家用空調余熱的回收利用研究

摘 要：該文對家用空調余熱的回收利用進行了分析。首先提出了家用空調余熱利用的基本原理，并給出了相應的裝置系統。其次，以上海某三口之家典型居住條件為研究對象，計算其空調冷凝負荷和家用熱水負荷，分析加熱熱水所需的時間。最后，對比單純的電加熱器，分析了家用空調余熱利用系統的經濟技術性能。

關鍵詞：空調 余熱 污染 能源消耗 經濟效益

中圖分類號：TM5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（c）-00-03

近年來，我國家用空調在城市中日益普及，家用空調擁有率以驚人的速度增長。全國城市居民每百戶空調器擁有量2010年底平均已達143臺。同時，隨著生活水平的不斷提高，人們對生活熱水的需求越來越大，用于加熱生活用水的一次能耗也越來越大。據估計，發達國家熱水供應的能耗將成為繼室內供暖空調之后的第二大能耗，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。因此利用空調的冷凝熱加熱生活用水的意義十分重大。

1 空調冷凝熱回收利用

1.1 利用余熱加熱生活用水

我們對家用空調進行改裝，設置熱回收換熱器（水冷冷凝器），與機組原有的風冷冷凝器串聯或并聯。其冷凝熱回收系統可以將自來水直接送入空調熱回收換熱器，水流方向與熱回收換熱器內制冷劑流動方向相反，設置保溫儲水箱，電加熱器，可從而實現空調制冷供熱水的一體化。利用冷凝熱加熱生活用水不僅在系統上較為簡單，冷凝熱加熱生活用水在成本上也較低，具有推廣的潛力。

1.2 空調冷凝熱回收系統

若對家用空調進行有效地改裝，加設套管式冷凝器和閥門，可實現對冷凝器熱的回收。圖1為新型的空調冷凝熱回收系統原理圖，它包括空調的制冷系統、水泵、套管式冷凝器、保溫水箱和電加熱器，可以用來在夏天回收空調的冷凝熱，其運行可以有以下三種方式。

單獨制熱模式：關閉套管式冷凝器兩側的閥門，套管式冷凝器停止工作，進行逆卡諾循環，可實現空調的制熱模式，這也是一般的家用空調的運行模式。

單獨制冷模式：關閉套管式冷凝器兩側的閥門，開啟冷凝器側的風機進行機械通風，通過風機將空調的冷凝器熱排放到室外，即可實現空調的單獨制冷，但是這種方式無法利用空調的冷凝熱，同時可造成室外環境的熱污染。

制冷—熱水模式：系統加設一個套管式冷凝器，將套管式冷凝器與機械通風冷凝器串聯在系統中，制冷劑在內管下進上出，冷卻水在套管式冷凝器內上進下出，但是套管式冷凝器中的冷卻水只能承擔部分的冷凝熱負荷，如果不開啟風機進行機械通風，系統的冷凝壓力、蒸發壓力、和排氣溫度會有上升，如果排氣溫度過高，超過壓縮機極限排氣溫度120 ℃，會導致壓縮機的損壞，因此在制冷—熱水模式中，機械通風也很重要。系統進行的冷凝熱回收和用戶對熱水需求的時間是不同步的，有時間差，因此系統要設置一個保溫的儲水箱。同時系統設置一個電加熱設備，當水溫不能夠達到用戶的要求時，或者空調系統不開啟時，來滿足用戶日常的生活熱水的需求。

2 案例分析

以上海某三口之家典型居住條件（90 m2）為研究對象（如圖2），分析夏季7～9月家用空調冷凝熱回收利用于熱水系統，對其進行計算。

2.1 夏季空調冷負荷計算

上海市室外氣象條件：北緯31°10′，東經121 °26 ′，海拔4.5 m；大氣壓力：夏季100.53 kPa；室外空氣計算參數：室外計算干球溫度34.0 ℃，室外計算濕球溫度28.2 ℃；夏季室外風速3.2 m/s。夏季室內空氣干球溫度26 ℃，室內空氣相對濕度65%，新風量：≥30 m3/（人·h）。

該住宅選取空調類型：主臥室和次臥室選用格力KFR-35GW/K（35556）K1C-N2，制冷量為3500 W；客廳選用格力KFR-50LW/（50566）Aa-3，制冷量為5200 W。

2.2 家用熱水負荷的計算

夏季地表水溫度平均20 ℃，三口之家，用戶日用水量約為300 L。夏季自來水可加熱到65 ℃，則溫升為Δt=45 ℃。加熱300 L生活用熱水所需要的熱量為：

2.3 夏季空調冷凝器加熱熱水時間的計算

在8：00至16：00，只有次臥室開空調，所能放出的熱量為：

在16：00至22：00，只有客廳開空調，所能放出的熱量為：

在22：00至8：00，主臥室與次臥室都開空調，所能放出的熱量為：

則1 d所放出的總熱量為312840+125136+139449.6=577425.6 kJ遠大于56416.5 kJ。

夏季家用熱水加熱總量為V=300 L=0.3 m3。

（1）主/次臥室內冷卻水體積流量為：

即夏季用主/次臥室的加設冷凝熱回收裝置的空調加熱生活用水，需要144 min左右，就能夠滿足家庭熱水需求。

（2）客廳內的冷卻水體積流量為：

即夏季用客廳內的加設冷凝熱回收裝置的空調加熱生活用水，需要97 min左右，就能夠滿足家庭熱水需求。

（3）在22：00至8：00之間加熱水，主臥室與次臥室都開空調，將兩個冷凝器串聯，則其冷卻水體積流量為：

即夏季用客廳內的加設冷凝熱回收裝置的空調加熱生活用水，需要72 min左右，就能夠滿足家庭熱水需求。

所以，夜間利用冷凝器放出的熱量對水進行加熱，在恒溫水箱進行保溫處理。

3 經濟技術分析

3.1 用電成本分析

（1）使用制冷—熱水模式的空調熱水器

該三口之家空調每天的開啟為：主臥室的總小時數為10 h（22：00至第二天的8：00）；次臥室的總小時數為18 h

（22：00至16：00）；客廳的總小時數為6 h（16：00至22：00）?？照{用于制冷方面的每天平均能耗為Qkth=1.06×10+

1.06×18+1.49×6=38.62 kWh；輔以電加熱300 L熱水所需的功耗為：5 kWh。

（2）使用電熱水器

假設選用美的F65-21B1電熱水器加熱每天所需生活熱水，其加熱功率為2100 W，則用該電熱水器將300 L的水從20 ℃加熱到60 ℃所需要的熱量為t=cp×V×ρ×Δt=4.178×0.3×0.98×

103×（65-20）=55275 kJ，所需時間為t=55275/2.1=26321 s=7.3 h，則根據上式計算可知，利用電熱水器制備生活熱水時，每天所消耗的能量為15.33 kWh；

（3）兩種方案比較

根據上面所得每天所用于制冷的能耗、各種制備生活熱水所有的能耗以及上海市空調開啟的天數，可以得出各種配置方案的夏季能耗量，如表1所示。

考慮到兩種配置方案均要消耗電能，所以方案的運行成本如表2表示，由于兩種方案中空調部分耗電量及用電價格相同，故下表只比較電加熱部分。上海市居民的日間用電價格為0.61元/度，夜間用電價格為0.3元/度?？照{—熱水器中電加熱部分使用的是夜間電，而普通電熱水器使用的是日間的電。

需要指出的是，本設計中的空調—熱水器在夏季制備生活用水大部分是利用空調的冷凝器熱，節約電能，根據表2計算所得數據，可由下式計算出相對于空調+電熱水器的節能率：=929.7/4855.5=19%

3.2 初投資的比較

電熱水器選用美的F65-21B1電熱水器，對空調—熱水器和空調+電熱熱水器初投資進行比較，將兩種系統的投資成本匯總成表，兩種配置的投資成本如表3表示。

由表可以看出，利用夏季冷凝熱進行改裝的家用空調—熱水器的投資成本要比空調+電熱熱水器的投資成本高，但是其在夏季每年可以節約用電費706.5元。即空調—熱水器的回收期為兩年，長期運行費用要比空調+電熱水器的節約。新型空調—熱水器系統不僅經濟效益良好，而且在安全上會更加的可靠，不存在漏電等危險。

4 結語

本論文提出利用回收空調冷凝熱制備生活熱水，將家用空調和熱水器合二為一，能有效的利用多余的資源，實現一機多用，方便萬家千戶。

（1）本新型家用空調系統利用冷凝余熱加熱生活用水，每天僅僅需要72 min就能夠把300 L水加熱至50 ℃，而且完全能夠滿足家庭用戶日常的生活用水，在減少電能的使用的同時，更沒有漏電危險，既安全又節能。

（2）本新型家用空調熱水系統相較于傳統的空調+電熱水器分體式裝置，其可在夏季節能929.7 kWh，節能率約為19%，在技術上是完全可行的。而在空調期每日可減排冷凝熱577425.6 kJ，在很大程度上緩解了由于夏季空調冷凝熱的大量排放而引起的城市熱島效應，具有重大的節能減排意義。

（3）新型家用空調系統在初投資的成本上與傳統的家用空調+電熱水器相比，雖比家用空調+電熱水器方案多1401元，但是其每年夏季可以節約電費706.5元，所以長久來看具有明顯的優勢，值得我們去推廣。

（4）本設計結構較為簡單，只需要對現有的空調機組進行改裝，而且投資的成本不高。符合我國空調節能和可持續發展的要求。

參考文獻

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