空调冷凝热回收利用的影响因素分析

刘军 胡益雄 孙超 刘光辉

中南大学能源科学与工程学院

空调冷凝热回收利用的影响因素分析

刘军 胡益雄 孙超 刘光辉

中南大学能源科学与工程学院

冷凝热的回收可以为生活用水加热提供能源。热水的出水温度、热回收率是衡量冷凝热回收效果的重要参数。本文通过建立数学模型，研究出水温度与水流量、热回收率的关系。结合工程实际，当冷凝温度一定且为42℃时，设计出水温度小于47℃时，热水流量主要取决于潜热负荷和过冷负荷，热回收率随着设计出水温度的升高而增加。在设计出水温度大于47℃时，热水的设计流量主要是由显热负荷决定，且热水流量和冷凝热回收率随出水温度的升高而降低。

热回收 冷凝热 出水温度 热回收率

在发达国家，用于生产的热水能耗将成为室内第二大主要能耗，在美国，热水器能耗占居住总能耗的17%，今后还将有继续上升的势头[1]。随着能源和环境问题的日益突出,如何高效地使用能源、回收各种余热和减小对环境的污染是人们关注的焦点[2]。目前，国内外很多旅馆类建筑都对中央空调系统进行了热回收改造[3～4]。大多学者都对冷凝热回收进行了全面的分析，不过都是基于实际工程的利用。

本文以湖南岳阳某宾馆改造工程为例进行理论计算，该工程采用三台HYS系列的水冷螺杆机组，制冷剂是R22，每台额定的制冷量是1210kW，压缩机输入功率是260kW。设计的空调冷冻水供回水温度为7/12℃，冷却水供水和回水温度为30/35℃，空调主机的冷却塔设在裙楼顶部，配备两台功率为11kW的风机。制冷循环的冷凝温度为42℃。

1 热回收换热器的出水温度与水流量、热回收率的关系

本次计算是在标准工况下进行，作出如下假设：

1）制冷剂在压缩机的压缩过程中是绝热过程。

2）节流过程前后焓值相等。

3）蒸发与冷凝过程的压降忽略不计。

4）制冷循环过程中，过冷度和过热度是固定不变的。

假设在换热器的加热过程分为两步。

第一步：由过冷热量和液化潜热将当地自来水（约20℃）加热至冷凝温度42℃，此时的水流量为：

式中：Qu为制冷剂的过冷热量，W；Qx为制冷剂的液化潜热，W。

第二步：由过热热量将42℃的水加热至设计的出水温度，此时的水流量为:

式中：Qb为冷凝过程中的高温显热，W。

以上两个步骤是在同一个换热器中进行的，所以水流量应取两值较小值，因此

水侧换热器的换热量为：

根据热平衡的原理可知，理论上需要回收的热量为：

定义热回收率[5]：

式中：Qk为冷凝器释放的冷凝热，W。

选取不同的出水温度，可以得到不同的值，结果如图1、图2所示。

图1中，在冷凝温度固定在42℃不变的条件下。当设计的出水温度小于47℃时，热水流量主要取决于过冷量和潜热量。当设计的出水温度大于47℃时，热水流量主要取决于显热负荷，热水流量随着设计出水温度的升高而减小，出水温度越高，曲线越趋平缓。因为利用潜热最多将水加热至冷凝温度。由此可知，要获得较高的出水温度，取决于显热负荷。

图2中，在冷凝温度固定在42℃不变的条件下。当设计的出水温度小于47℃时，冷凝热的热回收率随着出水温度的升高而增大。当设计的出水温度大于47℃时，热回收率随着出水温度的升高而减小。由此可知，在冷水机组设计工况中，存在一个出水温度值使热回收率达到最大值。

图1 出水温度与水流量关系

图2 出水温度与热回收率关系

由以上分析可知，要得到越高温度的热水，需要的显热量就越大，潜热量越小，热水流量越小，热回收率也越小。因此，对于一般宾馆提供50～60℃热水的情况下，其热回收率在45%～70%之间。在满足生活热水需要的情况下，热回收率要达到100%是很难的，一般条件难以达到。

2 影响热回收设计出水温度、热回收率的因素

热回收系统的出水温度、热回收率是评价热回收系统合理性的重要参数。出水温度的高或低不仅直接影响用户用水的舒适性，而且易造成能源的浪费。

2.1 冷凝温度

为了得到更高的出水温度和更高的热回收率，需要了解影响出水温度和热回收率的主要因素。蒸发温度、过冷温度、冷凝温度、吸气温度、吸气过热度、排气温度等对出水温度及热回收率都有一定的影响。蒸发温度一般由用户侧确定，其变化范围较小，对出水温度和热回收率影响较小。由本文假设可知，过热度和过冷度维持不变。而排气温度和排气过热度由冷凝温度确定。可知，冷凝温度对出水温度和热回收率影响最大。

图3显示的是不同冷凝器温度下出水温度与热回收率的关系。出水温度相同的条件下，热回收温度随着冷凝温度的升高而增大。这是因为随着冷凝温度的升高，可以用来加热热水的冷凝热潜热就越多。当冷凝温度相同时，热回收率随着出水温度的升高而减小。从图中可知，当冷凝温度处在40～50℃时，存在一个出水温度值使热回收率能够达到100%。在冷凝温度较低时，热回收率变化不大。

图3 不同冷凝温度下设计出水温度与热回收率的关系

2.2 热水进出水温度

出水温度对热回收率的影响比较大，总体的趋势是随着出水温度的升高而减小。为了研究进水温度对热回收率的影响，利用进出水温差来评价热回收率。如图4所示。

图4 同一冷凝温度下进出水温度与热回收率的关系

由图4可知，在冷凝温度为42℃，出水温度为45℃时，进水温度对热回收率影响不大，且热回收率较大。这是由于出水温度与冷凝温度比较接近，冷凝温度可利用的潜热能较大。图中列出了当出水温度为50℃、55℃、60℃时的曲线。可知，随着进出水温差的增大，热回收率增大。也就是说，当出水温度一定时，热回收率随着进水温度的减小而增大。进水温度越小，将水加热至一定的出水温度时，所需要的冷凝热越大，故而热回收率越大。

3 结论

由以上分析可总结出几点提高冷凝热回收率的措施：

1）确定一个合适的冷凝温度。冷凝温度越高，热回收率越大。但同时冷凝温度越高，会减小制冷量，影响制冷效果。

2）确定一个合适的出水温度。出水温度越高，热回收率越小。因此在满足生活用热水舒适的情况，尽量降低出水温度。

3）确定一个合适的进出水温差，可以有效提高热回收率。

[1]卜燕,戴辉.家用空调机组系统分析研究[J].科技创新导报,2012, (36):89-91

[2]程代京,刘银河.蒸汽冷凝结水的回收及利用[J].北京:化学工业出版社,2007

[3]袁天昊,魏兵,陈娟娟.基于冷凝热回收的中央空调改造方案[J].发电与空调,2012,33:65-68

[4]朱国辉.热回收空调机组系统分析研究[J].制冷与空调,2008, 22(6):73-76

[5]肖皓斌.水冷螺杆机组热回收的设计与应用[J].制冷与空调, 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

刘军（1988～），男，硕士研究生；长沙市岳麓区中南大学能源科学与工程学院（410083）；E-mail:649414037@qq.com