熱回收對水冷冷水機組的影響分析

吳小衛(wèi),趙 迅,陳祖銘,唐 磊

(1.華南理工大學 華南理工大學建筑設計研究院有限公司,廣東 廣州 510000;2.華南理工大學 電力學院,廣東 廣州 510000)

0 引言

“雙碳”戰(zhàn)略倡導綠色低碳,將水冷冷水機組排放到大氣的冷凝廢熱全部或部分回收,供給建筑物生活熱水之用,是目前日益受到重視的環(huán)保節(jié)能手段之一[1]。鄒立成等人利用Trnsys軟件建立模型得出生活熱水量相對冷凝熱比例越高,采用全熱回收系統(tǒng)的熱回收量越大,熱回收效果越好[2]。崔科等人提出了一種新型數(shù)據(jù)中心冷卻和余熱回收方案,并對該方案進行了技術(shù)分析,結(jié)果表明采用余熱回收降低了運行成本,減少了居民對生活熱水用熱的需求[3]。Cuce等人對當前典型的冷水機組熱回收技術(shù),通過針對不同冷水機組熱回收技術(shù)的理論、實驗和模擬以及對冷水機組熱回收技術(shù)未來前景的探討,得出冷水機組熱回收系統(tǒng)對降低建筑能耗效果明顯,可顯著減少碳排放[4]。本文基于某型號的水冷冷水機組,量化研究分析熱回收過程中各因素對冷水機組能效的影響。

1 水冷冷水機組性能及其熱回收溫度和熱量的理論分析

水冷冷水機組有兩種常見的熱回收模式,一種是部分熱回收,僅回收過熱段的熱量,也稱之為顯熱回收。另一種是全熱回收,回收過熱段和凝結(jié)段的全部熱量,也稱之為潛熱回收[5]。

1.1 全熱回收

對于全熱回收,理論上回收熱水溫度可以無限接近飽和冷凝溫度,但實際上會存在一定的換熱溫差,因此全熱回收熱水溫度(即冷卻水溫度)通常較飽和冷凝溫度低2 ℃左右。全熱回收的熱量即水冷冷水機組的散熱量,故全熱回收的回收比為100%。由能量守恒定律可得,全熱回收量為[6]

ωa=ωo+Pin

(1)

ta=t-2

(2)

式中ωa——制冷劑通過冷水機組冷凝器時放出的熱量即全熱回收量/kW;

ωo——制冷量/kW;

Pin——輸入功率/kW;

ta——全熱回收熱水溫度/℃;

t——飽和冷凝溫度/℃。

1.2 部分熱回收

對于部分熱回收,理論上回收熱水溫度可以無限接近排氣溫度,但實際上顯熱回收冷媒側(cè)沒有相態(tài)變化,導致冷媒換熱系數(shù)較低,因此熱水溫度一般比排氣溫度要低10 ℃以上。部分熱回收的熱量可通過Refprop軟件查詢得排氣溫度下冷媒飽和壓力及焓值后計算。部分熱回收比及回收量計算公式如下所示

ωb=θ(hp-hb)/3 600

(3)

δ=ωb/ωo

(4)

tb=tp-10

(5)

式中ωb——部分熱回收熱量/kW;

θ——冷媒質(zhì)量流量/kg·h-1;

hp——排氣溫度對應焓值/kJ·kg-1;

hb——飽和冷凝溫度對應焓值/kJ·kg-1;

δ——熱回收回收比;

tb——部分熱回收熱水溫度/℃;

tp——排氣溫度/℃。

1.3 基本運行參數(shù)

首先設定水冷冷水機組的基本運行參數(shù)如表1所示。

表1 水冷冷水機組基本運行參數(shù)

該運行參數(shù)即為水冷冷水機組常規(guī)制冷設計工況:冷凍水出水溫度為7 ℃(飽和蒸發(fā)溫度為5 ℃),冷卻水出水溫度為37 ℃(飽和冷凝溫度為39 ℃)。

圖1為水冷冷水機組制冷循環(huán)示意圖。

圖1 水冷冷水機組制冷循環(huán)示意圖

本文僅針對水冷冷水機組滿負荷運行工況進行分析,計算得到的熱回收溫度和熱量均為滿負荷運行時的最大值。如果水冷冷水機組在室外濕球溫度低或部分負荷等情況下運行,則冷媒流量減少,熱回收溫度及熱量會相應降低。受限于篇幅,本文未對部分負荷工況下水冷冷水機組熱回收溫度和熱量進行討論。

2 水冷冷水機組運行參數(shù)對熱回收溫度、熱量以及機組性能的影響

水冷冷水機組的冷媒、飽和冷凝溫度、吸氣過熱度、冷凝過冷度等運行參數(shù)均和機組性能及其熱回收溫度、熱量密切相關[7-9],其在影響主機性能的同時也會對熱回收溫度和熱量產(chǎn)生非線性的耦合影響。下文將對上述運行參數(shù)逐一進行分析。

2.1 冷媒與水冷冷水機組性能及其熱回收溫度、熱量的關系

根據(jù)某專業(yè)廠家的在線選型軟件得出300Y-38D水冷冷水機組采用不同冷媒時制冷情況如表2所示(按基本參數(shù)運行)。

表2 不同冷媒在300Y-38D冷水機組的性能參數(shù)

由前文式(1)～(5)可得水冷冷水機組分別采用R134a、R513a及R22冷媒時的熱回收溫度和熱量,計算結(jié)果如表3所示。

表3 R134a、R513a及R22的熱回收熱水溫度和熱回收熱量

表2、表3數(shù)據(jù)說明:R134a和R513a冷媒的水冷冷水機組COP顯著高于R22冷媒的水冷冷水機組。在熱回收方面,R22冷媒的水冷冷水機組部分熱回收溫度較R134a和R513a是最高的,分別是56.9℃、40.4℃、36.3℃;R22冷媒的水冷冷水機組部分熱回收熱量也較R134a和R513a是最高的,分別是100.1 kW、52.6 kW、40.2 kW,部分熱回收回收比分別是15.6%,8.1%,6.0%。

由此可見,不同冷媒對冷水機組的性能及其熱回收溫度、熱量均有著比較大的影響。當前市場上R134a是水冷冷水機組最常用冷媒,因此下文將使用R134a冷媒來進一步分析。

2.2 飽和冷凝溫度與水冷冷水機組性能及其熱回收溫度、熱量的關系

根據(jù)某專業(yè)廠家的在線選型軟件得出R134a冷媒的300Y-38D機組在不同飽和冷凝溫度下的性能參數(shù)如表4所示(除飽和冷凝溫度外其它基本運行參數(shù)不變)。

表4 不同飽和冷凝溫度300Y-38D水冷冷水機組的性能參數(shù)

由前文式(1)～(5)可得在不同飽和冷凝溫度下的熱回收溫度和熱量,計算結(jié)果如表5所示。

表5 不同飽和冷凝溫度300Y-38D水冷冷水機組的熱回收溫度和熱量

從上表可得知,水冷冷水機組在其它運行參數(shù)相同的情況下,飽和冷凝溫度越高,水冷冷水機組的COP越低,變化幅度在3%/℃左右;部分熱回收及全熱回收的溫度跟隨飽和冷凝溫度同步提高,提高幅度為1 ℃/℃左右;部分熱回收回收比也跟著提高。

飽和冷凝溫度越高,熱回收的效果越好,但與此同時冷水機組的能效會下降,因此在分析水冷冷水機組熱回收節(jié)能效果時需把制冷系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)作為一個整體來分析其經(jīng)濟性及運行效率。

該制冷過程在壓焓圖上的示意如圖2所示。

圖2 不同飽和冷凝溫度壓焓圖

2.3 吸氣過熱度與水冷冷水機組性能及其熱回收溫度、熱量的關系

根據(jù)某專業(yè)廠家的在線選型軟件得出R134a冷媒的300Y-38D機組在不同吸氣過熱度下的性能參數(shù)如表6所示(除吸氣過熱度外其它基本運行參數(shù)不變)

表6 不同吸氣過熱度300Y-38D水冷冷水機組的性能參數(shù)

由前文式(1)～(5)可得在不同吸氣過熱度下的熱回收熱水溫度和熱量,計算結(jié)果如表7所示。

表7 不同吸氣過熱度300Y-38D水冷冷水機組的熱回收溫度和熱量

從上表可知,水冷冷水機組在其它運行參數(shù)相同的情況下,吸氣過熱度對機組COP的影響較小,可忽略不計,但吸氣過熱度對排氣溫度有比較大的影響,排氣溫度跟隨吸氣過熱度同步提高,部分熱回收熱水溫度和熱量也會隨之提高,溫度提高幅度為1 ℃/℃左右,部分熱回收回收比提高幅度為0.6%/℃左右。

吸氣過熱度越高,部分熱回收的效果越好,但對全熱回收效果影響微小。

該制冷過程在壓焓圖上的示意如圖3所示。

圖3 不同吸氣過熱度壓焓圖

2.4 冷凝過冷度與水冷冷水機組性能及其熱回收溫度、熱量的關系

根據(jù)某專業(yè)廠家的在線選型軟件得出R134a冷媒的300Y-38D機組在不同冷凝過冷度下的性能參數(shù)如表8所示(除冷凝過冷度外其它基本運行參數(shù)不變)

表8 不同冷凝過冷度300Y-38D水冷冷水機組的性能參數(shù)

由前文式(1)～(5)可得在不同冷凝過冷度下的熱回收溫度和熱量如表9所示。

表9 不同冷凝過冷度300Y-38D水冷冷水機組的熱回收溫度和熱量

從上表可知,水冷冷水機組在其它運行參數(shù)相同的情況下,冷凝過冷度不同,水冷冷水機組的COP不同,COP隨著冷凝過冷度的增大而升高,變化幅度在1%/℃左右。全熱回收的熱量隨著冷凝過冷度的增大而增大,但回收的溫度則有所降低;部分熱回收的溫度和熱量不變。

該壓縮過程在壓焓圖上的示意圖如圖4所示。

圖4 不同冷凝過冷度壓焓圖

3 熱回收對水冷冷水機組的影響分析

前文分析了水冷冷水機組運行參數(shù)對熱回收溫度、熱量以及機組性能的影響,本節(jié)在前文的基礎上進一步探討熱回收對水冷冷水機組的影響。

在工程實踐中,水冷冷水機組熱回收分可分為兩種情況,一種是常規(guī)制冷工況下的熱回收,另一種是為了滿足生活熱水需要的非常規(guī)制冷工況下的熱回收。

3.1 常規(guī)制冷工況的熱回收對水冷冷水機組的影響

選擇部分熱回收時,水冷冷水機組由于回收了冷媒氣態(tài)顯熱,因此水冷冷水機組對應的冷卻塔需要排放的熱量減少。若此時冷卻塔運行臺數(shù)及風機運行頻率不變,則水冷冷水機組冷卻水回水(即冷卻塔的出水)溫度降低,進而可以提升水冷冷水機組的COP[10]。下面通過實例計算分析部分熱回收影響水冷冷水機組能效過程。

以一臺冷卻水進/出溫度37 ℃/32 ℃、濕球溫度28 ℃工況下流量為500 m3/h的冷卻塔為例,在不同散熱量及不同濕球溫度下獲得的冷卻水出水溫度如圖5所示。

圖5 不同濕球溫度、不同散熱量下的冷卻水出水溫度

由前文可知R134a冷媒的水冷冷水機組在常規(guī)制冷工況下,滿負荷運行時部分熱回收溫度為40.4 ℃,回收比為8.1%,因而此時冷卻塔需排走的熱量為常規(guī)制冷工況的91.9%。從圖5中查得在濕球溫度28 ℃、散熱量91.9%的冷卻塔的出水溫度為31.7 ℃,與沒有進行熱回收的水冷冷水機組對應的冷卻塔的出水溫度32 ℃下降了0.3 ℃。

由水冷冷水機組部分熱回收時對應的冷卻塔出水溫度31.7 ℃可知冷水機組的冷卻水出水溫度為36.7 ℃(冷卻水進出水5 ℃溫差),即水冷冷水機組的飽和冷凝溫度為38.7 ℃。由2.2飽和冷凝溫度對機組能效影響分析可知,如果機組的飽和冷凝溫度下降0.3 ℃,則冷水機組COP提高0.9%。因此部分熱回收會提升水冷冷水機組的能效。

在選擇全熱回收時,由(1)式可知全熱回收是全部回收了水冷冷水機組的散熱量。常規(guī)制冷工況下按水冷冷水機組的冷卻水出水溫度進行全熱回收,冷水機組COP不變。由于水冷冷水機組的散熱量被全部回收供給生活熱水使用,所以該水冷冷水機組不用再設置相應的冷卻塔,節(jié)省了項目工程冷卻塔的初投資。

3.2 常規(guī)制冷工況水冷冷水機組熱回收的溫度和熱量概況

GB50015-2019《民用建筑給排水規(guī)范》[11]規(guī)定:集中熱水供應系統(tǒng)的水加熱設備出水溫度應根據(jù)原水水質(zhì)、使用要求、系統(tǒng)大小及消毒設施滅菌效果等確定,一般民用建筑(醫(yī)院、療養(yǎng)所等建筑除外)水加熱設備出水溫度應為55～60 ℃;

常規(guī)制冷工況的部分熱回收,回收的熱量較少且回收得到的熱水溫度也較低:R134a冷媒的冷水機組回收的熱量回收比在8.1%以下,熱水溫度在40.4 ℃以下。常規(guī)制冷工況的全熱回收,回收的熱量(即水冷冷水機組的散熱量)充足,但回收得到的熱水溫度較部分熱回收更低,R134a冷媒的冷水機組回收的熱水溫度在37℃以下。顯然常規(guī)制冷工況的熱回收不能直接滿足生活熱水的需求,只適用于生活熱水預熱。

3.3 非常規(guī)制冷工況熱回收對水冷冷水機組的影響

為了獲得更高的熱回收溫度,水冷冷水機組需要在非常規(guī)制冷工況下運行。

按前文分析,水冷冷水機組冷媒的選擇會影響熱回收溫度和熱量,但水冷冷水機組冷媒的選用需要綜合衡量多方面因素,如冷媒對水冷冷水機組性能的影響、冷媒的溫室效應、冷媒對臭氧層破壞程度、冷媒價格等等因素,所以通常不考慮通過改變水冷冷水機組的冷媒來提高熱回收溫度和熱量。

提高水冷冷水機組的飽和冷凝溫度可以提高熱回收溫度和熱量,但同時也會導致水冷冷水機組COP的下降,COP降低幅度為3.0%/℃左右。

提高水冷冷水機組的吸氣過熱度可提高熱回收溫度和熱量,但需要增大冷水機組蒸發(fā)器的換熱面積,導致水冷冷水機組造價增加,且熱回收溫度和熱量提高的幅度不大,故在實際工程比較中需要進一步分析該方法的經(jīng)濟性。

增加水冷冷水機組的冷凝過冷度可提高機組的COP,對部分熱回收的溫度和熱量沒影響,會提升全熱回收的熱量,但全熱回收的溫度則會有小幅降低。增加水冷冷水機組的冷凝過冷度需要增大冷水機組冷凝器的換熱面積,導致水冷冷水機組造價增加,對熱回收幫助很少,故在實際工程中很少采用增加水冷冷水機組的冷凝過冷度這種方法來改善熱回收效果。

4 結(jié)論

(1)本文通過計算發(fā)現(xiàn),水冷冷水機組的冷媒不同,其能效及其熱回收溫度和熱量不同。飽和冷凝溫度越高,熱回收的效果越好,但機組的能效越低。吸氣過熱度越高,部分熱回收的效果越好,全熱回收的效果變化微小,機組的能效也變化不大。冷凝過冷度越大,機組的能效隨之增大,全熱回收的熱量越高但回收溫度有所下降,部分熱回收的溫度和熱量不變。

(2)常規(guī)制冷工況熱回收不影響主機的性能和造價,但熱回收溫度較低。

(3)非常規(guī)制冷工況熱回收會降低水冷冷水機組COP或提高水冷冷水機組造價。

(4)在工程項目中常用的提高熱回收效果的方法是提高水冷冷水機組的飽和冷凝溫度,但水冷冷水機組COP會降低約3%/℃。