中央廚房熱管換熱式能量回收系統的研究及實踐*

周歡偉，瞿東麗，蔡 亮

（1.廣州鐵路職業技術學院，廣州 510430；2.廣東省機械研究所有限公司，廣州 510635；3.廣州和易包裝設備有限公司，廣州 510440）

0 引言

中央廚房在餐飲熟化、冷庫制冷、空調制冷時產生大量的熱，主要包括蒸煮的蒸餾水、熟化的設備、空調的末端設備、空調的末調設備，這些設備產生的熱能大部分被排出中央廚房，這樣既不節約能源，又是使全球溫度升高的一個因素。根據國家《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）、《通風空調系統運行管理規范》（GB50365-2005）等規定，要求設置熱能回收裝置。因此熱能回收是中央廚房必須考慮的一個課題，這對減少全年的能源消耗量、降低運行費用、減少溫室氣體的排放和對環境的污染都有好處。目前熱能回收的方式有轉輪換熱式[1]、熱管換熱式[2]、板式顯熱換熱式[3]、中間熱媒式[4]等，但其各有優缺點，如表1所示。綜合熱管換熱式能量回收的特點是在使用壽命和占用空間等方面的優勢[5]，本文中央廚房采用熱管換熱式能量回收方式進行。

表1 不同熱能回收方式優缺點比較

H Jouhara 等[6]系統研究了熱管換熱式能量回收的技術發展歷程，提出了其發展方向。羅群生等[7]就熱傳遞過程中對流、輻射的特性進行了研究，引入中間節點，提出了較厚和厚空氣處理夾層與兩壁間的傳熱方法。Ahmadzadehtalatapeh[8]以空調系統的運行為研究對象，設計出熱管式熱能回收裝置，通過對比發現其可大幅度減少能量損耗。裴秀英等[9]提出了收縮機氨蒸氣與油冷卻器組合回收熱量的策略。Chaoling Han[10]研究了中溫熱管換熱器的性能，分析了水管的水在溫度場、流場的分布情況，獲得單一熱管的傳熱特性。Y H Diaoa,L Liang等[11]建立了小型平板熱能回收裝置的數學模型，分析了不同的室內外溫度、風量、流速對熱能回收性能的影響，使夏季熱能回收效率達57.9%，冬季熱能回收效率達70.6%。王磊等[12]建立了評價熱回收裝備的節能模型，獲得了提高節能率的關鍵技術參數。韋中師[13]設計一款新的裝置，通過改變系數確定新排風量，從而調節新風量來減少新風能耗。

本文通過分析建立中央廚房熱源，建立熱能回收系統布局圖，探索熱能回收的熱交換過程，利用熱管換熱式能量回收的原理，節約中央廚房的能源，使中央廚房獲得穩定有效的熱水，且服務于中央廚房清潔和消毒等。

1 熱量交換分析

1.1 能量回收的數學模型

中央廚房所有設備釋放的總熱量為Q1，實際被S 型水管吸收的熱量為Q2，水管里的水所吸收的熱量為Q3，Q3=η2Q2=η1η2Q1，根據能量守恒定律得：

式中：η1為熱源設備到水管的熱量轉化率；η2為水管到水的熱量轉化率；ρ為水平均溫度下飽和水的密度，kg∕m3；q為單位時間內水的流量，m3∕s；s1為管道內徑的橫截面積，m2；Q1為釋放的總熱量，J；Q2為熱能回收的熱量，J；Cp為冷卻水平均溫度下的比熱，J∕(kg·℃)，Cp=4 174 J∕kg ?m3；tu為加熱時間，s；n為加水管道根數；d為加水管道直徑，m；u為水的流速，m∕s。

水管加熱到底有多少熱量被吸收與水管的高度、受熱面積有關。根據熱傳導方程：

式中：k為熱傳導系數，W ∕(m·℃）；Δx為傳導熱量的物質的兩個端面間的距離，m；Δt為兩端面間的溫差，℃；qρ為導熱熱流密度，單位時間通過單位面積的熱量，J ∕(m2·s）。

由于水管是S 型的，且只一半吸引熱源的熱量，產生熱能回收，另一半不吸引熱源的熱量。每根管道吸收熱源部分的面積：水通過水管回收的熱量：

式中：l為管道的長度，mm；d為管道的內直徑，mm。

以蒸餾汽的熱能回收為例，結合式（1）～（3），可得產生熱能回收水的體積為：

式中：V1為蒸餾汽的熱能回收熱水量。

結合式（4）～（5），使水管回收的水升溫Δt時，通過tu時間后水流經S型水管，產生的熱水體積為：

式中：Q31為餾汽的熱能回收的熱量。

1.2 其他熱源分析

其他熱源熱能回收的數學模型與蒸餾水的熱能回收相同，借鑒式（6）可獲得熟化設備、冷庫末端設備和空調末端設備等熱源的熱能回收水體積V2、V3、V4，以及相應熱能回收的熱量Q32、Q33、Q34，從而獲得中央廚房通過熱能回收系統產生總熱水量為：

V=V1+V2+V3+V4

回收到的總熱量為：

Q=Q31+Q32+Q33+Q34

1.3 熱能回收效率分析

熱能回收過程中，水會出現層流和湍流現象：層流時，水以直線形態平穩流過，只有靠近加熱一側的管道壁的冷水參與了熱交換，而中心處的水直接流過，不參加熱交換，此時熱能回收效果較差；湍流時，水在管道內呈渦旋翻滾的流動狀態，水管內大部分都參與熱交換，熱效果較好，因此熱能回收時需要水管里的水處于湍流狀態。判斷圓管內冷卻水流動狀態的指標為雷諾數：

式中：ν為水的運動黏度，自然溫度下，水的運動黏度ν=0.805× 10-6m2∕s。

以中央廚房的熱水管采用304 不銹鋼無縫鋼管為例，類型選為DN20的水管，其外徑為25 mm，內徑為20 mm。根據計算，對于圓管的流雷諾數大于2 300 時層流轉湍流。要使得流雷諾數大于它，根據式（8）可得，水管里水的流速u≥0.092 5m∕s 才能保證其在水管里是湍流狀態。在中央廚房實際運用中，為確保水管的水能及時快速地形成熱交換，達到吸收更多熱量的目的，建議u≥1.5 m∕s。

2 熱能回收系統布局

2.1 整體布局

中央廚房的熱能回收是通過管道內的冷水吸收多余熱量，實現熱量的轉移。中央廚房熱能回收系統分為3段：吸熱段、傳熱段、輸送段。在吸熱段，水管的管壁吸收大量來自熱源的熱量；在傳熱段，水管的管壁熱量傳遞給水管里的冷水，使冷水加熱，此段水管的水靠近水管壁的部分水溫高于水管中心的溫度；在輸送段，將熱水傳遞到下一個工位，此段水管的水通過熱傳遞，使溫度達到均勻。在流體壓力差和密度差的共同作用下，在輸送段水管的水溫度低于傳熱段的溫度，在毛細動力作用下克服流動過程的阻力，且在泵的作用下，水管的水實現向前運輸送，直到熱水箱，實現水的循環加熱。

中央廚房的熱能回收從冷水箱的水在泵1 的作用下向熱水箱，在泵2和單向節流閥1的作用下，熱水箱的水流向蒸餾汽熱能回收處，經過熟化設備熱能回收處，以及冷庫末端設備處、空調末端設備處，最后在泵3或泵4的作用下，回到熱水箱內，完成水管回收熱能的整個過程。如圖1所示。

圖1 中央廚房熱能回收系統布局

2.2 工作過程

熱水回收過程分為5個步驟。

（1）在泵1 的作用下，水從冷水箱中流向熱水箱，當熱水箱的水低于最低位時，泵1 自動啟動向熱水箱里加水；當熱水箱的水高于最高位時，泵1停止工作。

（2）在泵2 的作用下，水通過水管流經單向節流閥1，經過蒸餾汽的設備熱源后，流向熟化設備熱源上方，并經過冷庫設備末端設備熱源回收熱量。

（3）當在外界溫度高于室內溫度時，室內空調需要開啟制冷模式，此時閘閥2關閉，閘閥1開啟，水通過水管流向空調末端設備熱源回收熱量，在泵3 的作用下，經過單向節流閥2的作用，流入熱水箱。

（4）當外間溫度低于室內溫度時，室內空調開啟制熱模式，此時閘閥1 關閉，閘閥2 開啟，在泵4 的作用下，經過單向節流閥3的作用，流入熱水箱。

（5）蒸餾汽水完成工作后，在泵6 的作用下，經過單向節流閥5，流入熱水箱，當水面超過熱水箱最高位時，泵6自動停止。泵6的工作與否是由蒸餾汽的水是否還要用為標準，如果需要用，則泵6不工作；如果不用，泵6工作。

2.3 熱能后置處理

熱能回收能量應用與污水排放分為5個步驟。

（1）各設備的通過熱能回收后，產生的冷凝水集中回到到冷卻塔中，通過排水管道直接排入市政管道。

（2）當需要用到熱水箱的水時，泵5 開啟工作，經過單向節流閥4，流向用戶，用戶包括淋浴和清洗物品等。

（3）當水管的水溫達到指定溫度時，溫度開關1 開啟，溫度開關2 關閉，中央廚房人員可利用熱能回收的水直接淋浴。

（4）當水管的水溫達不到指定溫度時，溫度開關1關閉，水經過水管流向熱水器，經熱水器加熱后，達到溫度開關2 的溫度時，中央廚房的人員才可利用此水進行淋浴。

（5）在清潔中央廚房的工具、地面等時，可直接利用熱水箱的溫度清洗。

熱能回收系統的水管是封閉的循環管道，從熱水箱流向需要回收熱量的熱源，經加熱后，水回到熱水箱。

2.4 熱回管道設計

熱管換熱式能量回收時，水管的受熱面積越大，熱能回收的效果越好。為了增加熱水管的受熱面積，在熱能回收的設備處的水管設為S型，如圖2所示。

圖2 熱能回收的設備處水管形狀

3 熱能回收能量應用

中央廚房利用熱管換熱式能量回收的原理，回收了大量熱量，將產生的熱水用到需要的地方，包括淋浴和清洗工具等區域。在使用熱能回收水的區域，需要安裝雙溫水龍頭，方便使用者根據實際情況調節冷水和熱水的比例，獲得合適的溫度。

熱能回收的熱水主要用于兩大空間：淋浴空間、清潔空間。如圖3所示。淋浴空間包括淋浴室淋浴龍頭，以及風淋室、洗手間、初加工區域、熟化區域、分裝區域等洗手盆的用水。清潔空間包括初加工區域、熟化區域、分包區域等地面清洗，以及周轉箱、各區域工具及設備等清洗。

圖3 熱能回收熱水用途

4 熱能回收效果

以某一個餐飲生產量為2 萬份∕8 h 的中央廚房為例，熱能回收的熱源點較多，員工人數為100 人。一個人淋浴每4 h用水量為50 L，洗手用水量為5 L，每人每8 h用水量為110 L，一天用水量為11 000 L。清潔周轉箱、地面、工具等每8 h 用水量達40 000 L，總計8 h 用熱水量達51 000 L。將這些水從20 ℃加熱到40 ℃，在不考慮熱損耗的情況下，利用上述研究成果可節約1 190 kW·h 的電能，而且中央廚房內部還可以隨時隨地用到熱水。

5 結束語

本文通過對中央廚房的熱源的分析，發現中央廚房有大量的熱量需要回收，在建立面向中央廚房的熱管換熱式能量回收系統后，探索出熱交換全過程的規律，構建了熱量交換的數學模式，獲得了中央廚房的熱能回收能產生的總熱水量和總熱量，分析了熱能回收效率，提出熱能回收時水的流速。通過設計熱回管道的拓樸結構，布局管道的流向，并將熱能回收產生的熱水用于中央廚房的淋浴和清洗等崗位上，使能源再利用。通過熱能回收全局的研究，提高了能源的利用率，并以一個餐飲生產量為2 萬份∕8 h 的中央廚房為例，每天可為國家節約1 190 kW·h的電能，證明了研究的有效性。