空調系統冷凝熱回收設計分析

陳建勝

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361009)

0 引言

冷水機組制冷的同時，需將大量冷凝熱排向室外，如能將此部分熱量回收利用，既可減少對環境的影響，又可節約能源。酒店建筑夏季同時存在空調和生活熱水的需求，空調系統的冷凝熱可回收用于加熱生活熱水。

空調冷負荷日逐時分布呈現“單峰特性”，與室外氣象參數的變化趨勢大致相同；生活用水量日逐時分布呈現“雙峰特性”，6∶00-8∶00為早高峰、18∶00-22∶00為晚高峰，其余時段為低谷狀態[1]。由于生活用水量與空調冷負荷逐時規律不同步且冷凝熱回收為循環漸進(溫差為5 ℃)加熱，冷凝熱回收系統應設置水箱或容積式換熱器等儲熱設備。

本文對幾種常見的冷凝熱回收方式進行理論分析并結合案例，探討設計中應注意的一些問題。

1 制冷循環

氣態制冷劑在壓縮機內被壓縮，壓力及溫度升高；高溫高壓的氣態制冷劑通過排氣管進入冷凝器中被冷卻成為液體，冷凝熱通過冷卻介質排至室外；高溫高壓液體通過節流閥，變為低溫低壓含少量氣體的氣液混合物，在蒸發器內吸收大量熱量，蒸發變成低壓的氣態制冷劑，再通過吸氣管路回到壓縮機內以完成制冷循環。

2 部分熱回收

如圖1所示，部分熱回收僅回收壓縮機排氣口高溫高壓過熱蒸氣的顯熱量，冷媒溫度由排氣過熱溫度降至飽和溫度，冷媒在此階段(2-2’)無相變反應，故部分熱回收也稱為顯熱回收。

(a) (b)圖1 制冷循環壓焓圖

部分熱回收采用串聯熱回收器的方式，壓縮機出口高溫高壓的過熱蒸氣先經熱回收器，加熱生活用水，再經標準冷凝器，排除剩余的熱量。

假定空調冷水供回水溫度7/12 ℃，冷卻水供回水溫度32/37 ℃，室外環境溫度35 ℃，壓縮機工況為：蒸發溫度t0=5 ℃，吸氣溫度t1=15 ℃，水冷冷凝溫度tk=40 ℃，風冷冷凝溫度tk=50 ℃，過冷度為2 ℃。

查冷媒壓焓圖可得各狀態點參數，并通過計算可得顯熱回收比例(熱回收量與制冷量的比值)φ。

(1)

h2、h2′分別為熱回收器進、出口處冷媒的焓值；h4、h1′分別為蒸發器進、出口處冷媒的焓值，kJ/kg。

表1 R134a 部分熱回收比例計算表

由表1可見，R134a水冷、風冷冷水機組排氣溫度t2為54 ℃、64 ℃，熱回收冷凝器側的換熱溫差按3 ℃計，則水冷、風冷冷水機組部分熱回收出水溫度可達51 ℃、61 ℃；部分熱回收量較小，僅為制冷量的10%～15%。

部分熱回收可減少標準冷凝器的負擔，機組COP有所提高，但有的廠家不生產部分熱回收冷水機組。

3 全熱回收

如圖1(a)，凝結段的冷媒由飽和氣體凝結為飽和液體，冷媒發生相變，冷媒溫度恒定為飽和溫度(冷凝溫度)，凝結段排出的熱量為潛熱量，如果將過熱段、凝結段、過冷段的熱量全部或部分進行回收，則稱之為全熱回收，也稱潛熱回收。

為了提高熱回收出水溫度，則需相應提高冷凝溫度，這將導致制冷量下降、壓縮機功耗增加，冷水機組制冷性能下降。由表2可見，蒸發溫度一定時，全熱回收工況下冷凝溫度每升高1℃，螺桿冷水機制冷量下降約1%～2%，能耗增加約2.5%，COP下降約3%。

冷凝溫度及壓力過高，可能導致冷水機組運行不穩定，離心機冷凝壓力提高到一定程度，可能引起喘振。熱回收螺桿機冷卻水溫一般低于55 ℃，離心機冷卻水溫一般低于45 ℃[2]。酒店生活熱水溫度要求60 ℃，因此全熱回收一般用于生活熱水的預熱，預熱后的熱水經鍋爐等熱源再熱至所需溫度。

3.1 全熱回收出水溫度

為了獲得溫度較高的生活熱水而提高冷凝溫度，雖然對冷水機組制冷量及COP有較大影響，但考慮制熱后的綜合COP仍可達到5～8，因此熱回收出水溫度應根據再熱熱源形式經比較后確定。

假定：生活熱水用量120m3/d，冷水溫度15 ℃，冷水機組熱回收出水溫度分別取45 ℃、55 ℃、60 ℃，預熱后的生活熱水經鍋爐或風冷熱泵再熱至60 ℃。選用一臺制冷量1093 kW的全熱回收冷水機組、一臺制熱量為700 kW的熱水鍋爐或風冷熱泵，冷水機組各工況下參數見表2，風冷熱泵夏季再熱時的COP為3.0，鍋爐熱效率92.6%、燃氣熱值8400 kCal/Nm3，氣價4元/Nm3，電價1元/kW·h。

表2 某品牌螺桿冷水機各冷卻水溫下的參數表

表3 不同全熱回收溫度及再熱熱源的熱水日運行費用

注：總費用1、2分別為采用鍋爐、風冷熱泵再熱時生活熱水的日運行費用；免費冷量為冷水機組提供所需預熱量時產生的冷量，免費冷費為冷水機組在32～37℃工況下提供此部分冷量所需的運行費用；運行費用包括冷熱源及水泵、冷卻塔。

由表3可見，當用鍋爐再熱，熱回收出水溫度設定為55℃時運行費用更低；當用風冷熱泵再熱，熱回收出水溫度設定為45℃時運行費用更低。

3.2 全熱回收控制

全熱回收冷凝器與常規冷凝器為并聯，機組不對進入2個冷凝器的冷媒量進行控制，需在冷卻塔進水管上設置電動閥，利用高溫制冷劑優先流向低溫處的原理，調節進入冷卻塔的水量，從而調節標準冷凝器的水溫，調節進入2個冷凝器的冷媒量。

圖2 全熱回收預熱生活熱水原理圖

當預熱罐的水溫T值低于設定值時，表明供熱量不足，則調節三通閥開度，減少進入冷卻塔的水量，提高標準冷凝器冷媒溫度，促使部分冷媒流向熱回收冷凝器；當T值達到設定值時，則關閉熱回收循環泵，調節三通閥使冷卻水全部流經冷卻塔，如圖2所示。

如熱回收比例為100%時，則不設電動閥。當T值低于設定值，關閉冷卻塔及冷卻泵，開啟熱回收循環泵進行熱回收；當T值達到設定值時，則關閉熱回收循環泵，開啟冷卻泵及冷卻塔。

常規冷水機組供水溫度恒定，一般根據回水溫度自動調節負荷：當回水溫度低于設定值時，表明需冷量變小，冷水機組自動卸載；當回水溫度高于設定值時，表明需冷量變大，冷水機組自動加載。

為了盡量使熱回收機組滿負荷運行以保證熱水要求，應使熱回收機組從冷水回水的高溫處即在供回水旁通之前進水，避免熱回收機組回水溫度受供回水旁通的影響，如圖3所示。

圖3 熱回收機組優先旁通

4 空調冷水、冷卻水水源熱泵熱回收

水源熱泵機組熱水溫度可達60 ℃以上，不需再熱即可滿足酒店熱水需求，而且熱泵機組可按制熱優先的模式控制運行，即根據熱水的回水溫度而不是冷水回水溫度自動調節熱負荷。

酒店冬季空調冷凝排熱量一般不滿足生活熱水負荷的需求，因此，空調冷水、冷卻水水源熱泵熱回收系統均需另設鍋爐等熱源用于冬季加熱。

4.1 空調冷水水源熱泵熱回收

熱泵機組與常規冷水機組并聯，部分空調冷水回水作為熱泵機組的熱源水，降溫后進入回水管或供水管，熱泵機組吸取空調冷水的熱量制取熱水。

(a) (b)圖4 空調冷水水源熱泵熱回收原理圖

如圖4(a)，熱泵機組冷水出水接至回水管，回水溫度T2低于12 ℃，常規冷水機自動卸載，熱泵機組產生的制冷量被常規冷水機組當成多余冷量卸載而無法進入末端設備，系統能提供的最大冷量為常規冷水機組的總容量。

如圖4(b)，熱泵機組冷水出水接至供水管，部分熱負荷時，熱泵機組冷水出水溫度T1高于7 ℃，空調冷水系統供水溫度T3將高于7 ℃，造成供水溫度不穩定，影響末端設備的運行。

某酒店選用3臺相同制冷量的冷水機組，其中1臺為熱泵機組。當熱負荷為20%時，熱泵機組冷水供回水溫差Δt=5×20%=1 ℃，即T1=12-1=11 ℃，則混合后的供水溫度T3=(2×7+1×11)÷3=8.3 ℃>7 ℃。

當熱負荷與冷負荷的比值較大，部分熱負荷時空調冷水總供水溫度與設定值偏差較大，影響末端設備供冷及除濕能力，因此空調冷水源熱泵機組冷水不宜接至供水管。

4.2 冷卻水水源熱泵熱回收

如圖5所示，冷卻系統高溫出水作為熱泵機組的熱源水，降溫至T1后再與常規冷水機冷卻水混合后進入冷卻塔。進入冷卻塔的水溫低于37 ℃，有利于冷卻塔的降溫效果，冷卻塔出水溫度T2低于32 ℃，可提高冷水機組的能效，冷凝溫度每下降1 ℃，制冷效率提高3%，節能效果不如空調冷水水源熱泵。系統能提供的最大冷量為常規冷水機組的總容量。

圖5 冷卻水水源熱泵熱回收原理圖

5 案例分析

某酒店建筑面積24 000 m2，空調設計冷負荷3279 kW，采暖熱負荷1300 kW，生活熱水日用量120 m3，生活熱水熱負荷700 kW；空調負荷率40%，則日平均需冷量=3279×24×0.4=31 478 kW；空調天數173 d；冷水溫度15 ℃，加熱到55 ℃、60 ℃的耗熱量分別為5488 kW、6174 kW。

下文對幾種帶熱回收的冷熱源方案進行經濟比較，如表4～表6所示。

方案1：無熱回收；方案2：顯熱回收(熱水60 ℃)；方案3：全熱回收(熱水55 ℃)；方案4：空調冷水水源熱泵熱回收(冷水出水接至回水管，熱水60 ℃)。各方案均設置鍋爐用于空調季再熱及非空調季供熱。熱回收方案中的儲熱設備造價均按75萬元計，未考慮占用機房面積的因素。

表4 主機設備配置及造價表

表5 其他設備配置及造價表

表6 空調季制冷、制熱運行費用及回收期計算表

由以上分析可見，方案3回收期最短；方案4運行費用最低。

6 結論

(1)部分熱回收量較小，僅為制冷量的10%～15%，但可提高制冷效率。

(2)全熱回收量大，但隨著熱水溫度提高，機組制冷效率下降較大，熱回收出水溫度應經技術經濟比較后確定。

(3)為了盡量使熱回收機組滿負荷運行以保證熱水要求，應使熱回收機組優先并聯。

(4)空調冷水水源熱泵冷水出水接至冷水系統回水管時，常規冷水機組回水溫度降低而自動卸載，系統能提供的最大冷量為常規冷水機組的總冷量，但冷水系統供水溫度恒定。

(5)空調冷水水源熱泵冷水出水接至冷水系統供水管時，系統能提供的最大冷量為熱泵機組和常規冷水機組的總冷量；但熱負荷變化時，冷水系統供水溫度不穩定。

(6)冷卻水水源熱泵可降低冷凝溫度，提高制冷量和制冷能效，但幅度較小，節能效果不如空調冷水水源熱泵熱回收系統。