细谈空调系统冷凝热回收原理以及案例

    随着世界范围内能源日趋紧张、矿物燃料减少和能源需求明显增长 ,促使人们探索节能的新途径和提高能源的有效利用率。根据各国的能源利用水平不同，有43%~70%的能源主要以废热的形式丢失，还会造成城市的“ 热岛效应 ”。故欧美发达国家十分重视空调热回收技术的研究和实践，实现热能的二次利用，从而减少能源的直接消耗和排放，以达到节能和环保的目的。在中国，近几年来，我国的空调热回收技术也得到了迅速发展，在实际工程应用中的节能效果相当明显，广泛应用于宾馆、医院、学校、工厂、大型场馆等场所。

一、空调冷水机组的余热回收

   中央空调的冷水机组在夏天制冷时，机组的排热通常是通过冷却塔将热量排出带走。利用热回收技术，可将排出的低品位热量有效地利用起来，结合蓄能技术，为用户提供生活热水，达到节约能源的目的。空调冷水机组余热回收的热量较大，可以完全替代燃油燃气、锅炉生产热水，节省大量的燃油燃气。空调冷水机组余热回收一般有部分热回收和全部热回收。

   部分热回收： 只利用压缩机出口蒸汽显热，蒸汽 显热 一般占全部冷凝热的 15﹪左右，其它的冷凝热在冷凝器中被风机带走；采用串联形式。 部分热回收将中央空调在冷凝（水冷或风冷）时排放到大气中的热量，采用昊磊高效的热交换装置对热量进行回收，制成热水供需要使用热水的地方使用，如图 1所示。部分热回收无需改变制冷系统的运行工况, 同时减轻了制冷主机（压缩机）的冷凝负荷，可使主机耗电降低 10~20%。此外冷却水泵的负荷大大地减轻，冷却水泵的节电效果将会大幅度提高，其节能率可提高到50~70%。

（图  1 中央空调机组部分热回收系统原理）

2、全部热回收

     全热回收：利用全部的冷凝热进行制取生活热水；采用系统切换形式。 全部热回收主要是将冷却水的排热全部利用，如图 2所示。但一般冷水机组的冷却水设计温度为冷却塔水温度（常规为出水37℃、回水32℃），属低品位热源，采用一般的热交换不能充分回收这部分热能，所以在设计时要考虑提高冷凝压力，或将冷却水与高温源热泵或其他辅助热源结合，充分回收这部分热量，系统简单可靠。做全热回收，可直接产生50～55℃的热水,同时取消冷却塔的使用, 减小了建筑物周围的噪音，有效地保护了建筑物周围的环境。

（图  2 中央空调机组全部热回收系统原理）

 

   酒店、医院、办公大楼的主要能耗，是中央空调系统的耗电及热水锅炉的耗油消耗，利用昊磊中央空调的余热回收装置全部或部分取代锅炉供应热水，将会使中央空调系统能源得到全面的综合利用，从而使用户的能耗大幅下降。

 

二、排风和空气处理能量回收

   在建筑物的空调负荷中，新风负荷所占比例比较大，通常占空调总负荷的 20％～30％。为保证室内环境卫生，空调运行时要排走室内部分空气，必然会带走部分能量，而同时又要投入能量对新风进行处理。在系统中安装昊磊能量回收装置，用排风中的能量来处理新风，就可减少处理新风所需的能量，降低机组负荷，提高空调系统的经济性。

1、排风能量回收原理

   对于全空气中央空调系统，一般新风比 15%或以上，其全空气系统＋排风能量回收方案如图3所示。图中的热交换器是能量回收设备。通常，空气能量回收设备有两类：一类是显热回收型，一类是全热回收型。显热回收的能量体现在新风和排风的温差上所含的能量；全热回收体现在新风和排风的焓差上所含的能量。

（图  3 中央空调系统排风能量回收系统原理）

   热回收新 排 风系统的通风器带有蓄热体和电机，在安装时需要同时使用。每对通风器在单位时间内交替进风和出风，也就是说一个在出风的同时，另一个在进风。一个通风器将室内污浊空气排出室外的同时令一个通风器引入室外新鲜空气，在室内与室外之间形成往复式的空气环流。

   冬季排风能量回收工作时 ，室内热空气在排出的过程中流经蓄热体，蓄热体吸收室内空气的热量，反向通风时，室外的冷空气流经蓄热体进入室内，这时冷空气带走蓄热体的热能，使进入到室内的新风温度升高，如此循环，达到健康、舒适、节能通风的目的。

 

2、空气处理过程中的能量回收

   中央空调系统空气处理过程中的能量具有很高的回收潜力。以一次回风中央空调系统为例，采用热管热交换器的空调器能量回收系统如图 3所示。在该热回收装置中，热管中的蒸发器部分和冷凝器部分分别用于冷却回风和加热送风。室内空气状态4下的回风经过热管中的蒸发器部分被冷却到状态6。状态6下的回风部分作为排风，而大部分回风与室外新风混合，混合后在状态1的空气经表冷器冷却去湿到饱和状态2，饱和状态2下的湿空气经热毛细动力循环热管中的冷凝器部分加热到要求的送风状态3送入室内。与传统一次回风空调器系统相比，空调系统制冷量由热管中的蒸发器部分的交换冷量和表冷器部分的冷量组成。从而有效地节省了空调能耗。

（图  4 中央空调系统空气处理中能量回收系统原理）

 

三、结论

     随着我国经济的快速发展 , 空调 系统的应用十分广泛 ,   空调 系统的运行会产生较多热量 ,这些热量向外部环境排放,会对周边环境及生态产生一定的不利影响 。 热回收技术减少了制冷系统的热量排放 ,对周边环境及生态的发展起到了良好的保护作用 ； 同时， 又充分利用空调系统的余热和废热，将空调系统中产生的低品位热量有效地利用起来，达到了节能的目的。

下面   我们对   一些空调系统   常见的冷凝热回收方式进行理论分析并结合案例，   对   设计中应注意的一些问题   进行探讨   。

一、制冷系统的热回收：

1、制冷循环的部分热回收       

如图  1 所示，部分热回收只利用压缩机出口蒸汽显热，冷媒温度由排气过热温度降至饱和温度，冷媒在此阶段( 2－2’) 无   发生   相变反应，   因此   部分热回收也称为显热回收。部分热回收采用串联热回收器的方式，压缩机出口高温高压的过热蒸气先经   昊磊   热回收器，加热生活用水，再经标准冷凝器，排除剩余的热量。

一般   空调冷水供回水温度  7 /12 ℃，冷却水   塔   供回水温度  32 /37 ℃，室外环境温度 35 ℃，   则   压缩机工况为 : 蒸发温度 t0= 5 ℃ ，吸气温度 t1= 15 ℃ ，水冷冷凝温度 tk= 40 ℃ ，风冷冷凝温度 tk= 50 ℃ ，过冷度为2 ℃ 。

  由   上   表   1   可见，Ｒ 134a水冷、风冷冷水机组排气温度 t 2   分别   为  54 ℃、64 ℃，热回收冷凝器侧的换热温差按3 ℃计，则水冷、风冷冷水机组部分热回收出水温度可达 51 ℃、61 ℃;    可满足普通   生活用水   所需。   部分热回收量   虽然   较小，仅为制冷量的 10%～15%    ；但   减少标准冷凝器的负担，机组  COP 有所提高，   可使主机耗电降低   10~20%。此外冷却水泵的负荷大大地减轻，冷却水泵的节电效果将会大幅度提高，综合节能率可提高到50~70%。

2、制冷循环的全热回收          如图  1( a) ，凝结段的冷媒由饱和气体凝结为饱和液体，冷媒发生相变，冷媒温度恒定为饱和温度( 冷凝温度) ，凝结段排出的热量为潜热量，将过热段、凝结段、过冷段的热量全部或部分进行回收，则称之为全热回收，   全部热回收   采用系统切换形式。

但一般冷水机组的冷却水设计温度为冷却塔水温度（常规为出水 37℃、回水32℃），   冷凝温度     为    40 ℃   。   为了提高热回收出水温度，需相   对   应提高冷凝温度，这将导致制冷量下降、压缩机功耗增加，冷水机组制冷性能下降。

  由表 2可见，蒸发温度一定时，全热回收工况下冷凝温度每升高1℃，螺杆冷水机制冷量下降约1%～2%，能耗增加约2. 5%，COP下降约3%。冷凝温度   的提高随之带来系统   压力过高，可能导致冷水机组运行不稳定，   而   离心机冷凝压力提高到一定程度，可能引起喘振。   所以   热回收螺杆机冷却水温一般低于 55 ℃，离心机冷却水温一般低于 45 ℃。   而   酒店生活热水温度要求 60 ℃ ，因此全热回收一般用于生活热水的预热，预热后的热水   可   经锅炉   或高温源热泵   等热源再热至所需温度   ，充分回收这部分热量，从而达到节能的目的   。

全热回收工况   为了获得温度较高的生活热水而提高冷凝温度，虽然对冷水机组制冷量及 COP 有较大影响，但考虑制热后的综合COP仍可达到 5～8，因此热回收出水温度应根据再热热源形式经比较后确定。

3.全热回收   不同水温下的比较                 假定 : 生活热水   需   用量  120m 3/d，冷水温度15 ℃ ，冷水机组热回收出水温度分别取45 ℃、55 ℃、60 ℃，预热后的生活热水经锅炉或风冷热泵再热至60 ℃。 

  选用一台制冷量  1093 kW 的全热回收冷水机组、一台制热量为700 kW  的热水锅炉或风冷热泵，冷水机组各工况下参数见表 2，风冷热泵夏季再热时的COP为3.0，锅炉热效率 92. 6% 、燃气热值8400 kCal /Nm 3，气价4元/Nm 3，电价1元/kW·h。

  由表  3 可见，当用锅炉再热，热回收出水温度设定为 55℃时运行费用更低; 当用风冷热泵再热，热回收出水温度设定为 45℃时运行费用更低。 

二、空调冷水、冷却水水源热泵热回收：

1   .   空调冷水水源   热泵热回收                热泵热回收热泵机组与常规冷水机组并联，部分空调冷水回水作为热泵机组的热源水，降温后进入回水管或供水管，热泵机组吸取空调冷水的热量制取热水。

  如图  4( a) ，热泵机组冷水出水接至回水管，回水温度 T2 低于 12 ℃，常规冷水机自动卸载，热泵机组产生的制冷量被常规冷水机组当成多余冷量卸载而无法进入末端设备，系统能提供的最大冷量为常规冷水机组的总容量。 

  如图  4( b) ，热泵机组冷水出水接至供水管，部分热负荷时，热泵机组冷水出水温度 T1 高于 7 ℃，空调冷水系统供水温度 T3 将高于 7 ℃，造成供水温度不稳定，影响末端设备的运行。

  当热负荷与冷负荷的比值较大，部分热负荷时空调冷水总供水温度与设定值偏差较大，影响末端设备供冷及除湿能力，因此空调冷水源热泵机组冷水不宜接至供水管。  

2.     冷却水水源   热泵热回收               热泵热回收如图  5 所示，冷却系统高温出水作为热泵机组的热源水，降温至T1后再与常规冷水机冷却水混合后进入冷却塔。进入冷却塔的水温低于37 ℃，有利于冷却塔的降温效果，冷却塔出水温度T2低于32 ℃，可提高冷水机组的能效，冷凝温度每下降1 ℃，制冷效率提高3% ，节能效果不如空调冷水水源热泵。系统能提供的最大冷量为常规冷水机组的总容量。

  热泵热回收水源热泵机组热水温度可达  60 ℃ 以上，不需再热即可满足酒店热水需求，而且热泵机组可按制热优先的模式控制运行，即根据热水的回水温度而不是冷水回水温度自动调节热负荷。酒店冬季空调冷凝排热量一般不满足生活热水负荷的需求，因此需另设锅炉等热源用于冬季加热。

三、各种热回收的经济比较

案例：   某酒店建筑面积  24000 m   2   ，空调设计冷负荷 3279 kW ，采暖热负荷1300 k W，生活热水日用量120 m3   /d   ，生活热水热负荷  700   KW   ; 空调负荷率40% ，则日平均需冷量 = 3279 × 24 × 0.4 = 31 478 kW;空调天数 173 d; 冷水温度15 ℃，加热到 55 ℃、60 ℃ 的耗热量分别为5488 kW、6174 kW 。对几种带热回收的冷热源方案   (方案1   ～   方案 6)   进行经济比较，如   下面   表 4～表6 所示。 

方案 1: 无回收   。

方案 2: 显热回收 (热水60 ℃ )   。

方案 3: 全热回收(热水 55 ℃ )    。

方案 4: 空调冷水水源热泵热回收( 冷水出水接至回水管，热水60 ℃ ) 。

以上   各方案均设置锅炉用于空调季再热及非空调季供热。热回收方案中的储热设备造价均按  75 万元计，未考虑占用机房面积的因素。由   表 6   分析可见，方案  3 回收期最短; 方案 4 运行费用最低。 

四、结论

① 部分热回收量较小，为制冷量的10%～15% ，但可提高制冷效率 ，无需改变制冷系统的运行工况   。

②全热回收量大，但 需要提高冷凝温度 ，机组制冷效率下降较大，热回收出水温度应经技术经济比较后确定。

③为了尽量使热回收机组满负荷运行以保证热水要求，应使热回收机组优先并联。

④空调冷水水源热泵冷水出水接至冷水系统回水管时，常规冷水机组回水温度降低而自动卸载，系统能提供的最大冷量为常规冷水机组的总冷量，但冷水系统供水温度恒定。

⑤空调冷水水源热泵冷水出水接至冷水系统供水管时，系统能提供的最大冷量为热泵机组和常规冷水机组的总冷量; 但热负荷变化时，冷水系统供水温度不稳定。

⑥冷却水水源热泵可降低冷凝温度，   能小幅度   提高制冷量和制冷能效，节能效果不如空调冷水水源热泵热回收系统。