张洪旺

摘 要：节能是当代学术界的重要课题，是企业创新的热点，也是一项基本国策。文章综述了热管、热泵及热管热泵联合节能技术研究现状，介绍了动力型热管热泵联合节能技术的应用进展及发展趋势，对促进动力型热管热泵联合节能技术的推广具有一定的意义。

关键词：动力型热管；热泵；联合节能技术

中图分类号：S226.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）02-0191-02

Abstract： Energy saving is an important topic in the contemporary academic circles， which is the hotspot of enterprise innovation， and a basic national policy. In this paper， the research status of heat pipe， heat pump and heat pipe heat pump combined energy saving technology is summarized， and the application progress and development trend of power heat pipe heat pump combined energy saving technology are introduced. It has certain significance to promote the popularization of the combined energy-saving technology of power heat pipe heat pump.

Keywords： power heat pipe； heat pump； combined energy-saving technology

1 概述

热管是一种依靠潜热进行能量输运的元件，具有换热系数高，等温性好，热流方向可逆，环境适应性强等特性；而热泵以消耗少量电能或燃料为代价，将大量无用的低热能变为有用的高热能，具有制冷制热双重功能。动力型热管热泵的联合应用可以更有效的实现能源利用最大化。

2 动力型热管与热泵的研究现状

2.1 动力型热管的研究现状

1944年美国俄亥俄州的R.S.Gaugler首次提出了热管工作原理[1]；1964年，美国Los Alamos国家实验室创造出了热管这种传热元件，使得热管从理论阶段走向实践[2]；1964-1970年间，热管研究进入了理论研究的高峰期，有近千篇论文发表；从1970年起，热管从实验室规模迅速转向实用领域，包括空间核电源、电子仪器散热、航天飞行器均温等节能应用研究；1980-2000年，热管开始进入了工业应用阶段，在电子电器散热、计算机CPU散热、大型空气预热器、高温热管换热器、高温高压化学反应器等领域迅速发展。2000年以來，热管逐渐步入更深入的应用研究阶段，其技术领域主要涵盖高效微型热管技术、高温大型热管技术、高效热管反应设备技术、高效热管换热装备等方面。

40多年来，热管由单根热管演变到多根热管组成的换热器，由整体式热管换热器演变到分体式热管换热器等，但整体来看，现有热管以重力和毛吸力作为驱动力，在结构灵活性和启动特性上存在着传热距离短、蒸发段与冷凝段的安装位置具有局限性、启动复杂困难等问题。

为解决上述问题，提高热管工作性能，出现了泵驱动的热管系统、旋转离心力驱动的热管系统、电流体驱动的热管系统及磁流体驱动的热管系统。由于电流体驱动和磁流体驱动的热管系统的动力有限，旋转离心力驱动的热管系统仅适用于电机等特定的设备中。而由于泵驱动热管系统具有显著节能效果及其普遍适用性，成为近年来学术界的研究热点，并已经应用于空调、干燥、航天等领域。

2.2 热泵的研究现状

1824年卡诺发表的卡诺循环的论文中首次提出了热泵理论，1850年开尔文指出制冷装置也可以制热，1852年威廉·汤姆逊提出热泵构想，且称其为热能倍增器[3]。20世纪初期，热泵技术才得以初步发展，如1912年瑞士的苏黎世成功安装一套用于供暖的水源热泵设备，到20世纪40年代，才有了许多代表性的热泵设计。

目前，热泵已演变出多种形式，按工作原理，可分为蒸汽压缩式（也称为机械压缩式热泵）、吸收式热泵、化学热泵、蒸汽喷射式热泵、热电热泵等，因其高效节能特性已被广泛应用在供暖、干燥、余热回收等行业。例如，与燃煤，燃油锅炉相比，在提供相同热量的情况下，热泵可节约40%左右的一次能源，可减少68%的二氧化碳排放量、93%的二氧化硫排放量、73%的二氧化氮排放量[4]。

2.3 动力型热管热泵联合型节能技术的研究现状

热管和热泵技术的应用可以减少一次能源使用、对废热进行梯级利用，实现高效节能是可行的。

张龙灿对光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统进行了实验研究，发现复合系统同时具有环形热管模式、热泵模式的优点，可以保证对热能的稳定供给，同时能够合理利用能源和减少电能消耗[5]；李永田等研究了分离式热管和热泵联合技术在谷物等低温干燥领域的应用，研究结果表明，与热管与热泵技术进行单一使用相比，热管和热泵联合技术的运营成本底，能够推动低品位能源的使用，但设计难度增大[6]；田小亮等于“热管热泵复合式干燥动力源系统”“一种节能型冷冻深度除湿空气处理装置”等多项授权发明专利中利用了动力型热管热泵联合节能技术，并通过实验研究发现动力型热管可以减小热泵机组的热负荷，提高系统的除湿能力，节能效果显著[7-8]。

综上，热管与热泵联合技术确实具有高效节能性。考虑工作稳定性、结构灵活性等问题，动力型热管热泵联合技术优于普通热管热泵联合技术，更具有广阔的应用前景。endprint

3 动力型热管热泵的联合节能技术的应用进展

3.1 应用于中央空调领域

我国现有统计数据显示，建筑能耗约占社会总能耗的1/3左右，其中，仅中央空调系统设备能耗就占整个建筑能耗的50%～60%。

现在的中央空调系统通常采用冷冻除湿机组和转轮除湿机组对空气进行调温调湿。冷冻除湿法通常是利用7-12℃的冷冻水作冷媒来冷却被处理的空气，机器露点温度一般在14℃以上；近十年来出现的直膨式冷冻除湿方法，使机器露点温度由14℃以上降低为10℃以上；转轮除湿法尽管能达到很好的绝对除湿效果，满足低湿的空气处理要求，但处理过程能耗巨大。而利用动力型热管热泵联合节能技术对空气进行调温调湿类型的空调系统的能耗仅为转轮除湿空调系统的1/5-1/3，且能够在机器露点温度为-5℃的工况长期稳定运行。

该技术在应用中实现了整机的制冷能效比达到6.9；制冷和制热总能效比为9.9，而普通直膨式空调机组的最高级制冷能效比（1级）为3.4，综合能效显著提高。

3.2 应用于干燥領域

干燥工序作为药材、食品等加工过程中的重要环节，是一个需要大量消耗能源的过程。据统计，干燥能耗大约占全部能耗的12%～20%。因此，如何提高干燥效率，降低能耗，并能确保物料干燥质量，成为生产型企业的追求。

相比真空冷冻干燥、隧道干燥、转筒干燥等，空气源热泵干燥具有节约能源、产品质量高、干燥时间短等显著优点，因此，倍受国内外厂家的青睐。但目前空气源热泵干燥技术在实际应用过程中仍存在以下问题：（1）干燥中后期，物料含水量下降，干燥速度变慢，干燥时间延长，能耗增加；（2）变温运行较为困难； （3）干燥规模相对较小。

4 结束语

动力型热管热泵联合节能技术在能量回收和高效节能领域具有广阔的应用前景，但仍需要深入对以下方面进行研究：

（1）对热管系统深入研究，如溶液泵与蒸发器的匹配、换热器管路布置以及介质充注量等问题。

（2）对热泵机组的换热特性、节流阀选型等进行全面系统的研究，实现系统的优化设计，开发应用程序，拓展应用领域。

（3）对动力型热管热泵联合高效节能技术进一步进行理论、实验分析，寻找节能效果最佳组合方式，推动高效节能技术的发展。

参考文献：

[1]Gauge R S. Heat transfer device. U.S. Patent 2350348. Dec. 21，1942.

[2]Grover G M， Cotter T P， Erikson G F. Structure of very high thermal conductance[J].Journal of Applied Physics， 1964，35（6）.

[3]城东，谢继红.热泵技术及其应用[M].北京：化学工业出版社， 2006：1-32.

[4]Wang Q， He W， Liu Y Q， et al， Vapor compression multifunctional heat pumps in China： A review of configurations and operational modes [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2012，16：6522-6538.

[5]张龙灿.光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统的实验研究[D].安徽：中国科学技术大学，2014.

[6]李永，田张丽.热管和热泵联合技术在谷物干燥领域的应用研究[J].现代农业科技，2016，21：147-151.

[7]田小亮，孙晖，热管热泵复合式干燥动力源系统[P].中国专利，ZL200610068824.8，2006-09-21.

[8]田小亮，李晓花，孙晖，等.一种节能型冷冻深度除湿空气处理装置[P].中国专利，CN104819526A，2015-08-05.endprint