熱管換熱器回收空調(diào)余熱系統(tǒng)的分析

王慧

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽宣城 242000）

王慧.熱管換熱器回收空調(diào)余熱系統(tǒng)的分析[J].重慶建筑，2019（7）：23-25.

0 引言

在空調(diào)的制冷系統(tǒng)中，冷凝器通過(guò)做功換熱，將高溫高壓的氣態(tài)制冷劑與外界的空氣做熱交換，將其變?yōu)榈蜏氐囊簯B(tài)形式，如果任由這部分熱量通過(guò)冷凝器排放至冷卻介質(zhì)即自然環(huán)境中，會(huì)對(duì)室外環(huán)境造成熱污染，加重溫室效應(yīng)[1]。這部分熱量也會(huì)增加空調(diào)冷凝器的熱負(fù)荷，如果將這部分熱量回收起來(lái)，可以有效減少環(huán)境熱污染，也可以減輕空調(diào)熱負(fù)荷，將會(huì)帶來(lái)非常大的環(huán)保效益[2]。 若將這部分熱量進(jìn)行再利用，如作為生活用水的熱源，還能節(jié)約部分用于加熱生活用水的能源，帶來(lái)較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 熱管換熱器的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)有的熱回收裝置種類眾多，有熱管換熱器、轉(zhuǎn)輪式換熱器和板翅式換熱器等，下面對(duì)它們一一進(jìn)行比較。

1.1 熱管換熱器

熱管換熱器換熱效率較高，設(shè)備費(fèi)用適中，占用空間小，冷熱換熱對(duì)象隔離性能好，不產(chǎn)生交叉污染。而且熱管換熱器不需要輔助設(shè)備，抗凍能力較好，可應(yīng)用于溫度變化較大的環(huán)境中。其接管靈活，施工方便簡(jiǎn)易，對(duì)于后期的維修護(hù)理較為方便。

1.2 轉(zhuǎn)輪式換熱器

轉(zhuǎn)輪換熱器由轉(zhuǎn)芯、傳動(dòng)裝置及調(diào)速裝置組成。轉(zhuǎn)芯呈蜂窩狀，它是主要工作部件。轉(zhuǎn)芯由金屬基體和儲(chǔ)熱性能良好的添加物組成，目前較為成熟的制作方法是以鋁箔為基體，混合有硫酸鈉、氯化鈉和氯化鏗等吸熱劑和吸濕劑。換熱器的內(nèi)部設(shè)有分隔板，上方通冷風(fēng)，下方通熱風(fēng)，兩者逆向流動(dòng)。換熱器工作時(shí)，轉(zhuǎn)芯轉(zhuǎn)動(dòng)，其上具有吸熱儲(chǔ)熱吸濕功能的涂層吸收熱風(fēng)中的熱量與水蒸氣，當(dāng)該部分涂層遇到冷風(fēng)，在溫差與水蒸氣分壓差的作用下將熱量放出，實(shí)現(xiàn)了熱交換。

轉(zhuǎn)輪式換熱器對(duì)密封性能要求較高，且換熱過(guò)程較為緩慢，需要額外的電能使轉(zhuǎn)芯旋轉(zhuǎn)工作，使用成本相較于熱管換熱器較高。

1.3 板翅式換熱器

板翅式換熱器的芯體翅片是由多孔纖維材料制成，并作為兩換熱對(duì)象之間的分隔板。分隔板是多孔纖維材料經(jīng)化學(xué)加工后制成波形薄板，薄板彼此交叉堆疊后膠合而成。分隔板具有較強(qiáng)的傳熱能力，當(dāng)隔板兩側(cè)的流體存在溫差時(shí)即可進(jìn)行熱交換。但由于芯體翅片對(duì)流體的流動(dòng)有阻礙作用，隨著芯體翅片的密度增加，流體的壓降也會(huì)加大，系統(tǒng)為克服壓降將額外做功，當(dāng)兩側(cè)流體的溫差不大，回收的能量較少時(shí)，將得不償失。

2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)

2.1 熱管換熱器工作原理

在熱管內(nèi)的蒸發(fā)段，液態(tài)工質(zhì)吸收外界熱源熱量后，產(chǎn)生汽化潛熱，進(jìn)而發(fā)生相變變?yōu)橐簯B(tài)。產(chǎn)生的蒸汽密度較低，在管內(nèi)壓差的作用下，上升至冷凝段，蒸汽遇到低溫壁面及外部冷源后，重新凝結(jié)成液體，液化時(shí)放出潛熱，并通過(guò)管壁將熱量傳遞到外部冷液體，而管內(nèi)液化后的液態(tài)工質(zhì)在重力作用下回流到蒸發(fā)段，再次進(jìn)行吸熱蒸發(fā)。如此循環(huán)反復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部冷熱兩種介質(zhì)的熱量傳遞與交換[3]。

熱管換熱器分為氣-液式、液-液式、液-氣式、氣-氣式等，該系統(tǒng)采用氣-液式熱管換熱器，利用重力使液體介質(zhì)回流。我們采用熱管換熱器是由于其效率較高，設(shè)備費(fèi)用適中，易于維護(hù)保養(yǎng)，占用空間小，不產(chǎn)生交叉污染，不需要輔助設(shè)備，抗凍能力較好，符合我們改造管道的需求，接管靈活，施工起來(lái)方便簡(jiǎn)易。圖1、圖2為簡(jiǎn)略的熱管換熱器的工作原理示意圖。

圖1 換熱裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 熱管換熱器結(jié)構(gòu)圖

2.2 空調(diào)冷凝器負(fù)荷

空調(diào)由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器四個(gè)部分組成。冷凝器是空調(diào)系統(tǒng)里的高溫?fù)Q熱組件。在制冷過(guò)程中，高溫高壓的氣態(tài)制冷劑從壓縮機(jī)中傳送到冷凝器中進(jìn)行冷卻液化，將吸收的熱量與外界的空氣進(jìn)行熱交換，但是在實(shí)際中冷凝壓力由于流動(dòng)阻力而有所損失，會(huì)產(chǎn)生一定的變化，那么冷凝溫度由于冷凝壓力的變化也發(fā)生了一定變化，冷凝溫度的變化會(huì)導(dǎo)致冷凝器的工作效果不穩(wěn)定[4]。而冷凝器處冷凝溫度過(guò)高會(huì)增加冷凝器的熱負(fù)荷，減少冷凝器構(gòu)件使用壽命，也會(huì)降低冷凝效率。如果在冷凝器處加上回收熱量裝置，可以解決上述問(wèn)題，對(duì)冷凝器起到保護(hù)作用。基于此，我們提出了空調(diào)余熱回收系統(tǒng)。

2.3 余熱回收系統(tǒng)工作原理

余熱回收系統(tǒng)由空調(diào)機(jī)組的制冷系統(tǒng)、熱回收換熱器、儲(chǔ)熱水罐及與其配套的管路與閥門組成。圖3為余熱回收系統(tǒng)的工作原理圖。

圖3 余熱回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

余熱回收系統(tǒng)包括進(jìn)水管、空調(diào)冷凝器、換熱裝置、出水管及儲(chǔ)熱水箱。

以夏季空調(diào)工作狀況為例，夏季空調(diào)冷凝器排熱攜帶著大量熱量，我們?cè)谠械目照{(diào)冷凝器外安裝一個(gè)汽-液熱管換熱器，以收集這部分熱量。待加熱的冷水首先從進(jìn)水口進(jìn)入，通過(guò)管道到達(dá)該換熱器，利用其液體介質(zhì)汽化吸熱冷凝放熱的性質(zhì)，將空調(diào)冷凝器排熱中的熱量傳遞到冷水中。冷水直接通入換熱器，經(jīng)過(guò)加熱后從出水管輸出流入儲(chǔ)熱水罐中儲(chǔ)存以供使用。

評(píng)價(jià)制冷空調(diào)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，特別是對(duì)于熱回收系統(tǒng)，應(yīng)該建立一個(gè)包含有效制冷量和有效熱回收量的綜合能效比IEER，熱回收蓄能空調(diào)系統(tǒng)的IEER定義如下：

其中各運(yùn)行模式下的綜合能效比單制冷IEER1、制冷帶熱回收IEER2分別如下所示：

式中：Qh為熱回收量，W；W0為機(jī)組耗功量，W；Qe為機(jī)組制冷量，W；Qloss為壓縮過(guò)程其他消耗量，W；h1為壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)下制冷劑的比焓，J/kg；h2為壓縮機(jī)壓縮終點(diǎn)制冷劑的比焓，J/kg；h3為熱回收換熱器出口狀態(tài)下制冷劑的比焓，J/kg；h4為采用熱回收裝置的制冷劑過(guò)冷液體的比焓，J/kg。圖4為熱回收系統(tǒng)熱力循環(huán)壓焓圖。

圖4 熱回收系統(tǒng)熱力循環(huán)壓焓圖

由此可見(jiàn)，制冷帶熱回收的綜合能效比比單制冷的綜合能效比要高，而且空調(diào)放出熱量越多，熱回收系統(tǒng)效能比越高。

2.4 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

熱管換熱器的安裝要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，我們所選的是氣液式熱管換熱器，要垂直放置。換熱器分隔板與熱管之間不能有空隙，要連接嚴(yán)密，防止氣液交叉污染。對(duì)熱管要進(jìn)行排查，防止熱管換熱介質(zhì)的泄露，污染水源。對(duì)于此系統(tǒng)在公共建筑處安裝時(shí)要注意管道的排布，注意氣體順流。

3 節(jié)能環(huán)保分析

3.1 空調(diào)余熱造成的熱污染

熱污染是指人類在生產(chǎn)或生活中排放的廢熱所造成的環(huán)境污染。熱空調(diào)就是污染源之一[5]。空調(diào)通過(guò)制冷裝置做功，將室內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到室外，使室外溫度局部升高，當(dāng)大量空調(diào)同時(shí)工作時(shí)，其產(chǎn)生的大量廢熱聚集起來(lái)，在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法擴(kuò)散，這樣就造成了熱污染。那么，通過(guò)熱管換熱器對(duì)空調(diào)廢熱的再回收，就能減少熱量排放量，從而降低空調(diào)的熱污染影響。

3.2 空調(diào)余熱的回收再利用能有效地節(jié)約能量

余熱回收系統(tǒng)加持到空調(diào)中，將會(huì)加強(qiáng)制冷空調(diào)冷水機(jī)組冷卻效果，降低冷凝壓力，從而降低冷卻機(jī)組的電損耗。不僅如此，回收的空調(diào)余熱可以作為新的熱源為其他裝置提供熱量，不僅可以減少其他裝置（如家用熱水器、供暖鍋爐等）的燃料使用量，還可以減少因使用新的熱源而產(chǎn)生的污染廢料。

4 應(yīng)用場(chǎng)合

考慮到熱管換熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與最大換熱效率的工況條件，該系統(tǒng)適用于空調(diào)集中化程度高的場(chǎng)合。由于空調(diào)集中化程度高，制冷系統(tǒng)也就相對(duì)集中，余熱排放密集，這就與熱管換熱器中的冷液體工質(zhì)存在較大的溫度梯度，提高了回收效率。

4.1 熱管換熱系統(tǒng)回收空調(diào)余熱加熱列車水箱

列車空調(diào)產(chǎn)生了大量的余熱，回收后，可作為水箱的預(yù)熱熱源。在空調(diào)冷凝器外加設(shè)換熱系統(tǒng)，以回收冷凝器排放的余熱，通過(guò)換熱器將熱量傳輸給水箱，從而達(dá)到余熱利用的目的。該系統(tǒng)適用于普通列車、高鐵、動(dòng)車等具有空調(diào)裝備的列車組，對(duì)列車進(jìn)行小型改造便能起到節(jié)約電能的作用。

4.2 熱管換熱系統(tǒng)用于辦公樓的空調(diào)余熱回收

辦公樓等人口密集區(qū)，多采用大型中央空調(diào)，這種制冷系統(tǒng)集中的空調(diào)尤為適用余熱回收裝置。通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)空調(diào)余熱的回收，對(duì)熱量進(jìn)行二次利用，可以用于洗盥用水的加熱。對(duì)于加熱飲用水，使用雙加熱系統(tǒng)，即空調(diào)余熱和鍋爐或電能共同作為熱源將飲用水加熱至沸騰，供人飲用。該系統(tǒng)不僅可以用于辦公樓，也可用于醫(yī)院、教學(xué)樓和酒店等場(chǎng)所。

5 空調(diào)余熱回收系統(tǒng)的局限性

盡管該系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟(jì)性能，但余熱回收系統(tǒng)本身會(huì)受到安裝場(chǎng)地的直接影響，有時(shí)會(huì)提高系統(tǒng)的安裝難度，甚至提高了經(jīng)濟(jì)成本。并且，在熱量回收的過(guò)程中，包括儲(chǔ)熱和傳熱等過(guò)程都有一定的熱損耗，最終得到的能量較少，如何減少在此過(guò)程中的損耗將是十分重要的科研課題。再加上，對(duì)收集到的余熱再次利用，也只能將其作為輔助性熱源，且作為熱源的加熱效果受到水量多少的影響較大，加熱效果不穩(wěn)定，以上因素均限制了空調(diào)余熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用。

6 發(fā)展前景

兼具良好經(jīng)濟(jì)性的環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品有著較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，此余熱回收系統(tǒng)將和普通鍋爐或電能共同使用，成為雙熱源生活熱水系統(tǒng)[6]，能夠有效減少在用電用水上的開(kāi)銷。再加上該熱管換熱器回收空調(diào)余熱系統(tǒng)具備諸多優(yōu)點(diǎn)，能有效減少換熱器初投資，縮短換熱器投資回收期[7]，因此，該系統(tǒng)具備良好的應(yīng)用前景。

基于上述分析，將余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)，只能夠應(yīng)用于具有長(zhǎng)期穩(wěn)定輸出的冷負(fù)荷公寓以及賓館等多種大型公共場(chǎng)所。借助該系統(tǒng)在充分滿足對(duì)于熱水使用需求的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)資源的節(jié)約[8]。