基于热回收的室内热环境控制系统

李雪淳 陈雪琦 蔡宁 陈剑云 戴隆云

（南京工程学院能源与动力工程学院 江苏省南京市 211167）

1 热量回收

1.1 热管原理

热管中的热量交换以相变换热的方式进行，因此具有良好的换热效果。普通热管是由管壳、起毛细管作用的多孔结构物-吸液芯以及传递热能的工质所构成，吸液芯牢固黏附在管壳内壁上，并被工质（如水等）所浸透。热管自身形成一个高真空封闭系统[1]。热管实现了回收风机中引进的室外新风和室内排风中的热量或冷量，实现节能的目的。

沿轴向可将热管分为三段:蒸发段、冷凝段和绝热段。其工作原理是[2-3]：外部热源的热量，通过蒸发段的管壁和浸满工质的吸液芯的导热使液体工质的温度上升；液体温度上升，液面蒸发，直至达到饱和压力，此时热量以潜热的方式传给蒸气。蒸发段的饱和蒸气压力随着液体温度上升而升高。在压差的作用下，蒸气通过蒸气通道流向低压且温度也较低的冷凝段，并在冷凝段的气液面上冷凝，放出潜热。放出的热量从气液面通过充满工质的吸液芯和管壁的导热，传给管外冷源。冷凝的液体通过吸液芯回流到蒸发段，完成一个循环。如此往复，不断地将热量从蒸发段传至冷凝段。绝热段的作用除了为流体提供通道外，还起着把蒸发段和冷凝段隔开的作用，并使管内工质不与外界进行热量交换，如图1。

1.2 热管技术改进

在现有热管形状和换热原理的基础上，对热管进行技术改进。在形状上，将热管截面改为V形，同时，中间位置180°扭转（如图2）。在位置布置上，将热管安装在送风机入口和排风机出口处（如图3）。基于以上改进，热管均为尖头迎风三角设计。这样，当空气经过热管时，换热面积增大，气流流速增加，可实现换热效率的提高。

经改进后的热管，由于换热效率得到提高，增大了新风和排风之间热量回收量，强化了蒸发液在热管内部的循环，节能减排效果更加显著。最终热管与软硬件相结合以模拟风箱的形式进行呈现。

2 风机系统调节策略

在系统中，单片机在所得到的室内外干球温度、相对湿度和所设定温度的基础上，对室内外相应焓值进行比较计算后，通过焓值控制其16、17 脚PWM 波的占空比，利用不同的占空比调节风机电压，达到控制其转速的部分。分别在占空比为0、20%、40%、60%、80%和100%设置不同的档位，对应不同的风速，全自动调节室内的热环境。PWM 的周期由PR2 寄存器决定。主频确定后，PWM 波形的周期计算公式为：

其中，TOSC为时钟周期（4 个时钟周期为一个指令周期）。一般情况下都是想得到特定周期的方波，所以需要反过来求PR2 的设定值：

图2：热管结构图

图3：新、排风系统的结构示意图

该系统可以根据温湿度传感器自动测量室内外干球温度及相对湿度，并在用户所设定温度和湿度的基础上，利用焓值与温湿度的关系公式得到室内外焓值，并为风机设定高低限值，焓值大于等于55.4kj/kg 时风机达到最大出力，焓值小于等于40.5kg/kg 风机停止工作，并将40.5kj/kg ～55.4kj/kg 分别划分为五个焓值区间实现不同档位转速控制。实现热量回收和调节室内热环境的功能。

同时颗粒物浓度传感器布置在室内，时刻检测室内污染物颗粒浓度，当PM2.5 ≥75 实现差速控制，使送风机挡位高于排风机两个档位，即在正常运行的基础上送风机升一档，排风机降一档，使室内处于微正压状态，保证室内洁净度要求，达到二次控制的目的。

3 实现路径

根据焓值控制的原理，可利用PIC16F77 单片机作为中央处理器，形成控制系统，将主要参数温度、湿度等反馈至PCB 操纵面板的显示屏上，以达到实时监测和空调系统自适应变工况运行的效果。PCB 电路板减少了布线和装配的差错，提高了实验效率，利用Altium designer 软件进行排版布置，将元器件按风机模块、温湿度传感器模块、单片机模块等实行分块控制，其原理图如图4。整体系统逻辑框图如图5。

4 结论

图4：电路原理图

图5：系统控制原理逻辑框图

热管具有超过一般金属的导热能力，且改进后能够更加充分地回收新风、排风的余热余冷，实现能源的再利用，达到了节能减排的目的。通过对室内焓值的检测，提高对室内热环境的控制精度，同时进行风机风速的调节，提高室内热环境的舒适度。结合室内PM2.5 数据采集，对室内空气品质进一步控制，使室内空气品质达到更高要求，减少或消除污染。综上所述，在保证人体舒适感的同时，满足了空调系统节约能源的要求。结合目前人们对于空调舒适性要求的提高与能源危机问题的日渐严重，可知本方案在空调系统中的应用前景非常广阔。