空調冷凝熱回收利用的影響因素分析

劉軍 胡益雄 孫超 劉光輝

中南大學能源科學與工程學院

空調冷凝熱回收利用的影響因素分析

劉軍 胡益雄 孫超 劉光輝

中南大學能源科學與工程學院

冷凝熱的回收可以為生活用水加熱提供能源。熱水的出水溫度、熱回收率是衡量冷凝熱回收效果的重要參數。本文通過建立數學模型，研究出水溫度與水流量、熱回收率的關系。結合工程實際，當冷凝溫度一定且為42℃時，設計出水溫度小于47℃時，熱水流量主要取決于潛熱負荷和過冷負荷，熱回收率隨著設計出水溫度的升高而增加。在設計出水溫度大于47℃時，熱水的設計流量主要是由顯熱負荷決定，且熱水流量和冷凝熱回收率隨出水溫度的升高而降低。

熱回收 冷凝熱 出水溫度 熱回收率

在發達國家，用于生產的熱水能耗將成為室內第二大主要能耗，在美國，熱水器能耗占居住總能耗的17%，今后還將有繼續上升的勢頭[1]。隨著能源和環境問題的日益突出,如何高效地使用能源、回收各種余熱和減小對環境的污染是人們關注的焦點[2]。目前，國內外很多旅館類建筑都對中央空調系統進行了熱回收改造[3～4]。大多學者都對冷凝熱回收進行了全面的分析，不過都是基于實際工程的利用。

本文以湖南岳陽某賓館改造工程為例進行理論計算，該工程采用三臺HYS系列的水冷螺桿機組，制冷劑是R22，每臺額定的制冷量是1210kW，壓縮機輸入功率是260kW。設計的空調冷凍水供回水溫度為7/12℃，冷卻水供水和回水溫度為30/35℃，空調主機的冷卻塔設在裙樓頂部，配備兩臺功率為11kW的風機。制冷循環的冷凝溫度為42℃。

1 熱回收換熱器的出水溫度與水流量、熱回收率的關系

本次計算是在標準工況下進行，作出如下假設：

1）制冷劑在壓縮機的壓縮過程中是絕熱過程。

2）節流過程前后焓值相等。

3）蒸發與冷凝過程的壓降忽略不計。

4）制冷循環過程中，過冷度和過熱度是固定不變的。

假設在換熱器的加熱過程分為兩步。

第一步：由過冷熱量和液化潛熱將當地自來水（約20℃）加熱至冷凝溫度42℃，此時的水流量為：

式中：Qu為制冷劑的過冷熱量，W；Qx為制冷劑的液化潛熱，W。

第二步：由過熱熱量將42℃的水加熱至設計的出水溫度，此時的水流量為:

式中：Qb為冷凝過程中的高溫顯熱，W。

以上兩個步驟是在同一個換熱器中進行的，所以水流量應取兩值較小值，因此

水側換熱器的換熱量為：

根據熱平衡的原理可知，理論上需要回收的熱量為：

定義熱回收率[5]：

式中：Qk為冷凝器釋放的冷凝熱，W。

選取不同的出水溫度，可以得到不同的值，結果如圖1、圖2所示。

圖1中，在冷凝溫度固定在42℃不變的條件下。當設計的出水溫度小于47℃時，熱水流量主要取決于過冷量和潛熱量。當設計的出水溫度大于47℃時，熱水流量主要取決于顯熱負荷，熱水流量隨著設計出水溫度的升高而減小，出水溫度越高，曲線越趨平緩。因為利用潛熱最多將水加熱至冷凝溫度。由此可知，要獲得較高的出水溫度，取決于顯熱負荷。

圖2中，在冷凝溫度固定在42℃不變的條件下。當設計的出水溫度小于47℃時，冷凝熱的熱回收率隨著出水溫度的升高而增大。當設計的出水溫度大于47℃時，熱回收率隨著出水溫度的升高而減小。由此可知，在冷水機組設計工況中，存在一個出水溫度值使熱回收率達到最大值。

圖1 出水溫度與水流量關系

圖2 出水溫度與熱回收率關系

由以上分析可知，要得到越高溫度的熱水，需要的顯熱量就越大，潛熱量越小，熱水流量越小，熱回收率也越小。因此，對于一般賓館提供50～60℃熱水的情況下，其熱回收率在45%～70%之間。在滿足生活熱水需要的情況下，熱回收率要達到100%是很難的，一般條件難以達到。

2 影響熱回收設計出水溫度、熱回收率的因素

熱回收系統的出水溫度、熱回收率是評價熱回收系統合理性的重要參數。出水溫度的高或低不僅直接影響用戶用水的舒適性，而且易造成能源的浪費。

2.1 冷凝溫度

為了得到更高的出水溫度和更高的熱回收率，需要了解影響出水溫度和熱回收率的主要因素。蒸發溫度、過冷溫度、冷凝溫度、吸氣溫度、吸氣過熱度、排氣溫度等對出水溫度及熱回收率都有一定的影響。蒸發溫度一般由用戶側確定，其變化范圍較小，對出水溫度和熱回收率影響較小。由本文假設可知，過熱度和過冷度維持不變。而排氣溫度和排氣過熱度由冷凝溫度確定?？芍?，冷凝溫度對出水溫度和熱回收率影響最大。

圖3顯示的是不同冷凝器溫度下出水溫度與熱回收率的關系。出水溫度相同的條件下，熱回收溫度隨著冷凝溫度的升高而增大。這是因為隨著冷凝溫度的升高，可以用來加熱熱水的冷凝熱潛熱就越多。當冷凝溫度相同時，熱回收率隨著出水溫度的升高而減小。從圖中可知，當冷凝溫度處在40～50℃時，存在一個出水溫度值使熱回收率能夠達到100%。在冷凝溫度較低時，熱回收率變化不大。

圖3 不同冷凝溫度下設計出水溫度與熱回收率的關系

2.2 熱水進出水溫度

出水溫度對熱回收率的影響比較大，總體的趨勢是隨著出水溫度的升高而減小。為了研究進水溫度對熱回收率的影響，利用進出水溫差來評價熱回收率。如圖4所示。

圖4 同一冷凝溫度下進出水溫度與熱回收率的關系

由圖4可知，在冷凝溫度為42℃，出水溫度為45℃時，進水溫度對熱回收率影響不大，且熱回收率較大。這是由于出水溫度與冷凝溫度比較接近，冷凝溫度可利用的潛熱能較大。圖中列出了當出水溫度為50℃、55℃、60℃時的曲線?？芍S著進出水溫差的增大，熱回收率增大。也就是說，當出水溫度一定時，熱回收率隨著進水溫度的減小而增大。進水溫度越小，將水加熱至一定的出水溫度時，所需要的冷凝熱越大，故而熱回收率越大。

3 結論

由以上分析可總結出幾點提高冷凝熱回收率的措施：

1）確定一個合適的冷凝溫度。冷凝溫度越高，熱回收率越大。但同時冷凝溫度越高，會減小制冷量，影響制冷效果。

2）確定一個合適的出水溫度。出水溫度越高，熱回收率越小。因此在滿足生活用熱水舒適的情況，盡量降低出水溫度。

3）確定一個合適的進出水溫差，可以有效提高熱回收率。

[1]卜燕,戴輝.家用空調機組系統分析研究[J].科技創新導報,2012, (36):89-91

[2]程代京,劉銀河.蒸汽冷凝結水的回收及利用[J].北京:化學工業出版社,2007

[3]袁天昊,魏兵,陳娟娟.基于冷凝熱回收的中央空調改造方案[J].發電與空調,2012,33:65-68

[4]朱國輝.熱回收空調機組系統分析研究[J].制冷與空調,2008, 22(6):73-76

[5]肖皓斌.水冷螺桿機組熱回收的設計與應用[J].制冷與空調, 2010,10(6):63-65

Ana lys is of Influe nc e Fa c tor for Conde ns ing He a t Re c yc ling of Air Conditioning

LIU Jun,HU Yi-xiong,SUN Chao,LIU Guang-hui
School of Energy Science and Engineering,Central South University

Condensing heat recovery can provide energy for the domestic hot water.The temperature of heated water and the heat recovery rate are the important parameters evaluating the effect of heat recovery.The relationship between temperature of heated water and water flow rate,heat recovery rate was researched by mathematic model.Combining with an engineering,when the condensing temperature fix on 42℃,the hot water flow rate depends on the latent heat load and the cold load if the designed temperature of heated water is less than 47℃,while the heat recovery rate increases with the designed temperature of heated water increased.When the designed temperature of heated water is greater than 47℃,the designed flow rate of heated water depends on the sensible heat load.The heated water flow rate and the heat recovery rate decreases with the temperature of heated water.

heat recovery,condensing heat,temperature of heated water,heat recovery rate

1003-0344（2015）05-051-3

2014-6-18

劉軍（1988～），男，碩士研究生；長沙市岳麓區中南大學能源科學與工程學院（410083）；E-mail:649414037@qq.com