空调余热回收利用系统设计分析

邸泓源，李恒凡

(华北电力大学 动力工程系，河北 保定 071000)

1 前 言

近年来，随着人民生活水平的提高，空调已经进入千家万户，而空调在使用过程中，工质经压缩机压缩后要释放大量的冷凝热，这些热量通常通过风冷冷却后排放到大气中，引起热量的浪费和废热污染[1-3]。据美国能源署统计：空气压缩机在运行时真正用于增加空气势能所消耗的电能只占总耗电量的15%，约85%的电能转化为热能排放到大气中。目前，我国家庭生活热水一般采用电加热或燃气加热等方式获得，需要消耗大量的一次能源。如果能够将空调系统压缩机排放的热量回收，将冷凝热应用在生活热水的制取过程中，不仅能够降低冷凝热的排放，减少废热污染，还能够制取一定量的生活热水，节约相当可观的能量。

2 余热回收系统设计

2.1 方案设计

空调余热回收系统将空调中工质冷凝产生的热量与家用热水用能系统合理衔接，通过套管式换热器、余热循环泵以及余热储热罐等装置实现对冷凝热的回收利用，将该部分废热用于对生活热水的预热，提高其基础水温，而后经过热水器加热至不同水温，以满足不同生活需求。

本文设计的空调外机热量回收系统的主要设备由空调系统(室内换热器、压缩机、室外换热器、四通换向阀和节流装置)、余热回收存储系统(循环水泵、套管式换热器、调节阀门和带电辅热的储热水箱)、供用水系统三部分组成，该系统工艺原理图如图1所示。

图1 工艺原理图

通过对系统中设置的电磁阀的控制，可以实现3种模式。

1.制冷结合制热水模式：在夏季开始制冷模式时，压缩后的高温工质首先通过套管式换热器，将压缩工质的热量传递给套管换热器外管的水中加以回收，然后通过室外换热器、节流装置、室内换热器，对室内环境制冷，最后流回压缩机。该过程中，压缩机出口工质首先通过套管换热器，其换热效果好，增大了工质的过冷度，提高了空调系统的制冷性能，不仅实现了对室内制冷，还回收了冷凝热，得到了一定量的生活热水。

2.制热结合制热水模式：在冬季开启制热模式时，压缩机出口的高温高压工质首先通过套管换热器释放一定的热量，然后通过室内换热器对室内放热，再通过节流装置、室外换热器，在室外换热器中吸收室外热量后，返回压缩机中。不仅实现了对室内供热，还可得到一定量的热水，如果室内供热需求量大，可先屏蔽套管式换热器，将热量全部用于室内供热，满足人们对供热的需求；如果同时有供热和供热水两种需求，可通过调整循环水泵的流量来调整供热水和供热的比例大小，以满足人们的需求。

3.纯制热水模式：在春秋季不需要供热和制冷，仅需要供应热水时，需屏蔽室内换热器，压缩机出口工质首先通过套管式换热器释放热量，然后通过节流装置、室外换热器，在室外换热器中吸收室外热量后，返回压缩机。此过程充分利用空调系统(热泵系统)制热系数高的特点，在消耗较少能量的基础上，即可得到一定量的生活热水。

2.2 运行方式

针对不同的运行模式，该系统具有不同的运行方式，下文对不同模式时系统的不同运行方式进行介绍。

2.2.1制冷结合制热水模式运行方式

1.当空调系统开启，换向阀调整好后，断开电磁阀K1、K2和K3，监测压缩机出口温度T2，当T2大于储热水箱出口温度T4时，开启循环水泵及其调节阀门，循环水通过套管式换热器与压缩机出口的工质进行热量交换，在套管式换热器中，制冷工质在内管内流动，循环水在外管内流动，且流动方向相反。经过换热后，空调系统内工质温度降低而循环水温度升高，监测套管式换热器内管出口处温度T3：当T3达到进入节流装置的要求时，可不开启室外换热器上的风机M2且闭合电磁阀K2，屏蔽室外换热器，降低工质流动的阻力，并减少风机M2电能消耗；若T3温度仍较高不满足直接进入节流装置的要求，也可适当降低风机M2的功率，降低电能消耗。降温后的制冷工质通过节流装置、室内换热器对室内制冷。

2.随着空调系统和预热回收存储系统的长时间运行，储热水箱内的水温逐渐升高，冷却水通过套管换热器的吸热量降低，使得制冷工质通过套管式换热器后的温度T3升高，不能满足低温要求时，断开电磁阀K2，打开风机M2辅助降温，保证空调系统的正常运行。

3.当储热水箱内的温度较高，达到生活用水所需上限值时，预热回收存储系统停运，关闭循环水泵M1，闭合电磁阀K1，风机M2正常工作。

2.2.2制热结合制热水模式运行方式

1.当空调系统开启，换向阀调整好后，断开电磁阀K2和K3，闭合电磁阀K1，压缩机出口高温高压工质通过室内换热器对室内放热，满足人们的需求，然后通过节流装置、室外换热器，在室外换热器中吸收外界环境的热量，流回至压缩机，完成整个循环过程。

2.当人们对制热的需求降低后，可断开电磁阀K1，使得压缩机出口工质首先通过套管式换热器，加热生活用水，然后依次通过室内换热器、节流装置和室外换热器，回流至压缩机，从而实现制热和制生活热水两种目标。

2.2.3纯制热水模式运行方式

1.当空调开启后，断开电磁阀K1、K2，闭合电磁阀K3，从而屏蔽室内换热器。

2.压缩机出口高温高压工质在套管式换热器中放热加热生活用水，然后通过节流装置、室外换热器，通过室外换热器吸收环境热量，流回压缩机，完成整个循环过程，实现加热生活热水的目标。

3.当生活中需用热水时，储热水箱内经预热后的热水流出，供居民使用。

3 家庭装置改造示意图

结合上述工艺原理图，对现有的家用空调和电热水器进行相应的改造，改造方案如下：

1.在空调压缩机出口至换向阀之间的管道上并联一个套管式换热器，原管道安装一个电磁阀。

2.从电热水器出水口处引出一管道，安装循环水泵，使得电热水器出口水通过循环水泵进入套管式换热器外管，将回水连接到电热水器进水管管路。

3.在电热水器进出水管上各安装一个单向阀。

4.空调系统原有室外换热器和室内换热器各安装旁路及相应的电磁阀。

改造完成后相应的结构如图2所示。

图2 家庭改造示意图

由图2可知，采用本系统对家庭中原有电器(空调系统和电加热器)进行改造，其改造的幅度非常小，仅需增加1个套管式换热器、1台循环水泵、3个电磁阀(冷凝器旁路电磁阀图2中未画出)、2个单向阀和相应的管道设备。以上改造成本大约在1500元。

4 系统理论计算

4.1 空调运行过程理论计算

家用空调运行过程中理论计算基于以下条件：

1.夏季制冷工况取冷凝温度56℃，节流前的制冷剂液体过冷度9℃，蒸发温度10℃，吸气管路过热度12℃。

2.冬季制热工况取冷凝温度40℃，节流前的制冷剂液体过冷度9℃，蒸发温度-1℃，吸气管路过热度7℃。

3.制冷剂选择R134a。

家用空调器制冷/制热循环过程p-h图如图3。

图3 循环过程p-h图

表1、表2为制冷/制热热循环各状态点的状态参数，由表1、表2中的数据进行相关数据的计算。

表1 制冷热循环各状态点的状态参数(数据来源：COOLPACK)

表2 制热热循环各状态点的状态参数(数据来源：COOLPACK)

1.在制冷循环过程中：

单位质量的制冷量：q0=h2-h7=410.72-277.71=133.01 kJ/kg

冷凝单位热负荷：qk=h3-h6=452.55-277.71=174.84 kJ/kg

比功：W0=h3-h2=452.55-410.72=41.83 kJ/kg

性能系数：COP=q0/W0=133.01/41.83=3.2

2.在制热循环过程中：

单位质量的吸热量：q0′=h2′-h7′=399.36-242.91=156.45 kJ/kg

冷凝单位热负荷：qk′=h3′-h6′=448.49-242.91=205.58 kJ/kg

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

性能系数：COP′=qk′/W0′=205.58/49.13=4.18

4.2 余热回收加热时间计算

套管式换热器吸收空调系统的冷凝热对水进行加热，其计算条件如下：

1.按GB 50015—2003《建筑给水排水设计规范》热水用水定额表，有自备热水供应和沐浴设备的住宅每人每日用水定额为40～80 L[4]。夏季热水50 L/(人·d)，春秋冬季热水用量取40 L/(人·d)，以3口之家为例，夏季家庭日均热水用水量V1=150 L，春秋冬季家庭日均热水用水量V2=120 L。

2.京津冀地区夏季自来水温度取18℃，要求得到热水的温度为42℃，温升Δt1=24℃；春秋季自来水温度取15℃，要求得到热水的温度为43℃，温升Δt2=28℃；冬季自来水温度取12℃，要求得到热水的温度为43℃，温升Δt3=31℃。

3.空调额定制冷量为3500 W(1.5匹)，额定制热量为3950 W。

4.该系统夏季运行时，套管式换热器回收冷凝热量的平均比例Ψ=50%。

夏季该系统处于制冷结合制热水模式时产生的冷凝热：

春秋季该系统处于制热水模式，产生的热量即为该系统的制热功率：

φ2=3.95 kW

冬季该系统处于制热结合制热水模式，产生的热量即为：

0≤φ2≤3.95 kW

当产生的热量全部用于制热时，制热水功率为0 kW；当全部热量用于制热水时，则制热水功率为3.95 kW，取Ψ′=30%用于加热热水。

则夏季制取150 L生活热水所需的时间为：

春秋季制取120 L生活热水所需的时间为：

冬季制取120 L生活热水所需的最短时间为：

式中，cp表示水的比热容，kJ/(kg·K)；ρ表示水的密度，kg/L。

经计算可知，从一台额定制冷量为3500 W(1.5匹)、额定制热功率为3950 W的家用空调吸收冷凝热，夏季时每天仅需1.82 h即可制取42℃热水150 L，春秋季每天仅需0.988 h即可制取43℃热水120 L，冬季每天最短仅需3.65 h即可制取43℃热水120 L。以上计算基于最大温差换热情况，随着水温的升高，换热温差变小，换热效率下降，最终加热的时间会适当延长。

5 系统经济性分析

计算采用该系统与纯电加热或纯燃气加热相应热水时，在整一年的过程中，各系统的耗能量。

计算过程中采用如下假设条件：

1.京津冀地区是温带大陆性气候，夏季炎热、冬季寒冷、春秋季短暂，故将全年划分为三种情况，夏季、春秋季和冬季天数分别为D1=100 d，D2=140 d，D3=120 d。

2.采用电加热时，热效率为η1=0.90。

3.采用燃气加热时，热效率为η2=0.85。

4.电的热值取E1=3600 kJ/(kW·h)，天然气的热值取E2=35 500 kJ/Nm3。

5.京津冀地区电价取F1=0.52元/(kW·h)，天然气价格取F2=2.68元/m3。

当采用纯电加热制取热水时，其消耗电能为：

=1815.3 kW·h

所以，用电总运行成本为：

C1=F1×W1=0.52×1815.3=943.95 元

当采用纯燃气加热制取热水时，其消耗燃气为：

=194.92m3

所以，用燃气总运行成本为：

C2=F2×W2=2.68×194.92=522.37 元

当采用本设计的系统制取热水时，因为夏季制热水时，收集回收了冷凝热，制热水没有单独消耗电能；冬季运行时，将制热和制热水分开计算，仅计算用于制热水所消耗的电能；春秋季所有热量用于制热水，则全年期限内该系统消耗电能为：

=290.80 kW·h

所以，本文系统的总运行成本为：

C3=F1×W3=0.52×290.80=151.15 元

经计算，对比上述三种系统的运行成本可知，本设计的系统运行成本最低，仅为151.15元/a，燃气热水器运行成本次之，为522.37元/a，采用纯电加热热水的运行成本最高，为943.95元/a。采用本系统加热热水较纯电加热系统，年节省运行成本792.80元，相较于纯燃气系统，年节省运行成本371.22元。

结合图2分析，系统改造成本为1500元左右，采用本系统相较于纯电加热系统，在1.89 a的运行时间内，可回收投资成本；相较于纯燃气加热系统，在4.04 a的运行时间内，可回收投资成本。

综合对比上述三种系统的运行成本及回收期，其经济性对比如表2所示。

表2 经济性对比

6 系统装置及其运行实验研究

6.1 实物模型

根据前文的理论分析及设计，加工制作了能够实现制冷结合制热水的系统实物模型。在加工制造过程中，为了节约成本对该系统进行了适当简化，该系统模型主要由制冷系统(压缩机、蒸发器、套管式冷凝器、节流装置)，余热储存回收系统(储热水箱、循环泵和相应的管路)两部分组成，供用水系统没有体现，制冷系统中没有设置冷凝器，采用套管式换热器实现余热回收和冷凝制冷工质的功能。系统的实物模型如图4所示。

图4 实物模型

6.2 性能试验

本次试验主要测量余热回收储存系统内循环水的温度随运行时间的变化，从而对该系统的可行性进行确认，并分析验证其运行效果。

试验模型的压缩机的制冷功率约为150 W，制冷工质为R134a，循环水箱的储水量为20 L，初温为15℃。通过调整循环水泵出口处调节阀门的开度，控制循环水流速，共进行了三组实验，图5给出了不同阀门开度时储热水箱内水温随时间的变化趋势。图5中实线表示理论计算的温度变化随时间的变化，即压缩机产生的冷凝热全部被吸收时，储热水箱内温度的变化情况；其他三条曲线分别表示阀门开度分别为100%，70%和40%时，储热水箱内水温的实测值变化情况。由图可知,100%阀门开度时储热水箱内水温的变化的实测值与理论计算值基本重合，特别是在储热水箱内温度较低时，随着温度的升高，套管换热器的换热效果变差，没有被吸收的冷凝热逐渐增多，使得储热水箱内水温升高变的越来越缓慢；当阀门开度分别为70%或40%时，由于循环水量的减少，降低了套管换热器中的换热系数，部分冷凝热没有被循环水吸收，储热水箱内水温的升温速度降低。通过对实物模型的试验研究，验证了该系统理论计算的正确性和运行的可靠性。

图5 储热水箱温度随时间的变化