冷水機的冷凝熱以及熱回收技術解析

冷水機的冷凝熱以及熱回收技術解析

一、前言

    能源是人類賴以生存的五大要素之一，是國民經濟和社會發展的重要戰略物資。經濟的快速發展必須以能源特別是電力的保障供應作為基礎。我國能源結構中原煤所占比例較大，達75%，我國燃煤消費量占世界煤炭消費總量的27%，是全世界唯一的以煤炭為主的能源消費大國，大量使用燃煤并缺乏有效治理造成了嚴重的環境污染。能源利用率較低，我國能源利用率目前仍比先進工業國家要低10多個百分點，單位國民生產總值能耗比先進國家高6～10倍，生產單位產品的能耗比國外高出50%～100%。能源的結構和低效率使用不僅影響到我國的經濟建設和發展,也影響到我們賴以生存的周邊環境。暖通空調工程作為主要用能技術之一，必須立足于能源的合理利用和有效的節能措施。

二、冷水機冷凝熱熱回收的可行性

    常規制冷系統主要由制冷劑循環、冷卻水循環、冷凍水循環和空氣循環組成。

    在制冷劑循環中，氣態的制冷劑在壓縮機內被壓縮，溫度升高、壓力增大；通過排氣管，高壓的氣態制冷劑進入冷凝器中被冷卻水冷卻，變成高壓液體；通過節流閥，壓力降低，高壓制冷劑變成低壓含少量氣體的氣液混合物；其后制冷劑在蒸發器內定壓(低壓)下吸收大量蒸發器里冷凍水的熱量，蒸發變成低壓的氣態制冷劑；氣態制冷劑通過吸氣管路再回到壓縮機內。

    在冷卻水循環中，冷卻水在冷凝器中吸收了制冷劑的熱量后，由泵送到冷卻塔的上部噴下，與逆流(上升)的空氣進行熱濕交換，冷卻水溫度降低。冷卻水再泵送到冷凝器與制冷劑進行熱交換，溫度升高，如此循環。

    空調房間的冷負荷(即熱量)通過蒸發器進入制冷劑循環，變成冷凝排熱的一部分，再通過冷卻水循環排到大氣中去。因此，對于常規空調制冷機，其主要作用是空氣調節，空調系統的冷凝熱直接排放到大氣中未加以利用。制冷機組在空調工況下運行時向大氣環境排放大量的冷凝熱，通常冷凝熱可達制冷量的1.15～1.3倍。大量的冷凝熱直接排入大氣，白白散失掉，造成較大的能源浪費，這些熱量的散發又使周圍環境溫度升高，造成嚴重的環境熱污染。若將制冷機放出的冷凝熱予以回收用來加熱生活熱水和生產工藝熱水，不但可以減少冷凝熱對環境造成的污染，而且還是一種變廢為寶的節能方法。近年來，對空調系統冷凝排熱熱回收的研究也越來越多。

三、我國空調冷凝熱熱回收現狀

    隨著我國國民經濟的發展和人們生活水平的提高，我國空調的普及率迅猛增長；同時，由于人們生活習慣的改變和對清潔衛生要求的提高，住宅建筑越來越重視衛生生活熱水的供應。而目前國內家庭日常生活中所需要的熱水供應大部分是通過專門的熱水加熱器來提供。這進一步加劇了世界范圍內的能源緊缺和環境污染問題，引起了各個國家的高度重視。因此，近年來我國對空調系統冷凝排熱熱回收制備生活熱水等的研究越來越多。

    3.1 冷凝熱熱回收的分類

    冷凝熱利用方式主要可分為直接式和間接式。直接式是指制冷劑從壓縮機出來后進入熱回收器直接與自來水換熱制備生活熱水。間接式是指利用常規空調的冷凝器側排出的高溫空氣或37度的水來加熱制備生活熱水。間接式由于要增加的設備比較多，換熱效率比較低，所以該技術不易推廣。

    直接式又可以分為兩類，一種是只利用壓縮機出口蒸汽顯熱，蒸汽顯熱一般占全部冷凝熱的15%左右，按照熱水的需求量和顯熱量計算得出熱回收器的片數，其它的冷凝熱在冷凝器中被冷卻水帶走；另一種是利用全部的冷凝熱。這兩種比較由于前者只利用蒸汽顯熱，熱回收器的壓降比較小，使得冷凝器中壓力比較穩定對制冷影響比較小。

    3.2 冷凝熱熱回收的形式

    我國近年來研究應用的冷凝熱熱回收形式主要有以下幾種：

    3.2.1 雙冷凝器熱回收技術

    榮國華提出：夏季利用制冷機冷凝器加熱自來水可以提供熱水，降低能耗。要利用制冷機加熱自來水，應采用具有水冷冷凝器的制冷機。用自來水做冷卻水時，其水量應與建筑的冷負荷及制冷機的冷卻水量相匹配，保證制冷機安全正常運行。但是各類建筑的冷負荷與冷卻水量的變化規律與其自來水用水量的變化規律不盡相同，要做到最佳匹配比較困難。

    為解決這個問題，孫志高、李舒宏在空調系統能量回收節能分析中設想采用蓄熱裝置調配冷凝熱、冷卻水量、熱水用量的不平衡。吳獻忠等針對蒸汽壓縮制冷裝置的特點，提出了直接將滿足熱水用量的自來水送入熱回收換熱器，利用壓縮機的排氣顯熱和部分冷凝潛熱對其進行加熱，高溫熱水儲存在儲水箱內以供使用。

    龔七彩，常世鈞等人結合前面的研究基礎上又從火用的角度分析了冷凝熱熱回收并提出了雙冷凝器熱回收技術(如圖1)，在壓縮機和冷凝器之間加一個熱回收器(冷凝器)回收冷凝熱,從這個外加的熱交換器出來的制冷劑的狀態是汽一液混合物或氣態,由后面的冷凝器吸收其余熱量。該技術可以根據要求直接回收制冷機組的蒸汽顯熱或是顯熱加部分潛熱來一次性加熱或循環加熱到水的指定溫度。該形式主要應用于中央空調冷水機組。

    3.2.2家用空調器常用的熱回收形式

    家用空調器在我國應用廣泛，而且數量多，是熱回收的重要方向之一。林宏對家用空調冷凝熱的回收利用進行了探討，并指出：家用空調冷凝熱回收系統作為回收低品位能的有效方法，可廣泛適用于普通家用空調系統的改造上，其應用及節能前景可觀。

    哈爾濱工業大學的江輝民，王洋等，在研究中提出了自己的為家用空調器常用的熱回收形式(圖2)。該形式是將空調器中壓縮機排出的高溫高壓的制冷劑蒸汽注入到熱水換熱設備中進行熱交換，加熱生活熱水。若熱水換熱器的換熱能力能夠獨立承擔所有的冷凝熱量，則無需使用風冷冷凝器，反之就要同時使用風冷和水冷冷凝器來承擔所有的冷凝負荷。

    3.2.3熱泵回收技術

    余穎俊、王夢云就冷凝熱的回收途徑及可行性進行了探討。由于空調制冷中冷卻水溫度一般在30～38℃，屬低品位熱能，要想充分回收需要熱泵技術，由制冷機與熱泵機組聯合運行構成一套熱回收裝置。該裝置把熱泵的蒸發器并接到制冷機冷卻水回路上，比較適合在現有的空調冷卻水系統中進行改造，控制也比較容易實現。

    尹應德，張泠等人在這之后提出了這種典型的間接冷凝熱熱回收形式(圖3)。當冷水機組和熱泵同時工作時，可以通過控制冷卻塔風機的啟停來控制冷卻水回水溫度。通過電動三通閥控制冷卻塔的冷卻水流量和熱泵蒸發器的流量比例，使熱泵的蒸發器出水溫度低于32℃，以保證冷水機組的正常運行。該種方式是在原系統并聯一套熱泵機組，把冷凝熱作為熱泵熱源來制備熱水。

    3.2.4相變材料回收空調冷凝熱

    西安交通大學的劉紅娟，顧兆林提出利用相變材料回收空調冷凝熱熱回收形式。熱回收用蓄熱器代替雙冷凝器熱回收技術中的壓縮機出口的冷凝器與常規風冷冷凝器(或冷卻塔)采用串聯連接，利用冷卻塔排除熱回收系統不能儲存的剩余熱量。熱回收用蓄熱器中相變材料的溫度是隨冷凝溫度的變化而變化的。開始時，常規風冷冷凝器(或冷卻塔回路)關閉，熱回收蓄熱器利用制冷劑過熱段的顯熱和冷凝潛熱對相變材料進行加熱，此時冷凝壓力隨熱回收蓄熱器中相變材料溫度的升高而升高。當系統冷凝壓力達到限定值時，開啟風冷冷凝器以釋放多余的制冷劑冷凝潛熱，降低系統的冷凝壓力。此時熱回收蓄熱器仍能利用蓄熱器管內流過的氣態制冷劑過熱段的顯熱放熱加熱相變材料，進一步提高相變材料的溫度。當相變材料溫度達到某一設定值后(可利用相變材料溫度自動調節器測得)，系統恢復原冷凝器(冷卻塔)冷凝運行模式。

    另外，山東省生建機械廠的韓慧民提出一種水源熱泵的熱回收形式(圖4)，這種形式存在著明顯的不足，冬天制備生活熱水是供熱要停止。楊小林提出制冷機冷凝器采用雙束或雙筒冷凝器，但是但熱交換效率較低。

    3.3 冷凝熱熱回收技術應用中存在的問題

    3.3.1 雙冷凝器熱回收技術和家用空調器常用的熱回收形式在應用時存在的問題：

    1.熱回收器須選用專用的高性能換熱器。由于氟利昂具有強滲透性，而且安裝在冷凝器前，該點位置在氟利昂處于高壓(1.44Mpa)和高溫過熱(約75℃)狀態，更易產生滲漏。因此，對換熱器的材質和制造工藝都有特殊要求，如有不慎，不但達不到節能效果，反而損壞制冷機組。

    2.換熱器除了保證有與所改造機頭的功率相適應的換熱面積外，還必須有較低的阻力不會影響制冷機原有工況，否則會降低出力。

    3.由于它利用的是制冷循環過程產生的熱量，傳熱量差遠小于原熱水系統，只能小流量連續制備熱水，不可能象蒸氣加熱器或熱水爐那樣短時間內提供大量熱水，因此，系統要配備足夠容量的熱水箱。通常可以按具體系統的1小時量大用水量計算。

    3.3.2 相變材料回收空調冷凝熱應用中存在的問題：

    1.目前，蓄熱器在國外已廣泛應用，在我國也逐漸發展起來。余熱和太陽能等資源的有效利用，迫切需要設計和發展高效率、低成本的相變蓄熱器。但對蓄熱器的設計計算尚無統一的方法，因此，對蓄熱器的設計也處于摸索階段。

    2.對蓄熱物質的要求是：熱容量大、蓄熱能力強，化學穩定性好，熔點低，對人體、動植物無害、價格低廉。我國對蓄熱材料的開發有待進一步加強。

    3.應該盡可能使制冷裝置在較低的冷凝溫度下運行。在設計中選取的冷凝溫度是定值，而實際運行中的冷凝溫度是變化的。冷凝溫度與環境溫度有關，不僅隨季節變化，而且每天晝夜也在不斷變化。因此在設計時應充分考慮各種不利因素，選擇適當的冷凝溫度，保證制冷裝置在高效率下節能運行。

    3.3.3 我國空調冷凝熱熱回收發展趨勢

    為實現“可持續發展”戰略，我國制定一系列能源及環境政策。節能和環保已成為當前空調領域中最重要的研究課題之一。目前，我國暖通學者已逐漸認識到了余熱回收系統應用的重要性，一些開發商也對此項目產生了一定的興趣，現在在北京、廣州、上海、東北等地的一些賓館和人工冰場與游泳池聯合工作的地方都有應用并且節能效果很好。

    我國對于冷凝排熱熱回收系統的研究現在僅限于理論的分析，且處于初步探討階段，缺乏實際的、深入的系統研究。從國內的研究狀況來看，還存在著一系列的問題。在直接加熱自來水的回收系統中存在以下問題：一是空調系統運行時段與熱水使用時段的時間差問題。二是生活熱水的用量與冷凝熱量之間也存在著不同步的問題。因此，設置儲熱裝置十分必要，它可存儲中午空調滿負荷時產生的熱水用以補充傍晚空調低負荷時產水量的不足。目前國內研究存在蓄熱水池較大的問題，蓄熱裝置在系統運行中的動態模擬以及系統形式等問題也是我們在今后工作中要解決的。

    冷凝排熱熱回收取決于主要設備的工作情況，有時可能得不到預期的效果。就冷凝熱回收來講，其效果取決于空調系統的運行工況，其目的也只是從節能和環保的角度考慮回收余熱，而不能本末倒置為了獲取熱量去隨意改變空調的工況。因此受空調運行時間(一般只夏季運行)的影響，在熱回收系統中輔助熱源在大多數空況下是必要的。

    我國在熱回收設備的開發中，還缺乏對于整個設備部件進行優化匹配設計，進行計算機模擬這方面的研究。通過同實驗研究的結果進行對比，以優化整機的匹配關系。

    另外，對系統本身及控制系統進行優化，減少設備的初投資，并對該產品在我國的應用前景進行預測和評價也是研究的重要方向之一。