應(yīng)用于室外熱環(huán)境平衡的熱回收方法研究

摘 要：夏熱冬冷地區(qū)城市熱島現(xiàn)象普遍存在，根本原因是室外熱環(huán)境平衡失調(diào)，當(dāng)前大部分研究重點放在如何改善下墊面上，而對空調(diào)產(chǎn)生的冷凝熱的影響及改善方法研究極少。通過回收空調(diào)冷凝熱的方法來闡述，得出以下結(jié)論：增設(shè)水冷式冷凝器的單元式熱回收和利用空氣源熱泵的區(qū)域熱回收，提出一個判斷室外熱環(huán)境平衡的概念性標(biāo)準(zhǔn)——熱幣。

關(guān)鍵詞：熱平衡 失調(diào) 冷凝熱 空氣源熱泵 熱幣

中圖分類號：TU111 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）011-048-02

1 引言

我國的夏熱冬冷地區(qū)范圍很廣，其夏季酷熱，冬季濕冷，夏冬兩季人體的舒適度差。改革開放以來，隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，對生活質(zhì)量的要求也相應(yīng)提高，公共建筑、居住建筑空調(diào)普及率逐年上升。由于空調(diào)的普遍使用，夏季運行過程中產(chǎn)生的冷凝熱使室外溫度在一定區(qū)域升高，造成了局部熱環(huán)境平衡失調(diào)，加劇了城市熱島效應(yīng)。同時城市空氣環(huán)境愈發(fā)惡化，嚴(yán)重影響人民的身體健康，消耗更多的能源和排放更多的熱量，成了一個惡性循環(huán)，對民生和經(jīng)濟(jì)都是一個緊迫的問題。

關(guān)于室外熱環(huán)境失調(diào)，國內(nèi)外學(xué)者做過許多研究，如一些學(xué)者提出優(yōu)化室外熱環(huán)境模擬物理模型的方法，還有大部分從改善城市的綠化，水體，以及飾面材料來進(jìn)行研究，或者通過簡化室外熱環(huán)境指標(biāo)的角度和調(diào)查室外熱環(huán)境與舒適度的關(guān)系出發(fā)進(jìn)行研究。

本文就以前人關(guān)注較少而又極具潛力的空調(diào)冷凝熱為對象來改善城市區(qū)域室外熱環(huán)境平衡失調(diào)帶來的問題。

2 原理

以分體式空調(diào)為例，最常用的是單冷掛壁式分體空調(diào)，主要由壓縮機(jī)、室外換熱器（冷凝器）、干燥過濾器、毛細(xì)管、室內(nèi)換熱器（蒸發(fā)器）、氣液分離器、管接頭、高壓閥、低壓閥組成。其工作原理如圖1。

空調(diào)工作時制冷劑經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓蒸汽，然后輸送至室外換熱器即冷凝器進(jìn)行冷卻放熱變成常溫高壓液體，經(jīng)過這個過程制冷劑將室內(nèi)帶出的熱量散到外界環(huán)境中，該熱量即為冷凝熱，在空調(diào)大面積高頻率的使用時，冷凝熱大量增加，加劇了熱島效應(yīng)，本研究的工作就是對癥下藥，因此就顯得十分必要了。

3 研究內(nèi)容

3.1 方法研究

為了解決空調(diào)冷凝熱帶來的問題，以本末兼治為原則，提出如下方法。

3.1.1 單元熱回收

單元熱回收，即是對各分體式空調(diào)源頭上進(jìn)行冷凝熱回收，如在空調(diào)室外機(jī)上安裝水冷套管冷凝器回收冷凝熱，回收的熱水用來作為熱水器的低溫?zé)嵩?，從而減少了空調(diào)的冷凝熱排放與加熱熱水的電力消耗，若熱水器為太陽能熱水器，可以作為其產(chǎn)熱時間限制上的有效補(bǔ)充。圖2為太陽能熱水器采用單元熱回收方法的系統(tǒng)原理圖。

使用水作為冷卻介質(zhì)，冷卻效果雖然較好，但回收率不可能達(dá)到100%，部分熱量還是散到室外環(huán)境中，因此需要進(jìn)一步熱回收，以達(dá)到室外環(huán)境熱平衡。

3.1.2 區(qū)域熱回收

區(qū)域熱平衡即在若干個可數(shù)的單元空調(diào)用戶空間所組成的一定區(qū)域內(nèi)，無論何時由空調(diào)等設(shè)備人為因素排放到室外環(huán)境的熱量與主動回收的熱量在量上相等或者基本相等，主要衡量指標(biāo)是區(qū)域內(nèi)平均溫度與該地區(qū)的平均溫度相差程度。

該方法是利用空氣源熱泵吸熱的作用，空氣源熱泵是利用制冷原理（逆卡諾循環(huán)工作原理），通過從周圍環(huán)境中獲取低品位熱能，經(jīng)過電力做功提升溫度后輸出到冷凝端，產(chǎn)生可被使用的較高品位熱能的設(shè)備，將散到室外環(huán)境中的冷凝熱吸收，通過熱泵提升將吸收的熱量用來大規(guī)模生產(chǎn)生活熱水，供應(yīng)給家庭用戶或酒店等熱水需求比較大的地方，既能平衡室外熱環(huán)境又具有一定的商業(yè)價值和使用價值。熱泵的需要回收的熱值按下面的公式計算。

設(shè)定一個區(qū)域內(nèi)最多有n臺分體式空調(diào)，每臺空調(diào)每天對外放出平均冷凝熱量為q，單元熱回收效率為 ，則室外需回收的熱量為：

根據(jù)需要熱回收的量選擇空氣源熱泵的的型號和參數(shù)，使單日熱泵的吸熱量能夠至少滿足熱回收量，達(dá)到散熱量與吸熱量的基本平衡。

3.2 理論研究

研究過程中發(fā)現(xiàn)一個問題，即判定某個區(qū)域是否由于人為原因產(chǎn)生熱失調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)問題。以往對這個方面研究基本上是以室外溫度對比周邊來衡量，對于解決熱平衡失調(diào)未免顯得滯后和籠統(tǒng)，不利于提前預(yù)防，也不能將責(zé)任分配到每個用熱產(chǎn)熱的用戶個體或者區(qū)域上，本著防患未然，責(zé)任明分的原則，提出以熱量為等價物的概念-熱幣。其定義與相關(guān)特征如下所述：

（1）所謂熱幣，即是以熱量為等價物，以產(chǎn)熱或放熱為正值，以取熱或吸熱為負(fù)值，用來衡量一定區(qū)域內(nèi)人為原因造成熱平衡是否失調(diào)的依據(jù)。表1為熱幣的簡介表。

（2）熱幣具有同一性，方向性，可加性。同一性，指的是無論是哪種設(shè)備，其對室外熱環(huán)境的影響大小都可以用熱幣來衡量，而值的換算都是根據(jù)該設(shè)備在環(huán)境中產(chǎn)熱或者取熱的多少來計算；方向性，即產(chǎn)熱或放熱為正值，正值越大，反映出該設(shè)備產(chǎn)熱越大，會使室外環(huán)境升高，反之亦然；可加性，指的是，一個區(qū)域內(nèi)或者個人所擁有的各種設(shè)備其熱幣值可以進(jìn)行加法求和運算，所得的和值越接近零，則該區(qū)域或者個人所擁有的設(shè)備對室外熱平衡的影響就越小，反之越大。

（3）為了計算方便，需要提出熱幣的單位，以及換算方法，在這個層面上還需要進(jìn)一步研究，以找到最合適的答案，本文就熱幣只提出一個定性的概念，定量的換算方法暫不做闡述。

4 結(jié)論分析及展望

本研究提出了單元熱回收和區(qū)域熱回收的方法與關(guān)于判定熱平衡的概念-熱幣。綜上所述，有以下分析及展望：

（1）技術(shù)上，改進(jìn)分體空調(diào)，增設(shè)冷凝熱回收裝置，既可以減少冷凝熱的排放，緩解熱平衡失調(diào)的問題，又可以增強(qiáng)空調(diào)室外換熱器的換熱效率，提高空調(diào)制冷效果，也為生活熱水提供了新的熱源，有利于節(jié)約能耗，降低排放。空調(diào)生產(chǎn)廠家則需要在原有空調(diào)基礎(chǔ)上與熱水生產(chǎn)廠家進(jìn)行協(xié)調(diào)，增設(shè)冷凝熱回收的部件。

（2）系統(tǒng)上，使用空氣源熱泵為代表的熱回收裝置的方法，使整個區(qū)域室外熱環(huán)境平衡，回收的熱量加熱熱水，既滿足本區(qū)域用戶的使用，還可以供應(yīng)給附近熱水使用量較大的酒店，學(xué)校等公共場所，具有一定的商業(yè)價值，值得推廣。開發(fā)商則應(yīng)根據(jù)該區(qū)域用戶空調(diào)使用情況，選擇合理的空氣源熱泵型號以達(dá)到區(qū)域的熱量平衡，同時聯(lián)系周邊熱水需求較大的用戶，將回收的熱量產(chǎn)生的熱水可以通過供應(yīng)給用戶以收回初投資的成本。

（3）概念上，熱幣是本研究提出的新概念，它用來衡量個體或者區(qū)域內(nèi)產(chǎn)熱或者取熱是否平衡的一個定量的指標(biāo)，當(dāng)擁有的熱幣值正負(fù)抵消為零時，則可以判斷該個體或者區(qū)域的產(chǎn)熱與取熱平衡，即不影響室外熱環(huán)境，反之，則需要購買與其熱幣值相反的用能產(chǎn)品，這對治理熱失調(diào)現(xiàn)象可以作為能源上的政策性改革方法。能源管理部門則應(yīng)該研究推出全社會通用的熱幣，用來判定室外環(huán)境是否平衡，同時將熱幣與個人信息綁定，更好的調(diào)整能源使用分布，形成全社會熱平衡的總體趨勢。

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