热泵热水的热回收参考与应用

围绕空调节能，减少空调热能消耗及相应的温室气体排放这一专题，推介一种新型冷水机组热回收方式，概念及其系统形式、控制原理、性能评价系数、适用机型等。并提出了这一新型冷水机组热回收方式对恒温恒湿和同时制冷制热空调领域的适用性及所具有的节能意义，开辟空调节能新领域。1. 引言　　随着经济的日益发展和人类生活水准的不断提高，空调的应用也越来越普及。而空调在适应经济发展和满足人类需求的同时，也给人类带来了巨大的能源消耗负担和其他如温室效应等负面影响，因此，减少空调的能源消耗，寻求空调可持续发展之路，已成为空调设计所面临的一个重要和首要的问题。在论述本文的内容以前，有必要对空调的能耗进行分类，并对已有的空调节能技术也作一些分类比较。2. 空调能耗的分类　　空调制冷要使用电力或蒸汽；空调水、气输送要消耗电力；冬季空调要使用电力或油、煤等自然能源，不同的季节、不同的空调系统有不同的能耗。但就分类而言，可归结分为两类：电力消耗和热能消耗。而电力消耗最总仍可归结为热能消耗（自然能发电除外），因此，从环保的角度来看，空调的所有能耗均为热能消耗，都有CO2温室气体的排放代价。　　具体来看，空调系统中，所有电力驱动设备，都存在电力消耗；各种锅炉、溴化锂冷水机组等则存在热能消耗,在一般情况下，夏季空调，除溴化锂制冷机组以外，均以电力消耗为主；冬季空调，则以热能消耗为主，但同时存在电力消耗。各种气源、水源、地源空调系统仅消耗电力。3. 空调节能技术分类和比较　　作为对空调节能技术不断探索的回报,在空调设计中,已有很多成熟的技术和相关的产品可运用。具体可分为三种类型:　　3.1 节省型：通过追求高效率,优化系统和加强自动控制的运用，来节省空调运行能耗, 减少或避免能源浪费，从而节省能源。如：选用高效率产品，优化系统配置，采用变风量或变水量、二次回风等节能系统及其他运行控制节能技术等。　　就其节省的能耗而言，既节省空调动力消耗，也节省一些空调热能消耗。　　3.2 自然能利用型：通过合理使用自然能，而减少空调能源消耗，如：新风供冷，冷却水供冷，气源，水源及地源供冷供热等自然能利用技术等。　　自然能利用型主要节省空调热能消耗，值得注意的是，其节省的热能是相当可观的。此外，节省了空调热能消耗，也就减少了相应的CO2排放量，因而具有良好的环保优势和可持续发展特性。　　3.3 热回收型：通过对热能的再回收，实现热能的二次利用，从而减少空调的能源消耗。如新排风热回收技术。根据产品的不同，又可分为：转轮式或固定板翅式全(显)热交换式热回收，盘管式热回收，热泵式热回收等方式。其他如冷水机组生活热水热回收等等。　　就上述各热回收方式所节省的能耗来分析，夏季一般主要节省空调电力能耗，当采用溴化锂主机时，节省的是空调热能消耗。冬季一般主要节省空调热能消耗，当采用自然能利用型主机如气源热泵时，节省的是空调电力能耗。总之，同样具有良好的环保优势和可持续发展特性。　　由于热回收型冷水机组在以前的应用中，较多采用串联型冷凝器，由于机组这样的结构设计的原因，热回收量一般最高仅为制冷负荷的30％至40％。而且，热回收量随着冷负荷的减少很快下降，不能相对稳定提供。此外，回收的热能一般均用于生活热水，由于生活热水使用上的不稳定性，热回收量也时有时无、时高时低，对机组的运行稳定造成不利影响。因此，此类热回收，虽亦为废热利用，具有一定的环保节能意义，但节省量较小，对系统稳定运行亦存在不利的影响。但是，当采用一种新的结构形式使热回收量可更高，更稳定，且回收的热能用于空调系统本身时, 热回收型冷水机组可节省的空调热能消耗是相当可观的。其节能意义可得到极大发挥。本文以下所探究的，就是这种热回收技术及其应用新领域。
4. 新的冷水机组热回收方式（以下简称新方式）　　以常规的螺杆式冷水机组为例，基于压缩制冷的工作原理，冷水机组在蒸发器一侧制冷剂蒸发吸热制冷的同时，在冷凝器一侧制冷剂则在冷凝放热，而且其放热量大于蒸发器的吸热量，新的热回收方式目标就是为了回收冷凝器100％的放热量以供再利用，从而可节省相应的空调热能消耗，减少因空调而产生的对大气环境的温室气体排放。　　新的冷凝机组回收方式基于对冷凝器的设计，可以命名为一体化并联式冷凝器（以下简称为新型冷凝器），常规的冷凝器为一组盘管，冷却水吸热后，由冷却塔将热量散入大气，一般冷却水为开式系统。所谓一体化并联式冷凝器，是指相对于冷媒而言是一个冷凝器，但从水侧来看，有二组并联的水盘管，其中一组盘管对应于常规机型的工作方式，为开式系统，而另一组为热回收盘管，采用闭式循环。从这样的结构形式可以看出，任一组盘管，只要配置足够的热交换面积，都有可能吸收全部的冷凝负荷。也因此，热回收量受冷负荷变化的影响得以完全消除。举例来说，当机组运行冷负荷下降为满负荷的40％时，热回收量仍可达机组冷负荷的45％以上。 图1 热回收机组水系统原理图　　就其控制调节来说，配置新型冷凝器的热回收冷水机组（以下简称新型冷水机组），在运行时，控制原理很简单：与常规冷水机组相比，机组内部不需要增加任何控制，只需在开式冷却水系统中设置一个旁通阀及相应的控制单元，通过调节冷却水旁通水量，调接冷却塔的散热量，就可同时实现热回收水系统的出水温度控制和热回收量的需求量适应控制，同时确保机组在定流量，定冷凝压力的工况下稳定运行，一控多效，简单可靠。原理参见附图1：5. 新型冷水机组热回收方式的优越性　　新方式与本文3.3节所述的热回收方式相比，具有明显的优越性。　　本文3.3节所述的冷水机组热回收方式中，可采用的冷凝器形式可有两种，分别为分体并联式冷凝器和分体串联式冷凝器，它们的共性在于都有两个冷媒冷凝器，区别在于一种为并联方式，一种为串联方式。　　采用分体并联式冷凝器的热回收冷水机组，优点在于理论上热回收量可达冷凝负荷的100％，似乎热回收量可根据需要设计控制，而缺点在于，实际上两个并联冷凝器之间的冷媒流量需按热回收量的变化而调节， 在运行时为使机组能相对稳定运行，并实现相关运行要求所需的控制相对复杂，而且实际也较难于控制。事实上，真正以这种方式用于热回收的并不多。
采用分体串联式冷凝器的热回收冷水机组：一般前置冷凝器用于吸收压缩机系统高温排气的散热，以提供较高的水温，为热回收冷凝器，而后置冷凝器用于吸收制冷剂冷凝放热，优点在于没有附加的复杂控制要求，但其最大的缺点本文前已述及，其结构方式决定了热回收量有限，而且，随着冷负荷的降低，热回收量也迅速降低，因此热回收量并不能按需提供。由此，在实际的运行中，虽有应用，但一般仅用于提供生活热水。　　相比较而言，采用新型冷凝器的冷水机组，热回收冷凝器与常规冷凝器合二为一，通过简单的温度控制，既控制了热回收水的出水温度，又控制了冷水机组的冷凝压力，同时也适应了热回收负荷与冷却散热负荷的调节需求。最关键的在于：只要需要，热回收量可达100％。6. 新型冷水机组的综合性能系数COP　　新型冷水机组在制冷的同时，由于冷凝负荷被部分或全部回收利用，为热用户提供了热能，节省了相应的用户热能消耗，因此，新型冷水机组提供的效能包括两部分：是制冷量与制热量之和。因此，其综合性能系数COP　　当100％热回收时　　COP = ( QL + QLN ) / W　　式中，QL为制冷量， QLN为热回收量，即100％冷凝负荷，W为机组耗电量。　　当以某一百分比C％热回收时： 　　COP = ( QL + C% x QLN ) / W　　由此可见，新型冷水机组的综合性能系数COP最高可以是冷水机组的制冷性能系数与热泵的制热性能系数之和，其综合性能系数COP之高，反映出其显著的节能意义。即使是部分热回收，节能效果仍然十分可观。　　需要注意的是，热回收水温的高低对于新型冷水机组的综合性能系数有一定影响。当所要求的热回收水温高与常规制冷系统冷却水温时，每高出一度，制冷性能系数约下降2.1%，此时,约需1.7％的热回收量以确保新型冷水机组的综合性能系数不低于常规冷水机组的制冷系数。以热回收水温45℃为例，制冷性能系数约下降17％，此时要求约14％的热回收量来弥补，否则，新型冷水机组的综合性能系数将低于常规冷水机组。所以，热回收水温越低，热回收比例越高，新型冷水机组的综合性能系数COP越高，节能效果越明显。从本文下述实际可应用场合对热回收水温的要求来看，是与此要求完全吻合的。