高速列車(chē)空調(diào)冷凝熱回收節(jié)能技術(shù)研究

王 偉，楊 艷，和志忠，鄭建科，黃雪飛，蘭 琪

(中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，河北 唐山 063035)

空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱量是空調(diào)系統(tǒng)制冷量與制冷機(jī)輸入功率之和。空調(diào)設(shè)計(jì)中，冷凝熱量一般為冷負(fù)荷的1.3倍左右，所以空調(diào)系統(tǒng)冷凝熱量是比較龐大的。通常情況下，空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱是通過(guò)冷凝器排入大氣，將如此量級(jí)的冷凝熱直接排到大氣中會(huì)直接加劇大氣的熱污染[1-2]。

Healy et al.[3]較早提出將空調(diào)冷凝熱作為熱源來(lái)加熱生活熱水的設(shè)想。文獻(xiàn)[4-5]指出熱回收熱泵節(jié)能性能佳。我國(guó)開(kāi)始相關(guān)技術(shù)研究較晚[6]，如果使用高速列車(chē)空調(diào)冷凝熱回收技術(shù)將熱能回收用于電熱水器的輔助加熱熱源，不但可以降低電熱水器的電能消耗，又可以減少空調(diào)系統(tǒng)向大氣中排放的廢熱，減輕大氣熱污染，改善生態(tài)環(huán)境。因此，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行冷凝熱回收是很有必要的[7-10]。

1 冷凝熱回收方案

針對(duì)高速列車(chē)空調(diào)產(chǎn)生的大量冷凝熱，若將熱能回收用于電熱水器的輔助加熱熱源，需加裝冷凝熱回收裝置。安裝冷凝熱回收裝置后，原空調(diào)系統(tǒng)變化不大，只需在壓縮機(jī)出口與冷凝器入口之間加裝換熱裝置。按照換熱裝置的差異[11]以及電熱水器補(bǔ)水控制策略的不同，設(shè)置了3種換熱裝置方案。

(1) 方案1換熱裝置采用板式換熱器，同時(shí)在車(chē)內(nèi)設(shè)置補(bǔ)水緩沖水箱，緩沖水箱內(nèi)設(shè)置循環(huán)水泵，推動(dòng)緩沖水箱內(nèi)的水通過(guò)換熱裝置循環(huán)流動(dòng)。在換熱裝置和循環(huán)水箱內(nèi)設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)循環(huán)水箱水溫小于換熱裝置后，水泵啟動(dòng)，加熱補(bǔ)水緩沖水箱內(nèi)的存水，壓縮機(jī)運(yùn)行后，排氣溫度一般在80 ℃左右，循環(huán)流動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)更高的水溫，可以選擇優(yōu)先考慮出水溫度或速度2種出水策略。

(2) 方案2換熱裝置采用套管換熱器，該方案同樣可以有方案1的2種不同的出水策略。不同點(diǎn)是取消了補(bǔ)水緩沖水箱，當(dāng)電熱水器需要補(bǔ)水時(shí)才進(jìn)行換熱，能量利用率較低。

(3) 方案3換熱裝置采用換熱水箱，自來(lái)水可以在換熱水箱中持續(xù)加熱，能量利用時(shí)間相比前2種方案要高一些。但由于換熱裝置比較簡(jiǎn)單，換熱效率相比前2種方案要低。

圖1為3種冷凝熱回收方案簡(jiǎn)圖。方案1設(shè)置了補(bǔ)水緩沖水箱，保證了電熱水器的穩(wěn)定性；方案2取消了補(bǔ)水緩沖水箱，控制策略簡(jiǎn)單；方案3設(shè)置了換熱水箱，自來(lái)水可以在換熱水箱中持續(xù)加熱，能量利用時(shí)間較高。

圖1 3種冷凝熱回收方案簡(jiǎn)圖

2 冷凝熱回收節(jié)能技術(shù)分析

以CRH3C型動(dòng)車(chē)組為例進(jìn)行計(jì)算，選取各車(chē)定員的最大值(80人)進(jìn)行計(jì)算。按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選取平均每位乘客每小時(shí)飲水0.3 L進(jìn)行計(jì)算，每節(jié)車(chē)廂內(nèi)的乘客每小時(shí)飲水為24 L。

設(shè)定水溫為常溫25 ℃，CRH3C型動(dòng)車(chē)組電熱水器的加熱功率為P為4.8 kW，那么將水從25 ℃加熱到100 ℃所需的能耗為：

Q=cmΔt

(1)

式中：Q——水加熱所需能耗， kW·h；

c——水的比熱容，取c=4.2×103J/(kg·℃)；

m——水的質(zhì)量，kg；

Δt——加熱溫差，℃。

由上述分析可知，電熱水器供水溫度變?yōu)?0 ℃時(shí)，電加熱能耗及電加熱時(shí)間均大幅減少。

以上僅為1節(jié)車(chē)廂每小時(shí)的理論節(jié)能數(shù)據(jù)，如果按照CRH3C型動(dòng)車(chē)組采用8輛車(chē)編組計(jì)算，列車(chē)運(yùn)行12 h，那么一共可以節(jié)約能耗Q′=8×12×Q2=74.88 kW·h。

3 換熱器、緩沖水箱及換熱水箱參數(shù)選擇

3.1 換熱器參數(shù)選擇

方案1、方案2中換熱器所需換熱量Q3=cmΔt=4.2×24×(50-25)=2 520 kJ=0.7 kW·h。

假設(shè)電熱水器中加熱水箱補(bǔ)水8 L需要5 min，那么換熱器的換熱功率應(yīng)達(dá)到：

式中：T——補(bǔ)水時(shí)間。

經(jīng)計(jì)算，換熱器的換熱功率應(yīng)達(dá)到8.4 kW。而CRH3C型動(dòng)車(chē)組空調(diào)機(jī)組額定制冷量為45 kW，所以冷凝熱量在45 kW以上。如果客室內(nèi)負(fù)荷較低，空調(diào)機(jī)組只運(yùn)行1臺(tái)壓縮機(jī)，也有22.5 kW以上的冷凝熱量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出換熱器需要的換熱功率。因此，保證50 ℃的出水溫度較為容易。

同時(shí)，假設(shè)電熱水器每20 min補(bǔ)水一次，即加熱水箱由中水位補(bǔ)水至上水位(補(bǔ)水8 L)，那么換熱器的水流量q應(yīng)該達(dá)到：

式中：V——補(bǔ)水量。

經(jīng)計(jì)算，q為0.096 m3/h，假定補(bǔ)水流速v為1 m/s，則補(bǔ)水管管徑d為：

經(jīng)計(jì)算，d=0.005 m，因此，應(yīng)選取5 mm管徑的補(bǔ)水管連接換熱器與電熱水器。同時(shí)，換熱器的水流量應(yīng)該達(dá)到0.096 m3/h。工程實(shí)施時(shí)，具體設(shè)備參數(shù)可以按照廠家提供的產(chǎn)品名冊(cè)進(jìn)行選擇，根據(jù)需要對(duì)水流量、換熱量、補(bǔ)水管管徑及補(bǔ)水流速進(jìn)行調(diào)整。另外，考慮到換熱設(shè)備與外界環(huán)境換熱帶來(lái)的熱損失，建議對(duì)換熱量附加20%的余量。

3.2 緩沖水箱參數(shù)選擇

以CRH3C型動(dòng)車(chē)組為例，電熱水器開(kāi)水儲(chǔ)量≥18 L，開(kāi)水產(chǎn)量≥40 L/h，電熱水器的最大補(bǔ)水量為40 L/h。那么每20 min補(bǔ)水量為8 L，選取10%的余量，緩沖水箱的容積可以定為9 L，并不會(huì)占用太多空間。

3.3 換熱水箱參數(shù)選擇

設(shè)定換熱水箱將水從25 ℃加熱至50 ℃的時(shí)間為30 min，那么由每節(jié)車(chē)廂乘客的總飲水量24 L/h可知，換熱水箱的容積需大于12 L。考慮到加熱管會(huì)占用一定的容積，且水箱內(nèi)上部空氣溫度升高后會(huì)使水箱內(nèi)壓力有一定程度的上升，所以選取20%的余量，換熱水箱的容積可以定為14.4 L。

換熱水箱的尺寸為400 mm×300 mm×120 mm(僅為水箱尺寸，不包含隔離箱)，換熱管采用φ7 mm的銅管(忽略對(duì)制冷系統(tǒng)的影響)，共20根，換熱水箱內(nèi)平面和內(nèi)立面布置如圖2所示。

圖2 換熱水箱內(nèi)平面和內(nèi)立面布置圖

4 模擬方法及換熱效果

針對(duì)方案1或方案2，由于換熱器供應(yīng)商可以提供準(zhǔn)確的換熱參數(shù)，此處不再贅述，只對(duì)方案3的換熱效果進(jìn)行模擬。

4.1 模型及邊界條件的建立

用Fluent軟件模擬方案3中換熱水箱在水箱壁面無(wú)保溫和有一定保溫2種條件下的換熱效果。建立以下邊界條件：

(1) 僅選取換熱水體為研究對(duì)象，不考慮水箱上部空氣；

(2) 由于換熱管在水箱內(nèi)均勻布置，模擬任一換熱盤(pán)管軸線的豎直平面的水溫分布，近似看作水箱內(nèi)的溫度分布；

(3) 選用四邊形網(wǎng)格；

(4) 換熱水箱的壁面溫度設(shè)定為25 ℃，水體的初始溫度設(shè)定為25 ℃，制冷劑R407c的入口溫度設(shè)定為80 ℃。

4.2 換熱效果

4.2.1 換熱水箱壁面無(wú)保溫

假設(shè)換熱水箱壁面溫度恒定為25 ℃，分別模擬10 min、20 min、30 min時(shí)水箱內(nèi)的溫度分布及速度分布，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出：

圖3 換熱水箱壁面溫度恒定時(shí)不同時(shí)刻水箱內(nèi)溫度和速度分布

(1) 10 min時(shí)，換熱水箱內(nèi)至少2/3水體溫度已經(jīng)達(dá)到42 ℃以上，盤(pán)管中部附近部分水體溫度達(dá)58 ℃，已十分接近預(yù)期的出水溫度。水體由于密度差在重力的作用下已經(jīng)出現(xiàn)明顯擾動(dòng)。

(2) 20 min時(shí)，水體溫度分布趨勢(shì)大致與10 min時(shí)相同，但是溫度普遍上升約3～5 ℃，超2/3區(qū)域水體溫度已高于47 ℃，盤(pán)管中部附近部分水體溫度達(dá)61 ℃，已滿(mǎn)足預(yù)期出水溫度。水體擾動(dòng)情況較10 min時(shí)也有明顯增強(qiáng)。

(3) 30 min時(shí)，除水箱壁面附近部分水體溫度較低外，其余大部分區(qū)域水體溫度已經(jīng)超過(guò)50 ℃，盤(pán)管附近區(qū)域最高水溫雖然仍維持在61 ℃左右，但面積有較大幅度增加，水體擾動(dòng)與20 min時(shí)大致相同。

4.2.2 換熱水箱壁面有一定保溫

擬選取5 mm厚的保溫層，采用3層結(jié)構(gòu)：內(nèi)外層為厚1 mm的不銹鋼材料，夾層為厚3 mm的保溫材料。保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)選取保溫材料定義的下限，即0.2 W/(m·K)，則整個(gè)保溫層的傳熱系數(shù)為66 W/(m2·K)。

模型的參數(shù)設(shè)置與無(wú)保溫條件下的參數(shù)設(shè)置大致相同，只是壁面溫度不再恒定為25 ℃。分別模擬5 min、10 min時(shí)換熱水箱內(nèi)的溫度分布及速度分布，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，由于采用了保溫措施，5 min時(shí)大部分水體溫度已經(jīng)超過(guò)50 ℃，盤(pán)管中心附近區(qū)域水溫超過(guò)63 ℃，水體擾動(dòng)已經(jīng)非常明顯。10 min時(shí)，水箱內(nèi)水體溫度已經(jīng)超過(guò)63 ℃，水溫最高的區(qū)域溫度已達(dá)73 ℃，加熱效果非常明顯，可實(shí)現(xiàn)約50%節(jié)能。

5 結(jié)論

(1) 本文采用冷凝熱回收的方式，先將電熱水器補(bǔ)水加熱到50 ℃，再進(jìn)入電熱水器加熱。若8輛編組列車(chē)運(yùn)行12 h，理論上可節(jié)能約74.88 kW·h，節(jié)能效果顯著。

圖4 換熱水箱壁面溫度不恒定時(shí)不同時(shí)刻水箱內(nèi)溫度和速度分布

(2) 用Fluent軟件模擬加裝換熱水箱方案，在無(wú)保溫條件下，換熱水箱在30 min時(shí)的出水溫度可以保證在50 ℃左右，節(jié)能約30%。在有一定保溫的條件下，換熱水箱在10 min時(shí)的出水溫度已經(jīng)超過(guò)63 ℃，節(jié)能約50%。因此，采用加裝帶保溫的換熱水箱的熱回收方案，加熱效果非常明顯。

(3) 本研究提供了一種節(jié)能方法，具體工程實(shí)施方案還需進(jìn)一步驗(yàn)證。