空调冷凝热回收在水疗会所热水制备系统中的应用

张素云，林真国，白雪莲

（1.后勤工程学院 营房管理与环境工程系，重庆，400041；2.重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆，400045）

节约能源是资源节约型社会的重要组成部分。在我国能源消费结构中，建筑的运行能耗大约为全社会商品用能的1/3，是节能潜力最大的领域[1]。建筑能耗主要用于建筑的采暖空调、热水供应、炊事、照明、电器、电梯等方面，而采暖空调与热水供应占的能耗比例接近 60%且有继续上升的趋势[2]。因此，空调及热水系统是建筑节能工作的重点。空调冷水机组在制冷的同时会产生大量的冷凝热，通常是通过冷却塔释放到大气中。回收空调冷凝热用来提供生活热水是一条节能的好途径[3]。随着各类商业建筑卫生热水能耗的增加，卫生热水节能日益重要[4]。利用空调冷凝余热制备生活热水具有诸多优点，在实际工程中应用较多。葛亚飞[5]通过实际工程数据分析了冷水机组热回收的节能量，认为冷水机组热回收系统除能节省锅炉能耗外，还能减少管理人员和延长设备使用寿命，降低空调和热水系统运行费用，是一举多得的措施；杨琦[6]对比分析了空调冷凝热利用方式不同的优缺点，认为利用冷凝热制备生活热水的方式更有优势。工程应用实例表明：利用空调冷凝热制备卫生热水具有良好的节能效益，可使热水锅炉能耗下降25%以上，空调系统的电耗也降低15%～20%[7]。通过回收空调冷凝热获得免费热水供应在酒店类建筑具有可行性[8]，是值得推广应用的节能模式。水疗会所是现代都市集洗浴、美食、健身、休闲等多种功能一体的公共场所，数量和规模都有不断扩大的趋势，属高能耗的公共建筑。提高水疗会所空调和热水系统的能效，除了能提高会所自身的经济效益外，还对公共建筑的节能减排具有重要意义。利用空调冷凝余热制备卫生热水在水疗会所具有很好的适宜性。会所一般均设有集中空调和独立的热水制备系统，回收的空调冷凝余热能够就地利用，而且会所热水需要量的高峰时段是会所客流量的高峰时段，往往也是空调负荷高峰时段，空调冷凝热在时间上也恰好与热水制备的热负荷需求相适应。为此，本文作者提出水疗会所利用空调冷凝余热制备卫生热水的技术方案，并分析空调冷凝余热的可利用量，探讨空调和热水制备系统在冷凝热回收前后的运行费用，结合具体的工程案例，说明水疗会所利用空调冷凝热制备卫生热水的节能效果。

1 技术方案

利用空调余热制备卫生热水的技术方案如图1所示。在空调制冷季，空调冷水机组的余热可通过2种途径进行回收：（1）将生活冷水箱内的冷水作为冷水机组冷却水，即关闭图1中阀V1和V2，同时打开阀V3和V4，相当于利用冷水机组冷凝热对热水系统的补水进行预热；（2）选用带冷凝热回收功能的冷水机组，在空调制冷的同时进行冷凝热回收并直接提供洗浴热水。

该方案的优点主要有：（1）冷水箱内冷水被预热，降低热水加热能耗；（2）冷水箱内水温 t1通常比经冷却塔的冷却供水温度t3低，有利于冷水机组的高效运行，可节省冷水机组能耗；（3）减少空调冷却水系统能耗。冷水预热泵的投运可相应减少冷却水泵的开启台数，降低冷却水泵和冷却塔的能耗,同时因冷却水量减少,可降低冷却塔飘水，具有一定的节水作用；（4）选用带热回收功能的冷水机组回收冷凝热，在降低空调冷却系统能耗的同时，可进一步减少卫生热水的加热负荷。

图1 空调余热回收系统原理图Fig.1 Working principle of heat reclaim from air-conditioning system

图2 空调余热回收系统控制逻辑图Fig.2 Logic diagram of controlling for heat reclaim from air-conditioning system

空调余热回收系统的控制逻辑如图2所示。在空调制冷季，优先开启冷水机组 1，对热水补水进行预热，关闭阀门V1和V2并开启空调余热回收泵进行冷凝热回收（开启顺序为阀门 V3和 V4—冷水预热泵—冷冻水泵—制冷主机1）；当生活热水用水量减少，以至于生活冷水箱内的温度t1超过经冷却塔的冷却供水温度t3时，关闭冷水机组1并开启冷水机组2，同时开启冷却水泵、冷却塔和空调余热回收泵，切入到常规空调制冷方式（顺序为关闭冷水机组1—关闭冷水预热泵—开启冷却水泵—开启冷却塔—开启冷水机组2—开启空调余热回收泵）；若冷水机组2满负荷运行仍不能满足空调制冷负荷要求，则可将冷水机组1同时切换到常规制冷模式（顺序为关闭阀 V3和 V4—开启阀V1和V2），同时仍开启空调余热回收泵；在上述工况下热水箱内的温度t2经设定时间（如30 min）后若不能达到热水供水温度（如55～60 ℃），则表明空调余热回收量达不到热水加热负荷要求，此时，启动锅炉加热系统对生活热水箱内热水进行辅助加热（顺序为开启锅炉循环泵→开启热水锅炉）。

上述工况切换是针对冷水机组和锅炉开启进行的设定。当冷水机组和热水锅炉需要停机时，各步骤对应的启停顺序则正好相反。在实际应用中可设置自动化控制系统，严格按照设备开启顺序操作，防止冷水机组蒸发器结冰和锅炉超压，保证系统运行安全。

图2所示的控制逻辑是在保证空调制冷系统性能不受影响的前提下，冷凝热回收优先于锅炉加热。与常规的热水制备方案相比，冷凝余热回收方案将热水制备的热源由单一的锅炉变为冷水机组冷凝器+锅炉的复合式热源，而锅炉仅作为辅助热源，体现了最大程度地提高整个系统能效的原则。在实际工程应用中，若空调系统冷水机组台数大于2台，则可参照图2所示的控制方式类推；当冷水机组仅1台时，可仅进行冷凝热回收而省略生活冷水箱的预热系统。

空调冷凝余热回收方案中的工况切换对冷水机组的启停频率不会产生明显影响。首先，冷水机组的启停频率主要受空调实际冷负荷与冷水机组额定制冷量的影响，是空调系统设计中应该重视的关键问题，而空调冷凝热回收不会引起冷水机组启停次数的改变；其次，在空调制冷季前后期的中低冷负荷时段，当单台冷水机组运行可满足空调要求时，冷水机组1和冷水机组2交替运行，机组的启停次数每天仅增加2次，时间上对应水疗会所的热水日用量高峰来临开始和结束，而该高峰期通常在固定时间段内持续（空调制冷季一般在每日的 17:00～24:00），不会反复出现；最后，在空调制冷季中期的高负荷时段，需要2台冷水机组同时运行。为了防止经冷却塔的冷却循环水影响生活冷水箱的水质，减少冷水机组1工况切换时机组冷凝器的冲洗工作量，一般不再对生活冷水箱内补水进行预热，仅采用空调余热回收泵回收冷凝器余热。可见：冷凝热回收不仅改善了冷水机组的制冷工况，而且减少了热水锅炉的启停次数和运行时间，对冷热源设备的运行是有利的。文献[5]也同样说明了冷凝热回收可延长设备的使用寿命。

2 冷凝热的可利用量

技术方案从工艺流程上论证了利用空调冷凝热制备卫生热水的可行性，而冷凝热的可利用量是衡量其工程应用价值的重要指标。以下针对现代大型水疗会所，分析空调冷凝热可利用量与热水加热量的相对比率。

可用于热水制备的空调冷凝热量与空调冷负荷、冷凝热回收方式以及冷水机组性能等因素有关。空调冷负荷越大，则可利用冷凝热越多。冷凝热回收方式包括全热回收和部分热回收，图1中单独运行冷水机组1且冷却塔未开启运行时属于全热回收，利用冷凝热制备热水且同时开启冷却塔散热的工况则属于部分热回收。在实际工程应用中，由于要优先保证冷水机组制冷效率，故大多采用部分热回收运行。目前，在实际工程中应用的带热回收功能的冷水机组，其热回收比率大多为12%～20%，如表1所示。空调冷凝余热量可表示为：

式中：QY为空调冷凝余热回收量，kW；IR为空调冷凝余热回收比率，%；QL为空调制冷负荷，kW。对于大型水疗会所，空调系统的制冷量及热水用量均与会所的规模和档次相关，设计工况下空调冷负荷与热水制备的热负荷之间存在一定的联系。水疗会所的热水用量与季节变化有关，在1 d内的不同时段也有较大差异。热水制备所需热负荷可表示为：

式中：QR为卫生热水制备热负荷，kW；cp为水的比定压热容，4.187 kJ/（kg·℃）；V为卫生热水用水量，L/s；tg为卫生热水供水温度，℃；t0为自来水温度，℃。

在夏季空调制冷工况下，根据表1所示统计结果，空调冷凝余热回收比率可取15%；一般淋浴热水温度为38～40 ℃。考虑热水管道适量的热量损失，末端热水供水温度可按 42 ℃计算，根据各地夏季自来水温度，统计所设计的6个大型水疗会所的空调冷凝余热与卫生热水热负荷比率如表2所示。

从表2可见：所统计的大型水疗会所空调冷凝余热与卫生热水热负荷比率为52%～77%。南方城市空调冷负荷大，相应冷凝余热量大且夏季自来水温度较高，因而，冷凝余热与热水热负荷相对比较大；此外，会所档次越高其客流量和热水总用量减少，而单位面积空调冷负荷却较高，因而，室外气象相当时高档水疗会所冷凝余热与热水热负荷的比率与中档会所的相比偏高。表2中空调冷凝余热与热水热负荷的相对比率是以热水峰值用量进行计算的，且未考虑热水箱的蓄热量。由于空调制冷系统运行时间比热水峰值用水时间长，热水用量低谷期间可通过蓄热水箱进行冷凝热蓄存，因此，在实际工程应用中，冷凝余热与热水热负荷的相对比率比表2中的还要高。从表2可见：大型水疗会所空调冷凝余热可满足卫生热水制备50%以上的热负荷需求，南方城市甚至可以达到70%以上；而开启锅炉进行的辅助加热量低于热水热负荷的一半，空调冷凝余热回收在大型水疗会所热水制备系统中应用具备良好的适宜性和工程应用价值，节能减排效益明显。

表1 冷水机组热回收量与制冷量的比率Table 1 Ratio of heat recovered and cooling capacity for chiller

表2 空调冷凝余热与热水热负荷比率Table 2 Ratio of condensation heat and heating load for hot-water supply

3 节能效益分析

大型水疗会所利用空调冷凝热制备卫生热水，既可提高空调系统运行能效，又能减少卫生热水制备能耗，具有双重节能效益。以下对空调及热水制备能耗费用进行简要分析。对空调系统，有：

式中：M1和M1′分别为冷凝热回收前、后空调运行费，元；QL,P为制冷期空调平均负荷，kW；Es和 Es′分别为冷凝热回收前、后空调制冷系统平均能效比，kW/kW；GCT和GCT′分别为冷凝热回收前、后冷却补水量，m3；re为商业电耗价格，元/（kW·h）；rw为商业自来水价格，元/ m3；n为空调制冷期运行时间，d；h为空调每天运行时间，h。

比较式（3）和（4）可知：冷凝热回收前、后空调运行费用的变化由制冷系统平均能效比和冷却水补水量的变化引起。根据文献[9]，冷却水温度每降低1 ℃，冷水机组能效可升高 2.56%；而制冷系统平均能效比中冷水机组的能效影响最显著。在冷凝热回收工况下，冷水机组冷却水温度与常规冷却塔制冷时相比降低5～8 ℃，冷却塔运行时间减少，造成 Es′比 Es大，而GCT′比GCT小。因此，在冷凝热回收工况下，空调系统的运行费必将减少。

对热水制备系统的能耗费用，忽略锅炉循环泵和锅炉燃烧器电耗，有：

式中：M2和M2′分别为冷凝热回收前后热水制备费，元；h′为余热回收泵平均每天运行时间，h；QR′为冷凝热回收工况下锅炉加热量，kJ；NY为余热回收泵功率，kW；Gr为制冷期平均日热水用量，m3/d；rg为商业燃气能源价格，元/ m3；qg为天然气低位热，kJ/ m3；ηg为天然气燃烧效率，%。

根据冷凝热的可利用量分析，在空调冷凝余热回收工况下，仅靠余热回收泵消耗较少电能，便可使热水锅炉加热量显著减低。由于余热回收泵功耗较小，其所消耗的电能与热水锅炉因运行时间减少所节省的锅炉循环泵能耗几乎相当，对于热水制备，所回收的空调余热几乎是免费获得。对比式（5）和（7）可知：冷凝热回收工况下热水制备系统的运行费将显著下降。

以上分析的是运行费用，运行费用降低表明能耗节省。以下通过具体工程案例说明水疗会所利用空调冷凝余热制备卫生热水的节能效果。

4 工程案例

某水疗会所利用图1所示的技术方案进行了热水制备系统的改造，改造在非空调季进行。该会所建筑面积21 000 m2，夏季平均日热水用量160 m3。改造前卫生热水采用燃气热水锅炉加热，空调冷源为2台同型号螺杆式冷水机组，单台额定制冷量为1 100 kW，冷热系统已投用3年；当地商用天然气及电费价格分别为2.28元/m3和0.843元/（kW·h），商用自来水价格为3.8元/m3。本项目改造共投入60万元，用于新购带热回收冷水机组2台（原价94万元，原2台冷水机组厂家回收抵扣38万元，实际支付56万元）；增加余热回收泵及机房水管路改造费用共4万元。空调制冷期为5月1日～9月30日，按150 d计算。改造前、后2个制冷季节同比空调及热水制备费用分别如表3和表4所示。

改造前后运行费用的对比可反映冷凝余热利用的节能效果。从表3和表4可见：采用空调冷凝热制备卫生热水，一方面，可提高空调系统能效，制冷每月可节省运行费4.1万元，空调运行费节省率为15.4%，制冷季5个月内可节省空调运行费20.5万元；另一方面，卫生热水制备大大减少了燃气消耗，仅依靠小功率的余热回收泵即可回收冷凝余热，所消耗的燃气能耗和锅炉循环泵耗对应于空调低负荷工况下冷凝热不足时锅炉辅助加热的能耗，改选后制冷季每月热水制备费节省3.14万元，热水制备费节省率为77.5%，制冷季5个月内热水制备运行费可节省15.7%。项目改造后制冷季内共节省费用为20.5+15.7=36.2万元，所投入的60万元不到2年即可回收。由于项目改造前已投运3年，经营已趋于成熟，且改造前、后空调制冷季内可忽略气候变化引起的能耗变化，因此，可认为改造前、后运行费用的减少是冷凝热利用所致。可见：回收空调冷凝余热制备卫生热水对空调及热水系统均有显著节能效果。

表3 改造前后空调运行费用对比Table 3 Comparison of operation cost for air-conditioning before and after rebuilding

空调系统节省的是高质量电能，热水系统节省的是低质量热能，如统一按一次能计算，电力和天然气能耗的折算当量分别为 11 708 kJ/（kW·h）和 38 931 kJ/m3[10]，改造前后的一次能比较如表5所示。综合空调及热水制备的一次能耗，改造后平均可节省一次能耗33.71×106kJ/d，一次能节能率为24.4%。

表4 改造前后热水制备运行费用对比Table 4 Comparison of operation cost for hot-water supply before and after rebuilding

表5 改造前后日均一次能消耗对比Table 5 Comparison of daily primary energy consumption before and after rebuilding MJ/d

5 结论

（1）空调冷凝余热回收在大型水疗会所热水制备系统中应用具备良好的适宜性和较大的工程应用价值，是值得推广应用的节能方案。

（2）大型水疗会所空调冷凝余热可满足卫生热水制备50%以上的热负荷需求，南方城市可以达到70%以上。而开启锅炉进行的辅助加热量低于热水热负荷的一半。

（3）空调冷凝余热利用可同时降低空调制冷运行费用和热水制备的运行费用，且对冷热源设备的运行无负面影响。

（4）在水疗会所实际案例中，采用空调冷凝余热制备卫生热水，空调运行费节省 15.4%，热水制备费节省77.5%，综合一次能节能率为24.4%。

[1]清华大学建筑节能研究中心,中国建筑节能年度发展研究报告2009[R]:北京:中国建筑工业出版社,2009:1−8.Building Energy Research Center of Tsinghua University,Building energy efficiency annual report 2009[R].Beijing:China Building Industry Press,2009:1−8.

[2]徐伟.中国地源热泵发展研究报告（2008）[R].北京:中国建筑工业出版社,2008:1−5.XU Wei.China ground source heat pump development report（2008）[R]:Beijing:China Building Industry Press,2008:1−5.

[3]尹应德.余热回收型热泵在空调节能改造中的应用[J].节能与环保,2004（10）:29−31.YIN Ying-de.The application of waste-heat-reclaim heat-pump in air conditioning energy-efficiency alteration[J].Energy Conservation and Environmental Protection,2004（10）:29−31.

[4]罗清海,汤广发,龚光彩,等.建筑热水节能途径分析[J].煤气与电力,2004,24（6）:353−357.LUO Qing-hai,TANG Guang-fa,GONG Guang-cai,et al.Analysis on energy saving approach for building hot water[J].Gas &Heat,2004,24（6）:353−357.

[5]葛亚飞,王志毅,邹国良.冷水机组热回收系统节能分析[J].制冷空调与电力机械,2010,31（2）:66−68.GE Ya-fei,WANG Zhi-yi,ZHOU Guo-liang.Energy saving analysis of chiller heat recovery system[J].Refrigeration Air Conditioning &Electrical Power Machinery,2010,31（2）:66−68.

[6]杨琦.循环冷却水系统中的余热利用探讨[J].给水排水,2009,35（2）:80−82.YANG Qi.Discussion on the utilization of waste heat in recirculating cooling water system[J].Water &Wastewater Engineering,2009,35（2）:80−82.

[7]深圳市鼎峰节能环保设备有限公司.酒店综合节能方案[J].建筑节能,2008（10）:79−81.Shenzhen Dingfeng Energy Saving Equipment Coporation.Hotel energy saving solutions[J].Building Energy Conservation,2008（10）:79−81.

[8]邓庭辉,高彦.酒店中央空调余热回收应用[J].环境与可持续发展,2007（5）:17−18.DENG Ting-hui,GAO Yan.Discussion on recovery and utilization of waste heat in center air-condition in hotel[J].Environment and Sustainable Development,2007（5）:17−18.

[9]林真国.城市生活污水冷热资源建筑应用研究[D].重庆:重庆大学城市建设与环境工程学院,2010:47−48.LIN Zhen-guo.Utilization of cooling and heating resources of urban residential sewage in buildings[D].Chongqing:Chongqing University.Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering,2010:47−48.

[10]GB 50365—2005,空调通风系统运行管理规范[S].GB 50365—2005,Code for operation and management of central air conditioning system[S].