空調(diào)余熱回收利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

邸泓源，李恒凡

(華北電力大學(xué) 動(dòng)力工程系，河北 保定 071000)

1 前 言

近年來，隨著人民生活水平的提高，空調(diào)已經(jīng)進(jìn)入千家萬戶，而空調(diào)在使用過程中，工質(zhì)經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后要釋放大量的冷凝熱，這些熱量通常通過風(fēng)冷冷卻后排放到大氣中，引起熱量的浪費(fèi)和廢熱污染[1-3]。據(jù)美國能源署統(tǒng)計(jì)：空氣壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)真正用于增加空氣勢能所消耗的電能只占總耗電量的15%，約85%的電能轉(zhuǎn)化為熱能排放到大氣中。目前，我國家庭生活熱水一般采用電加熱或燃?xì)饧訜岬确绞将@得，需要消耗大量的一次能源。如果能夠?qū)⒖照{(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)排放的熱量回收，將冷凝熱應(yīng)用在生活熱水的制取過程中，不僅能夠降低冷凝熱的排放，減少廢熱污染，還能夠制取一定量的生活熱水，節(jié)約相當(dāng)可觀的能量。

2 余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

空調(diào)余熱回收系統(tǒng)將空調(diào)中工質(zhì)冷凝產(chǎn)生的熱量與家用熱水用能系統(tǒng)合理銜接，通過套管式換熱器、余熱循環(huán)泵以及余熱儲(chǔ)熱罐等裝置實(shí)現(xiàn)對冷凝熱的回收利用，將該部分廢熱用于對生活熱水的預(yù)熱，提高其基礎(chǔ)水溫，而后經(jīng)過熱水器加熱至不同水溫，以滿足不同生活需求。

本文設(shè)計(jì)的空調(diào)外機(jī)熱量回收系統(tǒng)的主要設(shè)備由空調(diào)系統(tǒng)(室內(nèi)換熱器、壓縮機(jī)、室外換熱器、四通換向閥和節(jié)流裝置)、余熱回收存儲(chǔ)系統(tǒng)(循環(huán)水泵、套管式換熱器、調(diào)節(jié)閥門和帶電輔熱的儲(chǔ)熱水箱)、供用水系統(tǒng)三部分組成，該系統(tǒng)工藝原理圖如圖1所示。

圖1 工藝原理圖

通過對系統(tǒng)中設(shè)置的電磁閥的控制，可以實(shí)現(xiàn)3種模式。

1.制冷結(jié)合制熱水模式：在夏季開始制冷模式時(shí)，壓縮后的高溫工質(zhì)首先通過套管式換熱器，將壓縮工質(zhì)的熱量傳遞給套管換熱器外管的水中加以回收，然后通過室外換熱器、節(jié)流裝置、室內(nèi)換熱器，對室內(nèi)環(huán)境制冷，最后流回壓縮機(jī)。該過程中，壓縮機(jī)出口工質(zhì)首先通過套管換熱器，其換熱效果好，增大了工質(zhì)的過冷度，提高了空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能，不僅實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)制冷，還回收了冷凝熱，得到了一定量的生活熱水。

2.制熱結(jié)合制熱水模式：在冬季開啟制熱模式時(shí)，壓縮機(jī)出口的高溫高壓工質(zhì)首先通過套管換熱器釋放一定的熱量，然后通過室內(nèi)換熱器對室內(nèi)放熱，再通過節(jié)流裝置、室外換熱器，在室外換熱器中吸收室外熱量后，返回壓縮機(jī)中。不僅實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)供熱，還可得到一定量的熱水，如果室內(nèi)供熱需求量大，可先屏蔽套管式換熱器，將熱量全部用于室內(nèi)供熱，滿足人們對供熱的需求；如果同時(shí)有供熱和供熱水兩種需求，可通過調(diào)整循環(huán)水泵的流量來調(diào)整供熱水和供熱的比例大小，以滿足人們的需求。

3.純制熱水模式：在春秋季不需要供熱和制冷，僅需要供應(yīng)熱水時(shí)，需屏蔽室內(nèi)換熱器，壓縮機(jī)出口工質(zhì)首先通過套管式換熱器釋放熱量，然后通過節(jié)流裝置、室外換熱器，在室外換熱器中吸收室外熱量后，返回壓縮機(jī)。此過程充分利用空調(diào)系統(tǒng)(熱泵系統(tǒng))制熱系數(shù)高的特點(diǎn)，在消耗較少能量的基礎(chǔ)上，即可得到一定量的生活熱水。

2.2 運(yùn)行方式

針對不同的運(yùn)行模式，該系統(tǒng)具有不同的運(yùn)行方式，下文對不同模式時(shí)系統(tǒng)的不同運(yùn)行方式進(jìn)行介紹。

2.2.1制冷結(jié)合制熱水模式運(yùn)行方式

1.當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)開啟，換向閥調(diào)整好后，斷開電磁閥K1、K2和K3，監(jiān)測壓縮機(jī)出口溫度T2，當(dāng)T2大于儲(chǔ)熱水箱出口溫度T4時(shí)，開啟循環(huán)水泵及其調(diào)節(jié)閥門，循環(huán)水通過套管式換熱器與壓縮機(jī)出口的工質(zhì)進(jìn)行熱量交換，在套管式換熱器中，制冷工質(zhì)在內(nèi)管內(nèi)流動(dòng)，循環(huán)水在外管內(nèi)流動(dòng)，且流動(dòng)方向相反。經(jīng)過換熱后，空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)溫度降低而循環(huán)水溫度升高，監(jiān)測套管式換熱器內(nèi)管出口處溫度T3：當(dāng)T3達(dá)到進(jìn)入節(jié)流裝置的要求時(shí)，可不開啟室外換熱器上的風(fēng)機(jī)M2且閉合電磁閥K2，屏蔽室外換熱器，降低工質(zhì)流動(dòng)的阻力，并減少風(fēng)機(jī)M2電能消耗；若T3溫度仍較高不滿足直接進(jìn)入節(jié)流裝置的要求，也可適當(dāng)降低風(fēng)機(jī)M2的功率，降低電能消耗。降溫后的制冷工質(zhì)通過節(jié)流裝置、室內(nèi)換熱器對室內(nèi)制冷。

2.隨著空調(diào)系統(tǒng)和預(yù)熱回收存儲(chǔ)系統(tǒng)的長時(shí)間運(yùn)行，儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的水溫逐漸升高，冷卻水通過套管換熱器的吸熱量降低，使得制冷工質(zhì)通過套管式換熱器后的溫度T3升高，不能滿足低溫要求時(shí)，斷開電磁閥K2，打開風(fēng)機(jī)M2輔助降溫，保證空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的溫度較高，達(dá)到生活用水所需上限值時(shí)，預(yù)熱回收存儲(chǔ)系統(tǒng)停運(yùn)，關(guān)閉循環(huán)水泵M1，閉合電磁閥K1，風(fēng)機(jī)M2正常工作。

2.2.2制熱結(jié)合制熱水模式運(yùn)行方式

1.當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)開啟，換向閥調(diào)整好后，斷開電磁閥K2和K3，閉合電磁閥K1，壓縮機(jī)出口高溫高壓工質(zhì)通過室內(nèi)換熱器對室內(nèi)放熱，滿足人們的需求，然后通過節(jié)流裝置、室外換熱器，在室外換熱器中吸收外界環(huán)境的熱量，流回至壓縮機(jī)，完成整個(gè)循環(huán)過程。

2.當(dāng)人們對制熱的需求降低后，可斷開電磁閥K1，使得壓縮機(jī)出口工質(zhì)首先通過套管式換熱器，加熱生活用水，然后依次通過室內(nèi)換熱器、節(jié)流裝置和室外換熱器，回流至壓縮機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)制熱和制生活熱水兩種目標(biāo)。

2.2.3純制熱水模式運(yùn)行方式

1.當(dāng)空調(diào)開啟后，斷開電磁閥K1、K2，閉合電磁閥K3，從而屏蔽室內(nèi)換熱器。

2.壓縮機(jī)出口高溫高壓工質(zhì)在套管式換熱器中放熱加熱生活用水，然后通過節(jié)流裝置、室外換熱器，通過室外換熱器吸收環(huán)境熱量，流回壓縮機(jī)，完成整個(gè)循環(huán)過程，實(shí)現(xiàn)加熱生活熱水的目標(biāo)。

3.當(dāng)生活中需用熱水時(shí)，儲(chǔ)熱水箱內(nèi)經(jīng)預(yù)熱后的熱水流出，供居民使用。

3 家庭裝置改造示意圖

結(jié)合上述工藝原理圖，對現(xiàn)有的家用空調(diào)和電熱水器進(jìn)行相應(yīng)的改造，改造方案如下：

1.在空調(diào)壓縮機(jī)出口至換向閥之間的管道上并聯(lián)一個(gè)套管式換熱器，原管道安裝一個(gè)電磁閥。

2.從電熱水器出水口處引出一管道，安裝循環(huán)水泵，使得電熱水器出口水通過循環(huán)水泵進(jìn)入套管式換熱器外管，將回水連接到電熱水器進(jìn)水管管路。

3.在電熱水器進(jìn)出水管上各安裝一個(gè)單向閥。

4.空調(diào)系統(tǒng)原有室外換熱器和室內(nèi)換熱器各安裝旁路及相應(yīng)的電磁閥。

改造完成后相應(yīng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 家庭改造示意圖

由圖2可知，采用本系統(tǒng)對家庭中原有電器(空調(diào)系統(tǒng)和電加熱器)進(jìn)行改造，其改造的幅度非常小，僅需增加1個(gè)套管式換熱器、1臺(tái)循環(huán)水泵、3個(gè)電磁閥(冷凝器旁路電磁閥圖2中未畫出)、2個(gè)單向閥和相應(yīng)的管道設(shè)備。以上改造成本大約在1500元。

4 系統(tǒng)理論計(jì)算

4.1 空調(diào)運(yùn)行過程理論計(jì)算

家用空調(diào)運(yùn)行過程中理論計(jì)算基于以下條件：

1.夏季制冷工況取冷凝溫度56℃，節(jié)流前的制冷劑液體過冷度9℃，蒸發(fā)溫度10℃，吸氣管路過熱度12℃。

2.冬季制熱工況取冷凝溫度40℃，節(jié)流前的制冷劑液體過冷度9℃，蒸發(fā)溫度-1℃，吸氣管路過熱度7℃。

3.制冷劑選擇R134a。

家用空調(diào)器制冷/制熱循環(huán)過程p-h圖如圖3。

圖3 循環(huán)過程p-h圖

表1、表2為制冷/制熱熱循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)，由表1、表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算。

表1 制冷熱循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)(數(shù)據(jù)來源：COOLPACK)

表2 制熱熱循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)(數(shù)據(jù)來源：COOLPACK)

1.在制冷循環(huán)過程中：

單位質(zhì)量的制冷量：q0=h2-h7=410.72-277.71=133.01 kJ/kg

冷凝單位熱負(fù)荷：qk=h3-h6=452.55-277.71=174.84 kJ/kg

比功：W0=h3-h2=452.55-410.72=41.83 kJ/kg

性能系數(shù)：COP=q0/W0=133.01/41.83=3.2

2.在制熱循環(huán)過程中：

單位質(zhì)量的吸熱量：q0′=h2′-h7′=399.36-242.91=156.45 kJ/kg

冷凝單位熱負(fù)荷：qk′=h3′-h6′=448.49-242.91=205.58 kJ/kg

比功：W0′=h3′-h2′=448.49-399.36=49.13 kJ/kg

性能系數(shù)：COP′=qk′/W0′=205.58/49.13=4.18

4.2 余熱回收加熱時(shí)間計(jì)算

套管式換熱器吸收空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱對水進(jìn)行加熱，其計(jì)算條件如下：

1.按GB 50015—2003《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》熱水用水定額表，有自備熱水供應(yīng)和沐浴設(shè)備的住宅每人每日用水定額為40～80 L[4]。夏季熱水50 L/(人·d)，春秋冬季熱水用量取40 L/(人·d)，以3口之家為例，夏季家庭日均熱水用水量V1=150 L，春秋冬季家庭日均熱水用水量V2=120 L。

2.京津冀地區(qū)夏季自來水溫度取18℃，要求得到熱水的溫度為42℃，溫升Δt1=24℃；春秋季自來水溫度取15℃，要求得到熱水的溫度為43℃，溫升Δt2=28℃；冬季自來水溫度取12℃，要求得到熱水的溫度為43℃，溫升Δt3=31℃。

3.空調(diào)額定制冷量為3500 W(1.5匹)，額定制熱量為3950 W。

4.該系統(tǒng)夏季運(yùn)行時(shí)，套管式換熱器回收冷凝熱量的平均比例Ψ=50%。

夏季該系統(tǒng)處于制冷結(jié)合制熱水模式時(shí)產(chǎn)生的冷凝熱：

春秋季該系統(tǒng)處于制熱水模式，產(chǎn)生的熱量即為該系統(tǒng)的制熱功率：

φ2=3.95 kW

冬季該系統(tǒng)處于制熱結(jié)合制熱水模式，產(chǎn)生的熱量即為：

0≤φ2≤3.95 kW

當(dāng)產(chǎn)生的熱量全部用于制熱時(shí)，制熱水功率為0 kW；當(dāng)全部熱量用于制熱水時(shí)，則制熱水功率為3.95 kW，取Ψ′=30%用于加熱熱水。

則夏季制取150 L生活熱水所需的時(shí)間為：

春秋季制取120 L生活熱水所需的時(shí)間為：

冬季制取120 L生活熱水所需的最短時(shí)間為：

式中，cp表示水的比熱容，kJ/(kg·K)；ρ表示水的密度，kg/L。

經(jīng)計(jì)算可知，從一臺(tái)額定制冷量為3500 W(1.5匹)、額定制熱功率為3950 W的家用空調(diào)吸收冷凝熱，夏季時(shí)每天僅需1.82 h即可制取42℃熱水150 L，春秋季每天僅需0.988 h即可制取43℃熱水120 L，冬季每天最短僅需3.65 h即可制取43℃熱水120 L。以上計(jì)算基于最大溫差換熱情況，隨著水溫的升高，換熱溫差變小，換熱效率下降，最終加熱的時(shí)間會(huì)適當(dāng)延長。

5 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

計(jì)算采用該系統(tǒng)與純電加熱或純?nèi)細(xì)饧訜嵯鄳?yīng)熱水時(shí)，在整一年的過程中，各系統(tǒng)的耗能量。

計(jì)算過程中采用如下假設(shè)條件：

1.京津冀地區(qū)是溫帶大陸性氣候，夏季炎熱、冬季寒冷、春秋季短暫，故將全年劃分為三種情況，夏季、春秋季和冬季天數(shù)分別為D1=100 d，D2=140 d，D3=120 d。

2.采用電加熱時(shí)，熱效率為η1=0.90。

3.采用燃?xì)饧訜釙r(shí)，熱效率為η2=0.85。

4.電的熱值取E1=3600 kJ/(kW·h)，天然氣的熱值取E2=35 500 kJ/Nm3。

5.京津冀地區(qū)電價(jià)取F1=0.52元/(kW·h)，天然氣價(jià)格取F2=2.68元/m3。

當(dāng)采用純電加熱制取熱水時(shí)，其消耗電能為：

=1815.3 kW·h

所以，用電總運(yùn)行成本為：

C1=F1×W1=0.52×1815.3=943.95 元

當(dāng)采用純?nèi)細(xì)饧訜嶂迫崴畷r(shí)，其消耗燃?xì)鉃椋?/p>

=194.92m3

所以，用燃?xì)饪傔\(yùn)行成本為：

C2=F2×W2=2.68×194.92=522.37 元

當(dāng)采用本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)制取熱水時(shí)，因?yàn)橄募局茻崴畷r(shí)，收集回收了冷凝熱，制熱水沒有單獨(dú)消耗電能；冬季運(yùn)行時(shí)，將制熱和制熱水分開計(jì)算，僅計(jì)算用于制熱水所消耗的電能；春秋季所有熱量用于制熱水，則全年期限內(nèi)該系統(tǒng)消耗電能為：

=290.80 kW·h

所以，本文系統(tǒng)的總運(yùn)行成本為：

C3=F1×W3=0.52×290.80=151.15 元

經(jīng)計(jì)算，對比上述三種系統(tǒng)的運(yùn)行成本可知，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行成本最低，僅為151.15元/a，燃?xì)鉄崴鬟\(yùn)行成本次之，為522.37元/a，采用純電加熱熱水的運(yùn)行成本最高，為943.95元/a。采用本系統(tǒng)加熱熱水較純電加熱系統(tǒng)，年節(jié)省運(yùn)行成本792.80元，相較于純?nèi)細(xì)庀到y(tǒng)，年節(jié)省運(yùn)行成本371.22元。

結(jié)合圖2分析，系統(tǒng)改造成本為1500元左右，采用本系統(tǒng)相較于純電加熱系統(tǒng)，在1.89 a的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，可回收投資成本；相較于純?nèi)細(xì)饧訜嵯到y(tǒng)，在4.04 a的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，可回收投資成本。

綜合對比上述三種系統(tǒng)的運(yùn)行成本及回收期，其經(jīng)濟(jì)性對比如表2所示。

表2 經(jīng)濟(jì)性對比

6 系統(tǒng)裝置及其運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究

6.1 實(shí)物模型

根據(jù)前文的理論分析及設(shè)計(jì)，加工制作了能夠?qū)崿F(xiàn)制冷結(jié)合制熱水的系統(tǒng)實(shí)物模型。在加工制造過程中，為了節(jié)約成本對該系統(tǒng)進(jìn)行了適當(dāng)簡化，該系統(tǒng)模型主要由制冷系統(tǒng)(壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、套管式冷凝器、節(jié)流裝置)，余熱儲(chǔ)存回收系統(tǒng)(儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)泵和相應(yīng)的管路)兩部分組成，供用水系統(tǒng)沒有體現(xiàn)，制冷系統(tǒng)中沒有設(shè)置冷凝器，采用套管式換熱器實(shí)現(xiàn)余熱回收和冷凝制冷工質(zhì)的功能。系統(tǒng)的實(shí)物模型如圖4所示。

圖4 實(shí)物模型

6.2 性能試驗(yàn)

本次試驗(yàn)主要測量余熱回收儲(chǔ)存系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水的溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化，從而對該系統(tǒng)的可行性進(jìn)行確認(rèn)，并分析驗(yàn)證其運(yùn)行效果。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膲嚎s機(jī)的制冷功率約為150 W，制冷工質(zhì)為R134a，循環(huán)水箱的儲(chǔ)水量為20 L，初溫為15℃。通過調(diào)整循環(huán)水泵出口處調(diào)節(jié)閥門的開度，控制循環(huán)水流速，共進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)，圖5給出了不同閥門開度時(shí)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水溫隨時(shí)間的變化趨勢。圖5中實(shí)線表示理論計(jì)算的溫度變化隨時(shí)間的變化，即壓縮機(jī)產(chǎn)生的冷凝熱全部被吸收時(shí)，儲(chǔ)熱水箱內(nèi)溫度的變化情況；其他三條曲線分別表示閥門開度分別為100%，70%和40%時(shí)，儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水溫的實(shí)測值變化情況。由圖可知,100%閥門開度時(shí)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水溫的變化的實(shí)測值與理論計(jì)算值基本重合，特別是在儲(chǔ)熱水箱內(nèi)溫度較低時(shí)，隨著溫度的升高，套管換熱器的換熱效果變差，沒有被吸收的冷凝熱逐漸增多，使得儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水溫升高變的越來越緩慢；當(dāng)閥門開度分別為70%或40%時(shí)，由于循環(huán)水量的減少，降低了套管換熱器中的換熱系數(shù)，部分冷凝熱沒有被循環(huán)水吸收，儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水溫的升溫速度降低。通過對實(shí)物模型的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該系統(tǒng)理論計(jì)算的正確性和運(yùn)行的可靠性。

圖5 儲(chǔ)熱水箱溫度隨時(shí)間的變化