復合太陽能的空調冷凝熱回收技術

上海海事大學商船學院 ■ 劉家林 鄭學林

能源是人類社會賴以生存和發展的物質基礎，是經濟社會發展的重要支撐，也是世界各國面臨的大問題[1]。我國能源總量供不應求，供需差距越來越大，供需矛盾日益突出。同時由于粗放型增長的經濟模式，能源利用效率低，污染和浪費現象嚴重，我國的能源利用率僅為33%。因此，節約與合理的利用能源已經成為我國的一大熱點問題。暖通空調工程作為主要用能技術之一，必須立足于能源的合理利用和有效的節能措施。

一 冷凝熱回收的意義

空調的冷凝熱是空調系統制冷量與制冷機輸入功率之和。空調設計中一般取冷負荷指標為100～150W/m2，壓縮式的冷凝熱量一般為冷負荷的1.3倍左右，吸收式的冷凝熱量一般為冷負荷的2.5倍[2]，可見，制冷機的冷凝熱是相當龐大的。通常情況下，空調冷凝熱直接排入到大氣，造成能量巨大浪費[3]，直接加劇了室外大氣的熱污染和城市的“熱島效應”[4]。

冷凝熱回收，一方面可減輕大氣環境污染，改善生態環境[5]；另一方面，對于水冷冷水機組而言，可減少冷卻塔的散熱量，節省系統冷卻塔風機的耗電量[4]。

目前，在一些特殊場所，例如瑞典的一些大型商場，食品的儲藏間需要制冷，而經營場所往往卻需要加熱。這時，常常把回收的冷凝熱用于加熱經營場所的空氣，可為人員提供舒適的工作條件[6]。但冷凝熱回收主要用于提供生活熱水和再生除濕干燥劑。賓館、醫院、學校等公共場所，每天需要大量的生活熱水。通過回收的冷凝熱對水進行預熱或加熱，可降低煤氣、電能、煤等高品位能源或化石能源的消耗，從而達到節能和可持續發展的目的。

在干燥工業以及房間除濕領域中，常常需要移除干燥劑吸收的水分，即實現干燥劑的再生，從而能夠使干燥劑連續不斷進行除濕。利用回收的冷凝熱再生除濕干燥劑，同樣可達到節約其他能源的目的。

近年來對冷凝熱的回收越來越多，但復合太陽能的冷凝熱回收技術研究較少。在這種情況下，提出了一種復合太陽能的冷凝熱回收技術，以期達到更好地充分利用低品位能源的目的。

二 空調冷凝熱回收系統

1 冷凝熱熱回收的分類

冷凝熱利用方式主要可分為直接式和間接式。直接式是指制冷劑從壓縮機出來后進入熱回收器直接與自來水換熱制備生活熱水。間接式是指利用常規空調的冷凝器側排出的高溫空氣或37℃的水來加熱制備生活用水。間接式由于要增加的設備比較多，換熱效率比較低，所以該技術不易推廣。

直接式又可分為兩類：一種是只利用壓縮機出口蒸汽顯熱，蒸汽顯熱一般占全部冷凝熱的15%左右，按照熱水的需求量和顯熱量計算得出熱回收器的片數，其他冷凝熱在冷凝器中被冷卻水帶走；另一種是利用全部的冷凝熱。由于前者只利用蒸汽顯熱，熱回收器的壓降比較小，使得冷凝器中壓力比較穩定，對制冷影響比較小。

2 空調冷凝熱熱回收技術的研究現狀及進展

隨著我國國民經濟的發展和人們生活水平的提高，我國空調的普及率迅猛增長。同時，由于人們生活習慣的改變和對清潔衛生要求的提高，住宅建筑越來越重視衛生生活熱水的供應。而目前國內家庭日常生活中所需要的熱水供應大部分通過專門的熱水加熱器來提供。近年來，我國對空調系統冷凝排熱熱回收制備生活熱水等的研究越來越多。我國近年來研究應用的冷凝熱熱回收形式主要有以下幾種：

(1)雙冷凝器熱回收技術

龔七彩、常世鈞等人[6～9]從實用的角度分析了冷凝熱熱回收，并提出了雙冷凝器熱回收技術，如圖1所示。雙冷凝器熱回收技術是在壓縮機和冷凝器之間加置一個熱回收器(冷凝器)回收冷凝熱，從熱交換器流出的汽－液狀或氣態的制冷劑，由后面的冷凝器吸收其余熱量。該技術可根據要求直接回收制冷機組的制冷劑蒸汽顯熱，或顯熱與部分潛熱相結合來一次性加熱或循環加熱到水的指定溫度。該形式主要應用于中央空調冷水機組。

家用空調器在我國應用廣泛，數量多，是熱回收的重要方向之一。林宏[10]對家用空調冷凝熱的回收利用進行了探討。之后，江輝民等[11]提出了家用空調器常用的熱回收技術(圖2)。該技術是將空調器中壓縮機排出的高溫高壓的制冷劑蒸汽注入到熱水換熱設備中進行熱交換，加熱生活熱水。若換熱器的換熱能力能獨立承擔所有的冷凝熱量，則無需使用風冷冷凝器，反之就要同時使用風冷和水冷冷凝器來承擔所有的冷凝負荷。

(2)熱泵回收技術

余穎俊、王夢云[12]就冷凝熱的回收途徑及可行性進行了探討。由于空調制冷中冷卻水溫度一般在30～38℃，屬低品位熱能。要充分回收需要熱泵技術，需要由制冷機與熱泵機組聯合運行構成一套熱回收裝置。該裝置把熱泵的蒸發器并接到制冷機冷卻水回路，比較適合在現有的空調冷卻水系統中進行改造，控制也比較容易實現。

尹應德等人[13]提出了典型的間接冷凝熱熱回收形式。當冷水機組和熱泵同時工作時，可通過控制冷卻塔風機的啟停來控制冷卻水回水溫度。通過電動三通閥控制冷卻塔的冷卻水流量和熱泵蒸發器的流量比例，使熱泵的蒸發器出水溫度低于32℃，以保證冷水機組的正常運行。該方式是在原系統并聯一套熱泵機組，把冷凝熱作為熱泵熱源來制備熱水。

熱泵回收冷凝熱技術比較適合在現有的空調系統改造中應用，但投資較大，運行費用高。由于控制復雜，應用時容易出現問題，熱水溫度往往達不到設計溫度，影響利用效果。

(3)利用相變材料回收空調冷凝熱

西安交通大學的劉紅娟等人[14]提出利用相變材料回收空調冷凝熱熱回收形式。熱回收用蓄熱器代替雙冷凝器熱回收技術中壓縮機出口的冷凝器，與常規風冷冷凝器(或冷卻塔)采用串聯連接，利用冷卻塔排除熱回收系統不能儲存的剩余熱量。熱回收用蓄熱器中相變材料的溫度受冷凝溫度影響。開始時，常規風冷冷凝器(或冷卻塔回路)關閉，熱回收蓄熱器利用制冷劑過熱段的顯熱和冷凝潛熱對相變材料進行加熱，此時冷凝壓力隨熱回收蓄熱器中相變材料溫度的升高而升高。當系統冷凝壓力達到限定值時，開啟風冷冷凝器以釋放多余的制冷劑冷凝潛熱，降低系統的冷凝壓力。此時熱回收蓄熱器仍能利用蓄熱器管內流過的氣態制冷劑過熱段的顯熱放熱加熱相變材料，進一步提高相變材料的溫度。當相變材料溫度達到某一設定值后(可利用相變材料溫度自動調節器測得)，系統恢復原冷凝器(冷卻塔)冷凝運行模式。

目前相變材料回收空調冷凝熱應用中還存在著一些問題：首先，相變材料回收空調冷凝熱技術中的蓄熱器在國外已廣泛應用，在我國也逐漸發展起來，但對高效率、低成本的相變蓄熱器的設計計算尚無統一的方法，因此，對蓄熱器的設計也處于摸索階段；其次，我國對蓄熱材料的開發有待進一步加強。對蓄熱物質的要求是：熱容量大、蓄熱能力強，化學穩定性好，熔點低，對人體、動植物無害、價格低廉；最后， 應盡可能使制冷裝置在較低的冷凝溫度下運行。在設計中選取的冷凝溫度是定值，而實際運行中的冷凝溫度是變化的。冷凝溫度與環境溫度有關，不僅隨季節變化，且每天晝夜也在不斷變化。因此，在設計時應充分考慮各種不利因素，選擇適當的冷凝溫度，保證制冷裝置在高效率下節能運行。

三 復合太陽能的空調冷凝熱回收技術

1 復合太陽能的空調冷凝熱回收熱水供應系統

由于單靠回收冷凝熱加熱生活用水，難以保證生活熱水供應的可靠性，必須有其他的輔助熱源，并在冷凝熱回收系統中匹配一定容量的蓄熱水槽。通常的輔助熱源為電能、燃油、燃氣、生物質燃料等。在我國南部地區，通過對空調冷凝熱的回收，全年可提供約70%的生活熱水，但仍有約30%的熱水需要其他能源來獲得。

近年來，太陽能產業迅速發展，我國已成為太陽能熱水器生產和安裝數量的最大國，但普及率比發達國家較低。單靠太陽能全年能夠保證55%的生活熱水供應量。太陽能熱泵供水系統以其獨特的優越性受到人們越來越多的關注。而太陽能冷凝熱回收系統的研究相對較少。若能把太陽能和冷凝熱聯合起來加熱生活用水，必會更進一步減少能源的消耗，并且提高水溫。

鑒于目前我國大多數安裝空調的地方，也安裝有太陽能熱水器，只需對其管路進行改造，其經濟效益與生態效益會十分顯著。

(1)普通太陽能熱水系統

太陽能熱水系統可分為分體式系統、緊湊式系統和整體式系統等。由于對太陽能和建筑結合提出了新的要求，因此分體式太陽能熱水系統應用越來越廣泛。而分體式太陽能熱水系統恰恰更易與空調冷凝熱回收系統聯合。圖3為分體式太陽能熱水系統的原理圖。若管路中加泵，可把水箱放置在室內等其他較低的位置。

(2)復合太陽能的冷凝熱回收生活熱水系統

從圖4所示的分體式太陽能熱水系統原理圖可以看出，在水箱與集熱器之間有一段上循環管和一段下循環管，倘若把這兩段管中的一段與空調冷凝熱回收系統中的熱回收冷凝器進行換熱，就可充分利用太陽能和冷凝熱來共同加熱熱水，降低輔助加熱器的能量消耗。由于下循環管與熱回收器的傳熱溫差較大，因此把熱回收器與下循環管路換熱。

與單純的冷凝熱回收系統相比，復合太陽能的冷凝熱回收雖能夠減少其他高品位、化石能源的消耗量，但仍避免不了采用輔助能源。這是因為：一方面，在早晨用水時，一般空調未工作，且此時太陽能利用最弱；另一方面，在陰雨天氣也存在類似的問題。因此，必須設置輔助能源，且能夠滿足滿負荷熱水供應。如果配備保溫性能良好的蓄熱水箱，把多余的熱量儲藏的熱量轉移到早晨使用，會在一定程度上解決需水與供水的不同步問題。

由于存在上述問題，冷凝熱回收系統無法簡化，但在冬季，可使下循環管不經過熱回收冷凝器，設置旁路使水經過水箱直接進入到集熱器。此時，系統將成為兩套互不干涉的熱泵系統和太陽能熱水供應系統。

2 復合太陽能的冷凝熱回收再生干燥劑的除濕系統

(1)太陽能－除濕機聯合干燥系統

在上世紀80、90年代，通過利用直曬式太陽能再生裝置和間曬式太陽能再生裝置，用于再生固定干燥劑(硅膠)，可對芳香揮發性物料進行干燥。福建省林業科學研究所通過太陽能－除濕機聯合裝置對木材進行干燥，獲得了良好的節能效果。

(2)復合太陽能的冷凝熱回收再生干燥劑的房間空調除濕系統

在熱帶國家，例如泰國，為維持家庭房間的舒適性，空調消耗的電能占家庭總用電量的70%，用于除去房間的顯熱和潛熱。為減少潛熱，可在傳統的空調系統中加入除濕過程。而除濕系統中干燥劑的再生過程，必須有額外的能量輸入。通常用回收的冷凝熱對干燥劑進行再生，考慮到太陽能資源的優越性，可通過聯合太陽能和冷凝熱來共同再生干燥劑。

圖5為一套復合太陽能的空調冷凝熱回收再生干燥劑系統，該系統中主要由房間、除濕和再生機組、空氣混合機組、空調系統和太陽能光伏/熱空氣熱聚集器五部分組成。該系統把太陽能聚集的熱量和冷凝器中回收的熱量進行混合用于再生干燥劑，可降低18%的空調系統耗電量。通過不斷移除集熱器上面的熱量，能夠使太陽電池在較低穩定的溫度下工作，提高了電能的輸出，增加6%的電能。

該系統具備的優勢：太陽能豐富時，空調工作，冷凝熱和太陽能共同提供再生熱量，能夠完成干燥劑的再生，而不需要其他輔助能源。

3 復合太陽能－熱泵熱回收技術的最新研究進展

太陽能－熱泵是一種把太陽能作為低溫熱源的特殊熱泵。在太陽能熱泵中，太陽能技術和熱泵技術相結合，彌補了兩種系統各自的缺點，并以其節能、高效等諸多優點備受各國研究人員的注意和研究。

(1)國內對復合太陽能－熱泵技術的研究情況

國內關于太陽能熱泵方面的研究起步較晚，但在短短的十幾年時間內，上海交通大學、天津大學、青島理工大學、上海交通大學等在此方面的研究取得了豐碩的成果。

天津大學的趙軍等人對串聯式太陽能熱泵供熱水系統分別進行了實驗研究和理論分析，結果表明，其所建立的實驗系統一年四季均能可靠運行，能夠穩定地向用戶提供50℃生活熱水，COP達到2.64～2.85(冬季)，2.61～3.5(夏季)。

青島建筑工程學院實驗設計開發了單層蓋板的平板集熱器并進行了實驗研究，在整個供暖測試期間，盡管室外溫度在-10～4℃變化，室內溫度仍能保持在16～22℃，平均為19.32℃。經過計算得到，平均集熱效率高達67.2%。

上海交通大學建立了直膨式太陽能－熱泵供熱水系統實驗臺，結果表明該系統在各種天氣情況下均能可靠地生產50℃的生活熱水(熱水平均溫升達30℃以上，日均耗電量為1.68kWh，平均COP達到3.1)，說明其熱性能較為穩定，且具有明顯的節能效果。同時做出了直膨式太陽能－熱泵熱水器實驗樣機，在室內模擬光源0～1000W/m2下，可得出熱水平均加熱功率為1.04kW，熱泵平均COP為4.18。

2006年上海交通大學李郁武等人針對自行設計、建造的“直膨式太陽能－熱泵熱水器”實驗樣機進行了春季運行工況的實驗研究。結果表明，在環境溫度均值20.6℃、太陽輻射強度均值在954.59W/m2的室外氣象條件下，將150L水從13.4℃加熱到50.5℃只需94min，熱泵供熱性能系數達到6.61。

哈爾濱工業大學的余延順等人針對太陽能－熱泵系統的各種不同運行工況進行了分析研究，得出動態運行工況下總集熱量和集熱效率較靜態運行工況分別提高23.1%和22.7%的結論。

上海水產大學自行設計、建立了直接膨脹式太陽能－熱泵系統實驗裝置，并進行了春季運行工況下的實驗研究。結果表明，在空氣溫度為22～24℃，太陽能輻照度為700～1000W/m2的室外環境下，該系統的熱泵性能系數COP達到了2.50～3.35。根據典型實驗數據，討論了太陽能輻照度、環境溫度、冷凝溫度等各參數對系統的熱泵性能系數和集熱效率的影響。并利用平衡均相理論建立了太陽能集熱器的數學模型。根據測定的環境參數對該系統進行了模擬計算。結果顯示，裸板式太陽能集熱器所在系統的COP可達5.0～5.8；認為若要改善此直膨式太陽能熱泵系統的COP，可采用加裝透明蓋板和背面設保溫結構的太陽能集熱器及太陽能集熱器多組并聯的型式。

(2)國外對太陽能－熱泵的研究情況

國外有學者對帶儲熱罐的太陽能－熱泵系統進行了一些理論和實驗研究。O.Camakh等人利用實驗數據建立了帶熱儲罐的太陽能－熱泵的熱力學模型，通過模擬計算發現儲能罐內的水量以及水與相變材料的接觸面積對儲存在罐中的熱量種類(顯熱或潛熱)的作用正相反。Viovel Badescu給出了用于空間加熱的太陽能－熱泵的顯熱儲熱罐的建模方法。他的初步研究結果表明：小型熱儲罐單位時間內可向熱泵蒸發器提供更多的熱通量，使得小型熱儲罐可在負荷高的時段快速放熱；而對較大的儲熱罐，雖熱通量逐漸減少，但可長時間放熱；隨著儲熱罐尺寸的增大，熱泵的COP值和放射效率降低，同時每月的儲熱罐儲熱量和熱泵能耗都要增加。M.N.A.Hawlader等人在研究中發現，壓縮機轉速、太陽輻射、集熱器面積和儲罐容量對系統的性能影響很大，且保證集熱器/蒸發器負荷同壓縮機轉速之間的匹配也很重要。R.Yumrutas等介紹了一種太陽能－土壤耦合式熱泵系統。該系統由平板式太陽能集熱器、熱泵、位于地下的半球形季節性表面儲能罐和住宅構成；研究人員使用分析計算的方法對該系統一年中的運行情況進行了追蹤和分析，發現土壤類型對年能量損耗的影響很小，但對儲熱的瞬時溫度和熱泵的年COP值影響很大。R.Yumrutas等人提出，對于承擔100棟住宅負荷的系統，當儲熱罐半徑超過25m后，繼續增大儲罐半徑沒有意義；并且在該項研究中，位于地面1m以下的表面式儲罐繼續增大埋深對系統年性能影響很小。

(3)復合太陽能－熱泵技術的應用

復合太陽能－熱泵系統集熱成本低、 系統結構緊湊、 能耗比高、應用范圍廣，國內外學者對其進行了大量的應用研究和推廣工作。

近年來，日本、美國、瑞典、澳大利亞等發達國家實施了多項太陽能熱泵示范工程，將太陽能熱泵技術應用于賓館、住宅、學校、醫院、圖書館以及游泳館等，都取得了一定的經濟效益和良好的社會效益。一些公司在太陽能－熱泵產品的產業化發展方面取得了成功，例如美國的Solar King系列太陽能－熱泵供熱設備以及澳大利亞的Quantum系列太陽能－熱泵熱水器等就是比較典型的產品范例。

在我國，許多學者在多個領域對復合太陽能－熱泵技術的應用進行了深入研究。近些年來取得的研究成果不僅充實了太陽能－熱泵理論，而且也為太陽能－熱泵系統的設計和研究提供了有益的指導經驗。

目前，我國復合太陽能－熱泵技術主要應用在公共建筑物上，例如，北京奧運村和奧運場館的生活熱水和加熱的能量都采用太陽能－熱泵供熱系統。西藏駐軍某醫院也利用這種系統為醫院手術室和病房提供熱水，效果良好。

四 結論

通過分析可知，與普通的冷凝熱回收系統相比，復合太陽能的冷凝熱回收熱水供應系統具有明顯節能和較高能源利用率的特點。同時，也給在暖通空調節能方面的研究指明了方向。鑒于太陽能資源的優勢，日益倡導的環保和節能理念，人民群眾對于高品質生活的追求，相信復合太陽能的冷凝熱回收系統會越來越成熟，越來越廣泛地應用在我們的生活中。特別是低品位能源、余熱利用型熱泵技術及太陽能技術的結合，將對降低我國建筑能耗和采暖空調能耗問題產生深遠的影響。

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