中央空调冷凝热回收与双热源多功能热泵

1、中央空调冷凝热回收与双热源多功能热泵摘要：本文初步分析了中央空调制冷机组的热回收的原理与实现型式以及热回收型空气源热泵的另一种运行模式双热源热泵，分析了它们的可行性、经济效益社会效益，并提出了系统原理与初步设想。关键词：   冷凝热回收   双热源热泵   经济性分析   环保节能1.引言众所周知，在夏季，中央空调主机作制冷运行的同时，必须通过冷凝器向外界散发出大量的冷凝热，如水冷机组通过冷却塔，风冷机组直接向外界排放出大量的热量。因为主机的机器效率和电机功率等因素，散发出的热量大约是制冷量的120%。随着城市空调

2、的普及，冷凝热的排放已引起人们的关注。据1999年6月29日人民日报载，1999年6月29日京津塘电网空调用电在250万千瓦左右，所以按保守的推算，空调所排放的冷凝热就有300万千瓦热量之多。相当于把每小时燃烧36.86万吨标煤的热量连续不断的向大气中排放，在热浪滚滚的夏天“火上加油”，使城市气温进一步增高，增强城市中的热岛效应，恶化了环境。在上述背景下，一些有识之士提出了中央空调的冷凝热的回收并应用于工程实践，取得了良好的社会效益的经济效益。本文仅探讨冷凝热回收以用于制取生活热水的方式实现，并探讨风冷热泵热回收机组在冬季的另外一种利用双热源热泵。2.热回收的原理与实现途径带热回收功能的中央空

3、调制冷机组通常在原有的冷水机组上加装废热回收装置（换热器），利用机组排掉的冷凝废热来制取热水。热回收换热器通常以下面三种方式出现：2.1 与冷凝器串联在压缩机与冷凝器之间串联一只换热器（R22-水热交换器），如图1所示：从压缩机排出的高温高压的制冷剂汽体（60-100）首先进入热回收换热器，利用冷凝潜热和过冷段显热加热生活用卫生热水（进口也可以为自来水），同时自身被冷却冷凝，再进入冷凝器进一步冷凝。此时，带热回收的机组与原机相比相当于增加了一个冷凝器，扩大了其冷凝面积。2.2与原冷凝器设计在一起，置于原冷凝器之上当制冷主机为水冷设计时，热回收换热器可以与水冷冷凝器设计在一起，如图2所示：此时，

4、带热回收功能的主机与原机型相比，只须加大原水冷冷凝器，在制冷原理上只相当于增加了冷凝面积。2.3与冷凝器并联此时，用于热回收的换热器与原冷凝器并联在一起，如图3所示：图3中，采用第一水换热器与第二水换热器并列设计，第一水换热器为增加的热回收换热器，第二水换热器相当于原机型的蒸发器。此种设计更适用于风冷冷水和热泵机组的热回收。夏天运行时，第一水换热器用于热回收，用于加热生活用卫生热水，此时空气侧换热器作为冷凝器可以少开或不开。第二水换热器用作蒸发器，提供冷冻水。在冬季运行时，以第二水换热器为冷凝器，提供空调用热水，而空气换热器及第一水换热器为蒸发器，空气换热器从周围环境提取低品位热量，第一水换热

5、器可以用来从生活废水中提取低品位热量，作为第二热源，也可用于向区内空调末端提供少量冷冻水。3.双热源多功能热泵的原理在2.3中所述的热回收机型，如加上膨胀阀自控元件等必要元件，可组成双热源多功能热泵，其原理图如下图4所示：采用上述设计的机组理论上可以有5种运行模式：3.1单制冷;此时与常用机组一样使用,提供空调用冷冻水此时，制冷剂的流向如图5所示：此时电动三通阀A打开，而电动三通阀B关闭，制冷剂直接流入风冷冷凝器冷凝，与风冷冷水机组的制冷原理相同。3.2制冷和热回收在提供冷冻水的同时提供生活热水或既制冷又制热,但以制冷为主,提供大量的冷冻水的同时也可提供少量的空调热水,(如大型建筑物秋季使用时

6、，大部分区域需制冷而少量区域需制热,且盘管等末端使用4管制时)此时，制冷剂的流向如图6所示：此时电动三通阀A关闭、电动三通阀B打开。制冷剂气体首先流入第二换热器中，加热生活卫生热水，因制冷剂的冷凝压力随着生活热水的温度升高而升高，当冷凝温度或压力达到限定值时，电动三通阀B关闭，风冷冷凝风机开，制冷剂进入风冷冷凝器进一步释放潜热，降低冷凝压力。此时第二换热器仍能利用高温的气态制冷剂过热段的显热放热进一步提高生活热水的水温。3.3单制热；此时与一般热泵同样使用。提供空调用热水。制冷剂的流向如图7所示：此时电动三通阀A打开，而电动三通阀B关闭，制冷剂经膨胀阀节流降压直接流入空气侧换热器冷凝，与空气源

7、热泵机组制热原理相同。3.4双热源制热;此时空气侧换热器从周围环境吸取热量,原用于热回收的换热器从生活废水等低品位热源中吸收热量。此时，制冷剂的流向如图8所示：经冷凝器放热后的制冷剂液体通过打开的电动三通阀B分别进入空气源换热器和第二水换热器，并分别在其中吸收低品位的能量，以保证制热的持续进行。同时在第二水换热器出口处装有蒸气压力调节器的作用下，进而保证了两个蒸发器中蒸发温度、压力保持恒定。3.5制热和冷回收;在提供空调用热水的同时,提供少量的冷冻水(如大型建筑物,有较大的中间区域且有多余热量,冬季运行时外圈需制热而内圈需制冷时)，此时，制冷剂的流向与图8相同，原理也相同，只是第二换热器中水的

8、来源与用途不同。4.热回收机组与双热源热泵  适用范围与经济性能分析4.1 热回收机组适用于我国长江两岸及以南的大部分地区,特别是南方地区（如广东、广西、海南）,每年夏天制冷的周期长达7-9个月,热回收的利用价值相当大。理论上讲凡是需要制冷又需要提供生活热水的场所都可以使用。如大型的旅游酒店，高档公寓，医院，机关学校餐厅等。假设一个中等规模的宾馆，制冷总装机容量为100万大卡/小时，假定机组夏季运行率为60%，每天开机16小时，机组热回收的总效率约为制冷量的40-50%（以40%计算），则每天可回收的热量为Q回=Q冷*60%*16*40%   =480万大卡 假定

9、夏天自来水温为20，所需热水为60，每天可获取的热水量为：V水=Q回/水*C水*T水   =120立方通常，宾馆客房人均洗浴用水为0.2立方，则每天回收的热量可供约600人次洗浴，相当于300套标准客房的热水用量。假设使用燃油锅炉来提供同样的热水，约需柴油 470 KG。（柴油的燃烧值以42.9MJ/KG计算）若柴油单价为3.0元/公斤，则消耗柴油 1441元。如使用电热锅炉来提供，约需电5580度（每度电热值取860大卡/度），若电价为0.45元/度,则需用电2251元。若整个夏天运行4个月，约120天，则使用热回收机组在一个制冷空调季节节约的能源相当于用柴油1441*1

10、20=17.2万元,相当于用电2251*120=27万元近年来,随着能源价格不断上涨,城市商业用电价格要远高于0.45元/度,另外,因为采用热回收,可减少冷却水的使用量,假设对冷却水泵电机进行变频控制,还可以节省部分电费。所以使用热回收机组在节能方面的效益显著。4.2 双热源多功能热泵因为其运行方式多,应用上具有很高的灵活性,能满足用户的各种需要,与热回收机组相比具有更高的综合效益。因为双热源设计，可以从根本上解决空气源热泵在环境温度很低时难于启动，耗电量大（需要电加热），制热量不足等缺点。 因此，双热源多功能热泵可以应用于我国黄河以南的绝大部分地区，特别是长江中下游地区。本机组每年任何季节都

11、可运行，在高档写字楼，宾馆，医院，学校等场合，节能更显著。空气源热泵在环境温度降到0左右后，空气侧换热器表面结霜加快，传热温差大，此时蒸发温度下降速率增加，机组制热量衰减下降加剧，必须周期性地除霜，机组才能正常工作。另外，环境温度的降低，冷媒蒸发温度和压力下降，而致使制冷剂质量流量减少，单位功率制热量下降。通常，空气源热泵在环境温度为-5时，制热量仅是标准工况制热量的约70%，在环境温度为-10时，制热量仅是标准工况时的约50%。还未计算在除霜时所引起制热量损失约标准工况制热量的约3%。对双热源热泵来讲，当冬天环境温度很低时，可以不使用空气侧换热器，而仅使用第二水换热器。此时制热运行方式等同于

12、水源热泵。因设计时Q回=Qc，用作热源的生活废水水温通常在12-25度，远高于外界的环境温度，使循环的蒸发温度和压力得到提高，所需的单位压缩功减少，制冷系数提高，能效比增加，有显著的节能效果。另外机组无需除霜，可节省空气源热泵因除霜而增加的能耗。据有关资料此时机组的性能系数（COP值）可达4.0。4.3 因为热回收机组和双热源多功能热泵与传统主机相比,需增加一个换热器,并需对制冷管路和自动控制进行增加和修改,材料费增加不会超过材料成本的20%-30%,设备价格比原来可增加30%-50%,同上述宾馆,若100万冷水机组价格约80万元,如采用热回收型机组需增加投资30%即约24万元,约1-1.5年

13、后收回增加的投资,而从次年开始,用户可以每年免费得益,获得免费的卫生热水。4.4 对于生产厂家来说,因为市场竞争激烈,原有常规机型利润空间已相当小,只有利用新技术占领新市场,获取更高利润，也增强企业和产品的市场竞争力。5.热回收方式对机组性能的影响与机组  初步设想。5.1采用热回收可改善机组运行工况，提高制冷系数。因为采用热回收方式，相当于增加了机组的冷凝器，根据制冷原理，当热回收换热器带走的热量与原冷凝器相当时，可以看作为冷凝器，此时可以少用或不用冷却水。实际上，热回收的量仅相当于冷凝器的40-80%，因此冷凝器还是不可缺少的，但冷却水的量可以适当减少。此时相当于原机组的冷凝面积

14、增加，冷却冷凝效果增强，制冷剂的过热度增加，制冷量增加。另外排气压力和冷凝压力也有一定的下降，压缩功减少，用电量下降。假定某制冷机采用热回收后制冷剂过冷度比原来增加5度，根据制冷原理,画出其压-焓图,如图9所示:                图9中， 1点所示为制冷剂出蒸发器进压缩机的状态       2点所示为制冷剂出压缩机进热回收换热器的状态2”点所示为制冷剂出热回收换热器进冷凝器

15、的状态3点所示为原机组制冷剂出冷凝器的状态3点所示为热回收机组制冷剂出冷凝器的状态4点所示为原机组制冷剂出膨胀阀进蒸发器的状态4点所示为热回收机组制冷剂出膨胀阀进蒸发器的状态则有   原机组制冷系数=(h1-h3)/(h2-h1)热回收机组制冷系数=(h1-h3)/(h2-h1)制冷系数增加=-=(h3-h3)/(h2-h1)制冷量增加Q=(h1-h3)-(h1-h3)=h3-h3制冷系数增加率Q/Q=(h3-h3)/(h1-h3)回收热量与冷凝热量的关系如下：Q回=G（h2-h2”）Qc=G(h2”-h3)Qc=G(h2-h3)式中，Q回：热回收机组回收的热量； 

16、;     Qc：热回收机组冷凝器排放的热量；      Qc:原机组冷凝器排放的热量；      G：制冷剂循环量；由图中可得，当2”位于线段2-3中点时，Q回= Qc=1/2 Qc当2”接近3时Qc <Q回 <Qc在设计时可取Q回 =Qc但冷凝器还按原来的设计即QC=Qc。对于热回收换热器，因为冷热水间温差大，故热水的流量小（约取冷却水流量的1/5-1/2）。另需加大的流速与流程。热回收换热器传热面积和体积略大于原冷凝器。另外因为机组换热器

17、的增加，制冷剂和润滑油也要相应的增加，特别是润滑油补充时一定要注意润滑油的型号的加注量。5.2热回收机组和双热源热泵对自动控制的要求热回收的原理简单，但要保证机组的制冷制热性能不受影响，在自动控制上还要做很多的工作。在串联连接的热回收机组中，为了不因为热回收而影响冷凝效果，可对冷却水管路采用自动控制，如在冷却水管路中增加一个水量调节阀或电动调节阀，根据冷凝器中制冷剂的温度或压力控制阀门的开度大小，进而控制冷却水的流量(如图10所示)。在双热源热泵中，更要对第一和第二两个热交换器进行温度压力水量控制，必要时，还需要制冷管路上增加压力调节器单向阀三通阀等元件(如图4所示)。5.3热回收工程的改造目

18、前，市场上有大量的水冷冷水机组，大部分用户有使用热水的要求，也就有进行热回收改造的潜在需求。热回收工程的改造原理如下图11所示。6.热回收在实际应用中存在的问题与对策6.1回收热水量与实际应用中的差距正如人们使用太阳能一样,当夏天温度较高时,热水量较充足,但热水的使用量却较少,当春秋温度不高时,热水量不足,而对热水需用求量却增加，是一个反比例的关系。同时，在一天之中，晚上用水量比较集中，而白天的用水量比较少，因而在系统设计时一般要考虑使用电加热系统或燃油锅炉补充回收热量的不足。同时要根据实际需要，适当加大热水箱的贮水量，以保证用水高峰的使用。热回收产生的热水温度受制冷的运行工况限制通常在45-65之间，如用户对水温有更高的要求，则需在热水出口增加再加热装置，如电加热等。6.2双热源热泵的第二热源的选择在冬天使用双热源热泵时，第二热源可以是收集起来的各类生活污水、洗衣房排放的废热水等，此时，双热源热泵类似于水源热泵的运行。如果暂不具备污水收集条件，也可使用电加热的循环水。即使如此，也比使用电热锅炉或燃油锅炉更经济。7.结论从环境保护和经济可持续发展的角度出发，热回收机组的双热源多功能热泵的开发，推广和使用，为人类、