí)開啟等功能。

圖7 風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的控制原理

圖8 風(fēng)機(jī)風(fēng)量隨室內(nèi)外溫差變化的調(diào)節(jié)規(guī)律

3.3 溫度調(diào)控及節(jié)能性分析

智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行流程見下圖9。室內(nèi)溫度大于某個(gè)設(shè)定值(如28 ℃)時(shí)，控制器首先啟動(dòng)分離式熱管系統(tǒng)；若分離式熱管系統(tǒng)供冷效果無法達(dá)到室內(nèi)熱負(fù)荷要求(即室內(nèi)外溫差小于8 ℃)，則切換為空調(diào)系統(tǒng)；反之，繼續(xù)運(yùn)行分離式熱管系統(tǒng)。系統(tǒng)可設(shè)定設(shè)備開啟溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)測并反饋室內(nèi)室外溫度變化情況，不斷調(diào)整各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，這樣可防止室內(nèi)溫度過高，有效縮短空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間，繼而大幅度減少整個(gè)系統(tǒng)的耗電量。

圖9 智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行流程

溫度調(diào)控測試時(shí)間為夏季的8月10號(hào)至8月19號(hào)，并劃分為三個(gè)時(shí)間段，即8月10號(hào)為設(shè)備調(diào)試時(shí)間段，11號(hào)至14號(hào)為智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)開啟時(shí)間段，15號(hào)至19號(hào)則為空調(diào)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)間段，其中第二個(gè)和第三個(gè)時(shí)間段為結(jié)果對比組。

8月11號(hào)到14號(hào)的室內(nèi)溫度的變化情況如下圖10所示，智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)開啟后，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行(或者不運(yùn)行)，室內(nèi)溫度始終可以維持在28～29 ℃左右，基本達(dá)到室內(nèi)溫度設(shè)定的28 ℃要求。由于受室外環(huán)境和系統(tǒng)延時(shí)開啟功能影響，因此8月13號(hào)的室內(nèi)溫度波動(dòng)較為劇烈，但系統(tǒng)仍能在較短的時(shí)間內(nèi)快速降溫，控制精度為±1 ℃。

圖10 8月11-14號(hào)室內(nèi)溫度情況

表1為8月11號(hào)至18號(hào)的耗電量統(tǒng)計(jì)，其中節(jié)電量J和節(jié)電率L的計(jì)算公式分別如下式(9)和(10)。由表中數(shù)據(jù)可以看出，在8月14日節(jié)能效果最好，一天少用27.2 kW·h的電，折合電費(fèi)13.87元(按照最新電費(fèi)價(jià)格0.51元/kW·h計(jì)算)；在8月11日節(jié)能效果最差，一天少用5.3 kW·h的電，折合電費(fèi)2.7元；測試期間的節(jié)電率最高為77.1%

表1 耗電量統(tǒng)計(jì)

J=W1-W2

(9)

L=(W1-W2)/W1×100

(10)

式中W1——空調(diào)系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行的耗電量/kW·h；

W2——空調(diào)系統(tǒng)與分離式熱管系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的每日耗電量之和/kW·h。

經(jīng)計(jì)算，本次實(shí)驗(yàn)的8月11號(hào)至14號(hào)耗電量與15號(hào)至18號(hào)的耗電量比較，智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)的最大節(jié)能率可達(dá)到77.1%，最小節(jié)能率為15%。根據(jù)相關(guān)氣象資料顯示，哈爾濱及附近地區(qū)夏季的平均溫度在14～25℃之間，高溫天氣相對較少；冬季的平均溫度則在-20～-5℃之間；春秋兩季氣溫則處兩者之間。表2表明整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間的平均氣溫在17.6～26℃，屬于典型的夏季天氣，由此可推測出智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)(也即分離式熱管系統(tǒng))在整個(gè)夏季都可以擁有較為可觀的節(jié)能效果。若在冬季采用本系統(tǒng)，則基本可以取代壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)，從而保證了本系統(tǒng)的最大節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

表2 實(shí)驗(yàn)期間室外天氣狀況

4 結(jié)論

本文通過對智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行供冷性能和節(jié)能效果的實(shí)驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)分離式熱管系統(tǒng)制冷量不會(huì)隨制冷劑充注率和垂直高差的增加而無限增大，但會(huì)隨風(fēng)機(jī)風(fēng)量以及室內(nèi)外溫差增加而不斷增大；系統(tǒng)COP隨室內(nèi)外溫差增加呈現(xiàn)線性增長趨勢，在制冷劑充注率、垂直高差和風(fēng)機(jī)風(fēng)量影響下其均存在最優(yōu)值。

(2)分離式熱管智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)切換條件設(shè)計(jì)為最低室內(nèi)外溫差Δtmin(=8℃)。低于8℃，單獨(dú)運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)制冷；反之，則運(yùn)行分離式熱管系統(tǒng)制冷，并根據(jù)實(shí)際的室內(nèi)外溫差，適當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，既可滿足室內(nèi)溫度的調(diào)控要求，又可減少耗電量。

(3)與機(jī)房原有單獨(dú)運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)相比，智能節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)在寒區(qū)應(yīng)用具有更佳的節(jié)能效果。