空調余熱回收利用系統設計分析

邸泓源，李恒凡

(華北電力大學 動力工程系，河北 保定 071000)

1 前 言

近年來，隨著人民生活水平的提高，空調已經進入千家萬戶，而空調在使用過程中，工質經壓縮機壓縮后要釋放大量的冷凝熱，這些熱量通常通過風冷冷卻后排放到大氣中，引起熱量的浪費和廢熱污染[1-3]。據美國能源署統計：空氣壓縮機在運行時真正用于增加空氣勢能所消耗的電能只占總耗電量的15%，約85%的電能轉化為熱能排放到大氣中。目前，我國家庭生活熱水一般采用電加熱或燃氣加熱等方式獲得，需要消耗大量的一次能源。如果能夠將空調系統壓縮機排放的熱量回收，將冷凝熱應用在生活熱水的制取過程中，不僅能夠降低冷凝熱的排放，減少廢熱污染，還能夠制取一定量的生活熱水，節約相當可觀的能量。

2 余熱回收系統設計

2.1 方案設計

空調余熱回收系統將空調中工質冷凝產生的熱量與家用熱水用能系統合理銜接，通過套管式換熱器、余熱循環泵以及余熱儲熱罐等裝置實現對冷凝熱的回收利用，將該部分廢熱用于對生活熱水的預熱，提高其基礎水溫，而后經過熱水器加熱至不同水溫，以滿足不同生活需求。

本文設計的空調外機熱量回收系統的主要設備由空調系統(室內換熱器、壓縮機、室外換熱器、四通換向閥和節流裝置)、余熱回收存儲系統(循環水泵、套管式換熱器、調節閥門和帶電輔熱的儲熱水箱)、供用水系統三部分組成，該系統工藝原理圖如圖1所示。

圖1 工藝原理圖

通過對系統中設置的電磁閥的控制，可以實現3種模式。

1.制冷結合制熱水模式：在夏季開始制冷模式時，壓縮后的高溫工質首先通過套管式換熱器，將壓縮工質的熱量傳遞給套管換熱器外管的水中加以回收，然后通過室外換熱器、節流裝置、室內換熱器，對室內環境制冷，最后流回壓縮機。該過程中，壓縮機出口工質首先通過套管換熱器，其換熱效果好，增大了工質的過冷度，提高了空調系統的制冷性能，不僅實現了對室內制冷，還回收了冷凝熱，得到了一定量的生活熱水。

2.制熱結合制熱水模式：在冬季開啟制熱模式時，壓縮機出口的高溫高壓工質首先通過套管換熱器釋放一定的熱量，然后通過室內換熱器對室內放熱，再通過節流裝置、室外換熱器，在室外換熱器中吸收室外熱量后，返回壓縮機中。不僅實現了對室內供熱，還可得到一定量的熱水，如果室內供熱需求量大，可先屏蔽套管式換熱器，將熱量全部用于室內供熱，滿足人們對供熱的需求；如果同時有供熱和供熱水兩種需求，可通過調整循環水泵的流量來調整供熱水和供熱的比例大小，以滿足人們的需求。

3.純制熱水模式：在春秋季不需要供熱和制冷，僅需要供應熱水時，需屏蔽室內換熱器，壓縮機出口工質首先通過套管式換熱器釋放熱量，然后通過節流裝置、室外換熱器，在室外換熱器中吸收室外熱量后，返回壓縮機。此過程充分利用空調系統(熱泵系統)制熱系數高的特點，在消耗較少能量的基礎上，即可得到一定量的生活熱水。

2.2 運行方式

針對不同的運行模式，該系統具有不同的運行方式，下文對不同模式時系統的不同運行方式進行介紹。

2.2.1制冷結合制熱水模式運行方式

1.當空調系統開啟，換向閥調整好后，斷開電磁閥K1、K2和K3，監測壓縮機出口溫度T2，當T2大于儲熱水箱出口溫度T4時，開啟循環水泵及其調節閥門，循環水通過套管式換熱器與壓縮機出口的工質進行熱量交換，在套管式換熱器中，制冷工質在內管內流動，循環水在外管內流動，且流動方向相反。經過換熱后，空調系統內工質溫度降低而循環水溫度升高，監測套管式換熱器內管出口處溫度T3：當T3達到進入節流裝置的要求時，可不開啟室外換熱器上的風機M2且閉合電磁閥K2，屏蔽室外換熱器，降低工質流動的阻力，并減少風機M2電能消耗；若T3溫度仍較高不滿足直接進入節流裝置的要求，也可適當降低風機M2的功率，降低電能消耗。降溫后的制冷工質通過節流裝置、室內換熱器對室內制冷。

2.隨著空調系統和預熱回收存儲系統的長時間運行，儲熱水箱內的水溫逐漸升高，冷卻水通過套管換熱器的吸熱量降低，使得制冷工質通過套管式換熱器后的溫度T3升高，不能滿足低溫要求時，斷開電磁閥K2，打開風機M2輔助降溫，保證空調系統的正常運行。

3.當儲熱水箱內的溫度較高，達到生活用水所需上限值時，預熱回收存儲系統停運，關閉循環水泵M1，閉合電磁閥K1，風機M2正常工作。

2.2.2制熱結合制熱水模式運行方式

1.當空調系統開啟，換向閥調整好后，斷開電磁閥K2和K3，閉合電磁閥K1，壓縮機出口高溫高壓工質通過室內換熱器對室內放熱，滿足人們的需求，然后通過節流裝置、室外換熱器，在室外換熱器中吸收外界環境的熱量，流回至壓縮機，完成整個循環過程。

2.當人們對制熱的需求降低后，可斷開電磁閥K1，使得壓縮機出口工質首先通過套管式換熱器，加熱生活用水，然后依次通過室內換熱器、節流裝置和室外換熱器，回流至壓縮機，從而實現制熱和制生活熱水兩種目標。

2.2.3純制熱水模式運行方式

1.當空調開啟后，斷開電磁閥K1、K2，閉合電磁閥K3，從而屏蔽室內換熱器。

2.壓縮機出口高溫高壓工質在套管式換熱器中放熱加熱生活用水，然后通過節流裝置、室外換熱器，通過室外換熱器吸收環境熱量，流回壓縮機，完成整個循環過程，實現加熱生活熱水的目標。

3.當生活中需用熱水時，儲熱水箱內經預熱后的熱水流出，供居民使用。

3 家庭裝置改造示意圖

結合上述工藝原理圖，對現有的家用空調和電熱水器進行相應的改造，改造方案如下：

1.在空調壓縮機出口至換向閥之間的管道上并聯一個套管式換熱器，原管道安裝一個電磁閥。

2.從電熱水器出水口處引出一管道，安裝循環水泵，使得電熱水器出口水通過循環水泵進入套管式換熱器外管，將回水連接到電熱水器進水管管路。

3.在電熱水器進出水管上各安裝一個單向閥。

4.空調系統原有室外換熱器和室內換熱器各安裝旁路及相應的電磁閥。

改造完成后相應的結構如圖2所示。

圖2 家庭改造示意圖

由圖2可知，采用本系統對家庭中原有電器(空調系統和電加熱器)進行改造，其改造的幅度非常小，僅需增加1個套管式換熱器、1臺循環水泵、3個電磁閥(冷凝器旁路電磁閥圖2中未畫出)、2個單向閥和相應的管道設備。以上改造成本大約在1500元。

4 系統理論計算

4.1 空調運行過程理論計算

家用空調運行過程中理論計算基于以下條件：

1.夏季制冷工況取冷凝溫度56℃，節流前的制冷劑液體過冷度9℃，蒸發溫度10℃，吸氣管路過熱度12℃。

2.冬季制熱工況取冷凝溫度40℃，節流前的制冷劑液體過冷度9℃，蒸發溫度-1℃，吸氣管路過熱度7℃。

3.制冷劑選擇R134a。

家用空調器制冷/制熱循環過程p-h圖如圖3。

圖3 循環過程p-h圖

表1、表2為制冷/制熱熱循環各狀態點的狀態參數，由表1、表2中的數據進行相關數據的計算。

表1 制冷熱循環各狀態點的狀態參數(數據來源：COOLPACK)

表2 制熱熱循環各狀態點的狀態參數(數據來源：COOLPACK)

1.在制冷循環過程中：

單位質量的制冷量：q0=h2-h7=410.72-277.71=133.01 kJ/kg

冷凝單位熱負荷：qk=h3-h6=452.55-277.71=174.84 kJ/kg

比功：W0=h3-h2=452.55-410.72=41.83 kJ/kg

性能系數：COP=q0/W0=133.01/41.83=3.2

2.在制熱循環過程中：

單位質量的吸熱量：q0′=h2′-h7′=399.36-242.91=156.45 kJ/kg

冷凝單位熱負荷：qk′=h3′-h6′=448.49-242.91=205.58 kJ/kg

比功：W0′=h3′-h2′=448.49-399.36=49.13 kJ/kg

性能系數：COP′=qk′/W0′=205.58/49.13=4.18

4.2 余熱回收加熱時間計算

套管式換熱器吸收空調系統的冷凝熱對水進行加熱，其計算條件如下：

1.按GB 50015—2003《建筑給水排水設計規范》熱水用水定額表，有自備熱水供應和沐浴設備的住宅每人每日用水定額為40～80 L[4]。夏季熱水50 L/(人·d)，春秋冬季熱水用量取40 L/(人·d)，以3口之家為例，夏季家庭日均熱水用水量V1=150 L，春秋冬季家庭日均熱水用水量V2=120 L。

2.京津冀地區夏季自來水溫度取18℃，要求得到熱水的溫度為42℃，溫升Δt1=24℃；春秋季自來水溫度取15℃，要求得到熱水的溫度為43℃，溫升Δt2=28℃；冬季自來水溫度取12℃，要求得到熱水的溫度為43℃，溫升Δt3=31℃。

3.空調額定制冷量為3500 W(1.5匹)，額定制熱量為3950 W。

4.該系統夏季運行時，套管式換熱器回收冷凝熱量的平均比例Ψ=50%。

夏季該系統處于制冷結合制熱水模式時產生的冷凝熱：

春秋季該系統處于制熱水模式，產生的熱量即為該系統的制熱功率：

φ2=3.95 kW

冬季該系統處于制熱結合制熱水模式，產生的熱量即為：

0≤φ2≤3.95 kW

當產生的熱量全部用于制熱時，制熱水功率為0 kW；當全部熱量用于制熱水時，則制熱水功率為3.95 kW，取Ψ′=30%用于加熱熱水。

則夏季制取150 L生活熱水所需的時間為：

春秋季制取120 L生活熱水所需的時間為：

冬季制取120 L生活熱水所需的最短時間為：

式中，cp表示水的比熱容，kJ/(kg·K)；ρ表示水的密度，kg/L。

經計算可知，從一臺額定制冷量為3500 W(1.5匹)、額定制熱功率為3950 W的家用空調吸收冷凝熱，夏季時每天僅需1.82 h即可制取42℃熱水150 L，春秋季每天僅需0.988 h即可制取43℃熱水120 L，冬季每天最短僅需3.65 h即可制取43℃熱水120 L。以上計算基于最大溫差換熱情況，隨著水溫的升高，換熱溫差變小，換熱效率下降，最終加熱的時間會適當延長。

5 系統經濟性分析

計算采用該系統與純電加熱或純燃氣加熱相應熱水時，在整一年的過程中，各系統的耗能量。

計算過程中采用如下假設條件：

1.京津冀地區是溫帶大陸性氣候，夏季炎熱、冬季寒冷、春秋季短暫，故將全年劃分為三種情況，夏季、春秋季和冬季天數分別為D1=100 d，D2=140 d，D3=120 d。

2.采用電加熱時，熱效率為η1=0.90。

3.采用燃氣加熱時，熱效率為η2=0.85。

4.電的熱值取E1=3600 kJ/(kW·h)，天然氣的熱值取E2=35 500 kJ/Nm3。

5.京津冀地區電價取F1=0.52元/(kW·h)，天然氣價格取F2=2.68元/m3。

當采用純電加熱制取熱水時，其消耗電能為：

=1815.3 kW·h

所以，用電總運行成本為：

C1=F1×W1=0.52×1815.3=943.95 元

當采用純燃氣加熱制取熱水時，其消耗燃氣為：

=194.92m3

所以，用燃氣總運行成本為：

C2=F2×W2=2.68×194.92=522.37 元

當采用本設計的系統制取熱水時，因為夏季制熱水時，收集回收了冷凝熱，制熱水沒有單獨消耗電能；冬季運行時，將制熱和制熱水分開計算，僅計算用于制熱水所消耗的電能；春秋季所有熱量用于制熱水，則全年期限內該系統消耗電能為：

=290.80 kW·h

所以，本文系統的總運行成本為：

C3=F1×W3=0.52×290.80=151.15 元

經計算，對比上述三種系統的運行成本可知，本設計的系統運行成本最低，僅為151.15元/a，燃氣熱水器運行成本次之，為522.37元/a，采用純電加熱熱水的運行成本最高，為943.95元/a。采用本系統加熱熱水較純電加熱系統，年節省運行成本792.80元，相較于純燃氣系統，年節省運行成本371.22元。

結合圖2分析，系統改造成本為1500元左右，采用本系統相較于純電加熱系統，在1.89 a的運行時間內，可回收投資成本；相較于純燃氣加熱系統，在4.04 a的運行時間內，可回收投資成本。

綜合對比上述三種系統的運行成本及回收期，其經濟性對比如表2所示。

表2 經濟性對比

6 系統裝置及其運行實驗研究

6.1 實物模型

根據前文的理論分析及設計，加工制作了能夠實現制冷結合制熱水的系統實物模型。在加工制造過程中，為了節約成本對該系統進行了適當簡化，該系統模型主要由制冷系統(壓縮機、蒸發器、套管式冷凝器、節流裝置)，余熱儲存回收系統(儲熱水箱、循環泵和相應的管路)兩部分組成，供用水系統沒有體現，制冷系統中沒有設置冷凝器，采用套管式換熱器實現余熱回收和冷凝制冷工質的功能。系統的實物模型如圖4所示。

圖4 實物模型

6.2 性能試驗

本次試驗主要測量余熱回收儲存系統內循環水的溫度隨運行時間的變化，從而對該系統的可行性進行確認，并分析驗證其運行效果。

試驗模型的壓縮機的制冷功率約為150 W，制冷工質為R134a，循環水箱的儲水量為20 L，初溫為15℃。通過調整循環水泵出口處調節閥門的開度，控制循環水流速，共進行了三組實驗，圖5給出了不同閥門開度時儲熱水箱內水溫隨時間的變化趨勢。圖5中實線表示理論計算的溫度變化隨時間的變化，即壓縮機產生的冷凝熱全部被吸收時，儲熱水箱內溫度的變化情況；其他三條曲線分別表示閥門開度分別為100%，70%和40%時，儲熱水箱內水溫的實測值變化情況。由圖可知,100%閥門開度時儲熱水箱內水溫的變化的實測值與理論計算值基本重合，特別是在儲熱水箱內溫度較低時，隨著溫度的升高，套管換熱器的換熱效果變差，沒有被吸收的冷凝熱逐漸增多，使得儲熱水箱內水溫升高變的越來越緩慢；當閥門開度分別為70%或40%時，由于循環水量的減少，降低了套管換熱器中的換熱系數，部分冷凝熱沒有被循環水吸收，儲熱水箱內水溫的升溫速度降低。通過對實物模型的試驗研究，驗證了該系統理論計算的正確性和運行的可靠性。

圖5 儲熱水箱溫度隨時間的變化