空調(diào)系統(tǒng)冷凝熱回收設(shè)計(jì)分析

陳建勝

(廈門(mén)合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門(mén) 361009)

0 引言

冷水機(jī)組制冷的同時(shí)，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(duì)環(huán)境的影響，又可節(jié)約能源。酒店建筑夏季同時(shí)存在空調(diào)和生活熱水的需求，空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱可回收用于加熱生活熱水。

空調(diào)冷負(fù)荷日逐時(shí)分布呈現(xiàn)“單峰特性”，與室外氣象參數(shù)的變化趨勢(shì)大致相同；生活用水量日逐時(shí)分布呈現(xiàn)“雙峰特性”，6∶00-8∶00為早高峰、18∶00-22∶00為晚高峰，其余時(shí)段為低谷狀態(tài)[1]。由于生活用水量與空調(diào)冷負(fù)荷逐時(shí)規(guī)律不同步且冷凝熱回收為循環(huán)漸進(jìn)(溫差為5 ℃)加熱，冷凝熱回收系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置水箱或容積式換熱器等儲(chǔ)熱設(shè)備。

本文對(duì)幾種常見(jiàn)的冷凝熱回收方式進(jìn)行理論分析并結(jié)合案例，探討設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。

1 制冷循環(huán)

氣態(tài)制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮，壓力及溫度升高；高溫高壓的氣態(tài)制冷劑通過(guò)排氣管進(jìn)入冷凝器中被冷卻成為液體，冷凝熱通過(guò)冷卻介質(zhì)排至室外；高溫高壓液體通過(guò)節(jié)流閥，變?yōu)榈蜏氐蛪汉倭繗怏w的氣液混合物，在蒸發(fā)器內(nèi)吸收大量熱量，蒸發(fā)變成低壓的氣態(tài)制冷劑，再通過(guò)吸氣管路回到壓縮機(jī)內(nèi)以完成制冷循環(huán)。

2 部分熱回收

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

(a) (b)圖1 制冷循環(huán)壓焓圖

部分熱回收采用串聯(lián)熱回收器的方式，壓縮機(jī)出口高溫高壓的過(guò)熱蒸氣先經(jīng)熱回收器，加熱生活用水，再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)冷凝器，排除剩余的熱量。

假定空調(diào)冷水供回水溫度7/12 ℃，冷卻水供回水溫度32/37 ℃，室外環(huán)境溫度35 ℃，壓縮機(jī)工況為：蒸發(fā)溫度t0=5 ℃，吸氣溫度t1=15 ℃，水冷冷凝溫度tk=40 ℃，風(fēng)冷冷凝溫度tk=50 ℃，過(guò)冷度為2 ℃。

查冷媒壓焓圖可得各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，并通過(guò)計(jì)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(jìn)、出口處冷媒的焓值；h4、h1′分別為蒸發(fā)器進(jìn)、出口處冷媒的焓值，kJ/kg。

表1 R134a 部分熱回收比例計(jì)算表

由表1可見(jiàn)，R134a水冷、風(fēng)冷冷水機(jī)組排氣溫度t2為54 ℃、64 ℃，熱回收冷凝器側(cè)的換熱溫差按3 ℃計(jì)，則水冷、風(fēng)冷冷水機(jī)組部分熱回收出水溫度可達(dá)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(biāo)準(zhǔn)冷凝器的負(fù)擔(dān)，機(jī)組COP有所提高，但有的廠家不生產(chǎn)部分熱回收冷水機(jī)組。

3 全熱回收

如圖1(a)，凝結(jié)段的冷媒由飽和氣體凝結(jié)為飽和液體，冷媒發(fā)生相變，冷媒溫度恒定為飽和溫度(冷凝溫度)，凝結(jié)段排出的熱量為潛熱量，如果將過(guò)熱段、凝結(jié)段、過(guò)冷段的熱量全部或部分進(jìn)行回收，則稱(chēng)之為全熱回收，也稱(chēng)潛熱回收。

為了提高熱回收出水溫度，則需相應(yīng)提高冷凝溫度，這將導(dǎo)致制冷量下降、壓縮機(jī)功耗增加，冷水機(jī)組制冷性能下降。由表2可見(jiàn)，蒸發(fā)溫度一定時(shí)，全熱回收工況下冷凝溫度每升高1℃，螺桿冷水機(jī)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(guò)高，可能導(dǎo)致冷水機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，離心機(jī)冷凝壓力提高到一定程度，可能引起喘振。熱回收螺桿機(jī)冷卻水溫一般低于55 ℃，離心機(jī)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(yù)熱，預(yù)熱后的熱水經(jīng)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(duì)冷水機(jī)組制冷量及COP有較大影響，但考慮制熱后的綜合COP仍可達(dá)到5～8，因此熱回收出水溫度應(yīng)根據(jù)再熱熱源形式經(jīng)比較后確定。

假定：生活熱水用量120m3/d，冷水溫度15 ℃，冷水機(jī)組熱回收出水溫度分別取45 ℃、55 ℃、60 ℃，預(yù)熱后的生活熱水經(jīng)鍋爐或風(fēng)冷熱泵再熱至60 ℃。選用一臺(tái)制冷量1093 kW的全熱回收冷水機(jī)組、一臺(tái)制熱量為700 kW的熱水鍋爐或風(fēng)冷熱泵，冷水機(jī)組各工況下參數(shù)見(jiàn)表2，風(fēng)冷熱泵夏季再熱時(shí)的COP為3.0，鍋爐熱效率92.6%、燃?xì)鉄嶂?400 kCal/Nm3，氣價(jià)4元/Nm3，電價(jià)1元/kW·h。

表2 某品牌螺桿冷水機(jī)各冷卻水溫下的參數(shù)表

表3 不同全熱回收溫度及再熱熱源的熱水日運(yùn)行費(fèi)用

注：總費(fèi)用1、2分別為采用鍋爐、風(fēng)冷熱泵再熱時(shí)生活熱水的日運(yùn)行費(fèi)用；免費(fèi)冷量為冷水機(jī)組提供所需預(yù)熱量時(shí)產(chǎn)生的冷量，免費(fèi)冷費(fèi)為冷水機(jī)組在32～37℃工況下提供此部分冷量所需的運(yùn)行費(fèi)用；運(yùn)行費(fèi)用包括冷熱源及水泵、冷卻塔。

由表3可見(jiàn)，當(dāng)用鍋爐再熱，熱回收出水溫度設(shè)定為55℃時(shí)運(yùn)行費(fèi)用更低；當(dāng)用風(fēng)冷熱泵再熱，熱回收出水溫度設(shè)定為45℃時(shí)運(yùn)行費(fèi)用更低。

3.2 全熱回收控制

全熱回收冷凝器與常規(guī)冷凝器為并聯(lián)，機(jī)組不對(duì)進(jìn)入2個(gè)冷凝器的冷媒量進(jìn)行控制，需在冷卻塔進(jìn)水管上設(shè)置電動(dòng)閥，利用高溫制冷劑優(yōu)先流向低溫處的原理，調(diào)節(jié)進(jìn)入冷卻塔的水量，從而調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)冷凝器的水溫，調(diào)節(jié)進(jìn)入2個(gè)冷凝器的冷媒量。

圖2 全熱回收預(yù)熱生活熱水原理圖

當(dāng)預(yù)熱罐的水溫T值低于設(shè)定值時(shí)，表明供熱量不足，則調(diào)節(jié)三通閥開(kāi)度，減少進(jìn)入冷卻塔的水量，提高標(biāo)準(zhǔn)冷凝器冷媒溫度，促使部分冷媒流向熱回收冷凝器；當(dāng)T值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則關(guān)閉熱回收循環(huán)泵，調(diào)節(jié)三通閥使冷卻水全部流經(jīng)冷卻塔，如圖2所示。

如熱回收比例為100%時(shí)，則不設(shè)電動(dòng)閥。當(dāng)T值低于設(shè)定值，關(guān)閉冷卻塔及冷卻泵，開(kāi)啟熱回收循環(huán)泵進(jìn)行熱回收；當(dāng)T值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則關(guān)閉熱回收循環(huán)泵，開(kāi)啟冷卻泵及冷卻塔。

常規(guī)冷水機(jī)組供水溫度恒定，一般根據(jù)回水溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷：當(dāng)回水溫度低于設(shè)定值時(shí)，表明需冷量變小，冷水機(jī)組自動(dòng)卸載；當(dāng)回水溫度高于設(shè)定值時(shí)，表明需冷量變大，冷水機(jī)組自動(dòng)加載。

為了盡量使熱回收機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行以保證熱水要求，應(yīng)使熱回收機(jī)組從冷水回水的高溫處即在供回水旁通之前進(jìn)水，避免熱回收機(jī)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(jī)組優(yōu)先旁通

4 空調(diào)冷水、冷卻水水源熱泵熱回收

水源熱泵機(jī)組熱水溫度可達(dá)60 ℃以上，不需再熱即可滿(mǎn)足酒店熱水需求，而且熱泵機(jī)組可按制熱優(yōu)先的模式控制運(yùn)行，即根據(jù)熱水的回水溫度而不是冷水回水溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)熱負(fù)荷。

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

4.1 空調(diào)冷水水源熱泵熱回收

熱泵機(jī)組與常規(guī)冷水機(jī)組并聯(lián)，部分空調(diào)冷水回水作為熱泵機(jī)組的熱源水，降溫后進(jìn)入回水管或供水管，熱泵機(jī)組吸取空調(diào)冷水的熱量制取熱水。

(a) (b)圖4 空調(diào)冷水水源熱泵熱回收原理圖

如圖4(a)，熱泵機(jī)組冷水出水接至回水管，回水溫度T2低于12 ℃，常規(guī)冷水機(jī)自動(dòng)卸載，熱泵機(jī)組產(chǎn)生的制冷量被常規(guī)冷水機(jī)組當(dāng)成多余冷量卸載而無(wú)法進(jìn)入末端設(shè)備，系統(tǒng)能提供的最大冷量為常規(guī)冷水機(jī)組的總?cè)萘俊?/p>

如圖4(b)，熱泵機(jī)組冷水出水接至供水管，部分熱負(fù)荷時(shí)，熱泵機(jī)組冷水出水溫度T1高于7 ℃，空調(diào)冷水系統(tǒng)供水溫度T3將高于7 ℃，造成供水溫度不穩(wěn)定，影響末端設(shè)備的運(yùn)行。

某酒店選用3臺(tái)相同制冷量的冷水機(jī)組，其中1臺(tái)為熱泵機(jī)組。當(dāng)熱負(fù)荷為20%時(shí)，熱泵機(jī)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(dāng)熱負(fù)荷與冷負(fù)荷的比值較大，部分熱負(fù)荷時(shí)空調(diào)冷水總供水溫度與設(shè)定值偏差較大，影響末端設(shè)備供冷及除濕能力，因此空調(diào)冷水源熱泵機(jī)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(tǒng)高溫出水作為熱泵機(jī)組的熱源水，降溫至T1后再與常規(guī)冷水機(jī)冷卻水混合后進(jìn)入冷卻塔。進(jìn)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(jī)組的能效，冷凝溫度每下降1 ℃，制冷效率提高3%，節(jié)能效果不如空調(diào)冷水水源熱泵。系統(tǒng)能提供的最大冷量為常規(guī)冷水機(jī)組的總?cè)萘俊?/p>

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(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷3279 kW，采暖熱負(fù)荷1300 kW，生活熱水日用量120 m3，生活熱水熱負(fù)荷700 kW；空調(diào)負(fù)荷率40%，則日平均需冷量=3279×24×0.4=31 478 kW；空調(diào)天數(shù)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(duì)幾種帶熱回收的冷熱源方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，如表4～表6所示。

方案1：無(wú)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(diào)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(shè)置鍋爐用于空調(diào)季再熱及非空調(diào)季供熱。熱回收方案中的儲(chǔ)熱設(shè)備造價(jià)均按75萬(wàn)元計(jì)，未考慮占用機(jī)房面積的因素。

表4 主機(jī)設(shè)備配置及造價(jià)表

表5 其他設(shè)備配置及造價(jià)表

表6 空調(diào)季制冷、制熱運(yùn)行費(fèi)用及回收期計(jì)算表

由以上分析可見(jiàn)，方案3回收期最短；方案4運(yùn)行費(fèi)用最低。

6 結(jié)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(jī)組制冷效率下降較大，熱回收出水溫度應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

(3)為了盡量使熱回收機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行以保證熱水要求，應(yīng)使熱回收機(jī)組優(yōu)先并聯(lián)。

(4)空調(diào)冷水水源熱泵冷水出水接至冷水系統(tǒng)回水管時(shí)，常規(guī)冷水機(jī)組回水溫度降低而自動(dòng)卸載，系統(tǒng)能提供的最大冷量為常規(guī)冷水機(jī)組的總冷量，但冷水系統(tǒng)供水溫度恒定。

(5)空調(diào)冷水水源熱泵冷水出水接至冷水系統(tǒng)供水管時(shí)，系統(tǒng)能提供的最大冷量為熱泵機(jī)組和常規(guī)冷水機(jī)組的總冷量；但熱負(fù)荷變化時(shí)，冷水系統(tǒng)供水溫度不穩(wěn)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(jié)能效果不如空調(diào)冷水水源熱泵熱回收系統(tǒng)。