帶熱回收的氨制冷雪橇雪道制冰系統的性能分析

邵月月 許樹學 孫育英 全貞花 孫向輝 王 偉 馬國遠

帶熱回收的氨制冷雪橇雪道制冰系統的性能分析

邵月月1許樹學1孫育英1全貞花1孫向輝2王 偉1馬國遠1

（1.北京工業大學 北京 100124；2.北京北控京奧建設有限公司 北京 100124）

針對2022年北京冬奧會延慶地區的雪橇雪道氨制冷循環進行性能分析。研究單獨制冷、制冷+熱泵輔助熱回收兩種循環方式的運行性能。研究結果表明，在單獨制冷模式下，隨著冷凝溫度的升高，系統的制冷性能下降；在制冷+熱泵輔助熱回收模式下，利用回收的熱量將冷水預熱，當冷凝溫度為30℃時，系統綜合COP可達到5.46；并且以系統冷凝溫度30℃蒸發溫度-18℃為例，進行經濟性分析，表明回收冷凝熱制取生活用水所需的費用僅為熱泵直接加熱熱水的40%。

冬奧會；制冰；熱泵；熱回收

0 引言

2022年中國將舉辦第24屆奧林匹克冬奧會，延慶地區作為主要賽區之一，將建成國家雪車雪橇中心。雪車雪橇賽道全程采用氨直接蒸發制冷系統，要求賽道冰面厚度達到50mm，冰面溫度保持-11℃。在對制冷劑環保性要求不斷上升的今天，氨以其獨特的制冷特性和高效能，不僅是大型工業制冷的主流制冷劑，近年來更是廣泛應用于小型制冷系統中[1]。而對于直接蒸發氨制冷系統，運行中必然會產生一定的冷凝熱，冷凝熱直接排出不僅是一種資源浪費，還會給周邊環境帶來影響。

目前，國內外針對冷凝熱回收的研究有很多。姜衍禮等[2]對空氣源熱泵系統在洗浴場所應用的冷凝熱回收進行了探討，分析結果表明空調供冷的同時回收冷凝熱制取洗浴熱水，可以減少重復投資，降低綜合造價，節約運行費用的效果明顯。王一軍等[3]對雙冷凝器熱回收方式進行了經濟性比較，計算分析表明，采用熱回收冷水機組加熱生活熱水，可以降低生活熱水能耗，且對冷水機組的制冷運行影響較小，其經濟效益顯著，投資回收期短。舒建國等[4]提出了基于冷凝熱回收的氨高溫熱泵系統，并對其系統原理、能效計算等方面做了詳細介紹，結果表明，該系統可滿足40℃～80℃熱水需求。劉群生等[5]提出了基于雙級壓縮制取95℃左右高溫熱水的熱回收方案，該方案只需在原有壓縮機排氣至冷凝器和冷凝器至儲液器兩處的管路上開口連接即可，非常適合同時有冷、熱需求場合，也可作為新設計的熱回收制冷系統參考方案。

本文對雪車雪橇賽道采用的氨直接蒸發制冷系統進行理論循環研究，對單獨制冷系統、熱泵輔助熱回收兩種循環方式進行對比分析，為實際氨制冷系統的節能設計、性能評價提供借鑒。

1 工作原理

2022年冬奧會的雪車雪橇賽道將采用氨直接蒸發制冷系統。圖1所示為冬奧會延慶地區雪橇雪道的氨直接蒸發制冷系統的原理圖。

圖1 氨直接蒸發制冷系統循環原理

雪橇雪道氨制冷系統由壓縮機、冷凝器、節流裝置、低壓循環桶、氨泵以及蒸發管束組成；冷凝器有2臺，冷凝器1為蒸發式冷凝器，特點首先是冷凝效果好，制冷劑與空氣逆向流動提高了傳熱效率；其次是耗水量小，僅為水冷冷凝器的5%～10%[6]。冷凝器2是水冷式冷凝器，作用是熱回收。系統運行時將氨氣冷凝過程釋放的大量冷凝熱提取出來，加熱產生出生活熱水。

系統工作過程如下：首先，經壓縮機壓縮的高溫高壓氨氣進入冷凝器冷凝成常溫高壓氨液，經節流降溫降壓后進入低壓循環桶，氨泵將低溫低壓的氨液供至賽道下制冷盤管中蒸發制冷，制取并維持雪橇雪道的冰面。汽液兩相氨經回汽管回至低壓循環桶進行分離，氨氣回至壓縮機吸氣口再次被壓縮，氨液再次供至賽道下制冷盤管，如此周而復始循環。

該制冷循環系統有如下兩種運行模式：

單獨制冷：氨的流動順序如下，壓縮機—電磁閥1—冷凝器1—供液閥—低壓循環桶—氨泵—蒸發器—低壓循環桶—壓縮機。

制冷+熱泵輔助熱回收：壓縮機—電磁閥2—冷凝器2—供液閥—低壓循環桶—氨泵—蒸發器—低壓循環桶—壓縮機。

2 計算條件

雪車雪橇賽道的冰面厚度要求50mm，冰面溫度全天保持在-11℃。制冷系統的冷凝溫度受到環境變化影響較大。查取延慶地區2017—2018年冬季室外溫度的情況，并以其為例進行氨制冰系統的理論分析，溫度分布情況如表1所示。

表1 室外溫度情況表

根據表1可知，延慶地區冬季氣溫總體偏低，平均低溫最低可達到-13℃，12月、1月、2月氣溫較為穩定，也處于全年最低水平，日平均溫度-10℃左右。

氨直接蒸發系統的壓縮機選用某品牌NH3用開啟式螺桿壓縮機，冬奧會雪橇雪道制冷系統所需冷量較大，需多臺壓縮機并聯提供冷量，對單臺壓縮機的制冷能力也有一定的要求，以某品牌開啟式螺桿壓縮機為例進行理論計算。壓縮機具體型號如下表2所示。壓縮機運行點限制范圍如圖2所示。

表2 壓縮機參數表

圖2 壓縮機運行點限制范圍

計算過程中選取氨制冷系統的蒸發溫度為-18℃，再根據圖2的壓縮機運行點限制范圍圖，可知當蒸發溫度為-18℃時，冷凝溫度的范圍為10～60℃。

3 計算結果

根據雪橇雪道氨制冷系統原理圖以及選定計算條件進行相應理論計算，計算結果如下。

3.1 單獨制冷系統

對于系統單獨制冷時，冷凝器1運行，冷凝器1為蒸發式冷凝器，蒸發式冷凝器的冷凝溫度隨濕球溫度變化，而濕球溫度一般比干球溫度低6～8℃，也就說明選用蒸發式冷凝器可以選取更低的冷凝溫度以降低系統能耗。結合延慶地區室外干球溫度，壓縮機運行限制范圍對該運行模式進行理論分析。

對于普通蒸發制冷系統，隨著冷凝溫度的變化其制冷量、COP以及排氣溫度的變化情況如圖3所示。

圖3 系統性能隨冷凝溫度的變化

根據壓縮機的運行限制范圍，對系統在冷凝溫度為10～60℃時的運行性能進行分析。由圖3（a）可知，單獨制冷模式下，制冷量和制冷COP均隨冷凝溫度的增大而減小。冷凝溫度為10℃時其制冷量可達到520kW，當冷凝溫度為60℃時制冷量下降到412kW，制冷COP從4.56下降至1.13；由圖3（b）可知，隨著冷凝溫度的增大，排氣溫度急劇增大，從55℃增長至179℃。由此可見，冷凝溫度過高會導致系統制冷量不足，制冷COP過低、排氣過熱等一系列問題，因此實際運行時，特別是在制取冰階段，冷凝溫度應盡量保持在較低的溫度，以使得整個系統保持在較高的能效水平。

3.2 制冷+熱泵輔助熱回收系統

延慶地區奧運賽場的附近存在生活區域，需要大量的生活用熱水。如果單獨通過電加熱系統來為其提供熱水，能源消耗很大。制冰機組經冷凝器放出的熱量通過冷卻塔排向周圍環境，這不僅是對熱源的浪費，還會對周圍環境帶來熱污染。

由圖3可知，若單獨用系統的冷凝熱來將冷水加熱到生活用水的溫度，對系統的冷凝溫度要求較高，而當系統冷凝溫度較高時，整個系統的制冷量得不到保障，且會降低制冷效率。熱泵輔助熱回收循環可以有效地解決這個問題，即用通過輔助熱泵裝置，回收氨液的冷凝熱，再用熱泵對熱水進行二次加熱，溫度達到生活用水所需要的溫度。

本計算將生活熱水的溫度定為45℃，為保障雪橇雪道系統的制冷量以及能效水平，選定系統蒸發溫度為-18℃、冷凝溫度為20℃、25℃、30℃、35℃和40℃進行制冷+熱泵熱回收循環的理論計算。計算結果如圖4所示。

圖4 制冷+熱泵熱回收系統性能隨冷凝溫度的變化

由圖4可知，當系統的冷凝溫度為20～40℃時，制冰系統的制冷COP隨冷凝溫度的升高呈現下降趨勢，約從3.23下降至1.92。制冰系統產生的冷凝熱被熱泵回收加熱熱水后，制冰系統的冷凝溫度上升期間，系統的制熱COP也呈現下降趨勢，從3.79下降至2.5。當考慮冷凝熱回收時，系統的綜合COP也呈現下降趨勢，當冷凝溫度為20℃時，系統綜合COP最高，達到7.0。當冷凝溫度為40℃時系統綜合COP最低，為4.44。相比于單獨制冷系統，制冷+熱泵熱回收模式在冷凝溫度為40℃時的綜合COP與單獨制冷模式時冷凝溫度為10℃時的COP相當。

3.3 經濟性分析

結合冬奧會實際情況，以制冰系統冷凝溫度為30℃，蒸發溫度-18℃，最大日熱水需求量=100m3/天，北京供暖季自來水溫度5℃，制冰系統水冷換熱器出水溫度28℃，熱泵熱水機組制熱量500kWh，電費0.5元/kWh，據此進行經濟性分析。

3.3.1 用熱泵熱水機組直接加熱自來水

熱泵熱水機組所需運行時間計算如下。

熱泵熱水機組直接加熱自來水所需耗熱量：

總耗熱量=水的比熱×每小時（每日）熱水總量×（熱水出水水溫-熱水進水水溫）

加熱生活熱水日耗熱量：

1=（2-1） （1）

1=4.18×100×1000×(45-5)=1.672×107kJ

該部分熱量如果全部由熱泵熱水機組提供，則熱泵熱水機組的運行時間：

1=1/3600/Q/（2）

1=1.672×107/3600/500/1=9.29h

即熱泵熱水機組需要持續運行9.29h才能滿足熱水需求。

3.3.2 利用回收冷凝熱預熱自來水

熱泵熱水機組所需運行時間計算如下。

熱泵熱水機組加熱來自氨直接蒸發系統的預熱水：

根據氨系統中的冷凝溫度范圍，以預熱水為28℃進行計算。

總耗熱量=水的比熱×每小時（每日）熱水總量×（熱水出水水溫-熱水進水水溫）

加熱生活熱水日耗熱量：

1=4.18×100×1000×(45-28)=7.106×106kJ

則熱泵熱水機組的運行時間：

1=7.106×106/3600/500/1=3.95h

即熱泵熱水機組只需連續運行3.95h就能滿足熱水需求。

表3 兩種加熱方式在供暖季運行費用對比表

根據表3我們可以看出，相比于用熱泵熱水機組直接加熱熱水，利用回收冷凝熱預熱生活用水可以大量減少熱泵熱水機組的運行時間，減少運行費用。在以上設定條件下，利用回收冷凝熱預熱生活用水在整個供暖季的費用僅為直接加熱熱水所花費用的40%，這表明合理的系統設計，實現充分利用氨制冷過程的冷凝余熱具有理論的合理性和經濟價值。

4 結論

本文對2022年冬奧會雪橇雪道用氨直接蒸發冷卻系統的理論循環進行了研究，對單獨蒸發制冷、制冷+熱泵熱回收兩種運行模式進行了分析。分析了不同冷凝溫度下，系統制冷量以及COP的變化趨勢，同時對系統的熱回收經濟性進行了討論，得到結論如下：

（1）單獨蒸發制冷系統的運行較為簡單，隨冷凝溫度的上升系統性能下降，當系統冷凝溫度為10℃時，系統制冷COP最高可達到4.56。

（2）制冷+熱泵熱回收系統對冷凝熱進行回收利用，利用冷凝熱先將冷水進行預熱，再進入熱泵熱水機組進行二次加熱，此種運行模式不需要過高的冷凝溫度保證了系統的制冷量以及制冷COP，當冷凝溫度為30℃時，系統的制冷COP為2.45，制熱COP為3.01，綜合COP可以達到5.46。

（3）以制冰系統冷凝溫度為30℃、蒸發溫度-18℃進行熱回收經濟性分析，相比于用熱泵熱水機組直接加熱熱水，利用回收冷凝熱預熱生活用水時，達到設定生活用水水溫時其在整個供暖季的費用僅為直接加熱熱水所花費用的40%。

[1] Niels P Vestergaard, Torben Funder-Kristensen,肖倫,等.氨制冷系統在工業領域的成功應用[J].制冷與空調, 2019,19(1):61-66.

[2] 姜衍禮,董信林,崔從明.冷凝熱回收空氣源熱泵系統在洗浴場所應用的技術探討[J].給水排水,2017,53(S1): 257-260.

[3] 王一軍.福建某酒店熱回收冷水機組應用比較[J].江西建材,2017,(19):28-29.

[4] 舒建國,白單英.基于冷凝廢熱回收的氨高溫熱泵系統性能分析[J].制冷技術,2018,38(2):22-26.

[5] 劉群生,周丹,程花蕊,等.基于雙級壓縮的制冷系統熱回收[J].低溫與超導,2017,45(7):92-96.

[6] 許國鋒,張楠楠,鄭大宇.論蒸發式冷凝器的節能與分析[J].冷藏技術,2016,(2):13-15.

Performance Analysis of the Ice-making System with Heat Recovery Via Ammonia Cooling for Sleigh Track

Shao Yueyue1Xu Shuxue1Sun Yuying1Quan Zhenhua1Sun Xianghui2Wang Wei1Ma Guoyuan1

( 1.Beijing University of Technology, Beijing, 100124; 2.Beijing Beikong Jingao Construction, Beijing, 100124 )

In this paper, the performance analysis of the refrigeration system of the toboggan runway in the Yanqing area of the Beijing Winter Olympic Games in 2022 is carried out. The operating performance of the system under the two modes of refrigeration, refrigeration and heat pump assisted hot water is studied. The results show that in the single cooling mode, the cooling performance of the system decreases with the increase of the condensing temperature. In the cooling + heat pump auxiliary heat recovery mode, the recovered heat is used to preheat the cold water and when the condensing temperature is 30°C. The system comprehensive COP can reach 5.46; the system condensing temperature 30°C evaporation temperature -18°C as an example, economic analysis shows that the cost of recovering condensing heat to prepare domestic water is only 40% of the heat pump directly heating hot water .

Winter Olympics; ice making; heat pump; heat recovery

TB61+5/TB657

A

1671-6612（2020）03-303-05

邵月月（1995-），女，在讀碩士研究生，E-mail：1310494556@qq.com

許樹學（1981-），男，助理研究員，碩士生導師，E-mail：xsx@bjut.edu.cn

2019-07-02