熱風(fēng)熱泵機(jī)組熱回收的可行性及形式

熱風(fēng)熱泵機(jī)組熱回收的可行性及形式

1回收技術(shù)應(yīng)用隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，使用空調(diào)的使用越來越受歡迎，總能耗的比例也在增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),上海市近年來部分辦公大樓空調(diào)用電負(fù)荷約占夏季用電高峰負(fù)荷的70%。該領(lǐng)域的節(jié)能技術(shù)對于提高能效、節(jié)約能源具有重要意義。熱回收技術(shù)作為空調(diào)節(jié)能的重要手段之一受到業(yè)內(nèi)的高度重視,近年來取得較快的發(fā)展,市場上韓國金星高科、北京清華同方、廣州日立、廣州哈思、廣州威爾、上海三菱電機(jī)等品牌的風(fēng)冷熱回收機(jī)組已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活實(shí)踐。熱泵熱回收形式與單冷式空調(diào)冷凝熱回收形式相比,可以全年供應(yīng)生活熱水,節(jié)省了鍋爐等其它輔助熱源的建設(shè)投資,因而具有更廣闊的應(yīng)用空間。2回收冷凝器熱加熱生活熱水空調(diào)制冷循環(huán)放出的熱量可按下式計(jì)算Q放熱=Q制冷量+Q壓縮機(jī)功率按照制冷系數(shù)為2.5計(jì)算,則循環(huán)放熱量為冷負(fù)荷的1.4倍左右。設(shè)計(jì)中一般取冷負(fù)荷指標(biāo)為100～150W∕m2,可見制冷機(jī)冷凝熱量相當(dāng)龐大。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),大量冷凝熱排入大氣,造成了嚴(yán)重?zé)嵛廴?同時(shí)也惡化了空調(diào)工作環(huán)境,導(dǎo)致COP值下降。生活熱水一般是通過燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t或電鍋爐獲得,加劇了能源緊缺和環(huán)境污染問題。將冷凝熱回收用于加熱生活熱水,可以達(dá)到一舉兩得的目的。風(fēng)冷機(jī)組壓縮機(jī)排氣溫度在70℃左右,通過合適的換熱器設(shè)計(jì)可以達(dá)到回收冷凝熱加熱生活熱水的目的,夏季可基本滿足需要。制熱運(yùn)行時(shí),空調(diào)熱水和生活熱水都需要熱量。機(jī)組總熱量可接下式計(jì)算Q機(jī)組=Q空調(diào)熱水+Q生活熱水但是由于空調(diào)負(fù)荷與熱水負(fù)荷在時(shí)間上的分布明顯不同,可在空調(diào)低負(fù)荷時(shí)段利用機(jī)組多余熱量制取生活熱水,并通過設(shè)置儲水箱達(dá)到時(shí)間上的合理匹配。3冷沖劑的使用空調(diào)冷凝熱回收技術(shù)具有可觀的節(jié)能作用,但因空調(diào)與熱水的負(fù)荷、時(shí)間、品位等匹配問題,應(yīng)用中仍需要逐步改善。國內(nèi)外專家在熱回收實(shí)現(xiàn)形式、節(jié)能分析、控制策略、蓄熱材料等方面作了大量研究。最初,人們將空調(diào)冷凝廢熱回收用于對空氣進(jìn)行二次加熱,之后,有人提出將冷凝熱用于加熱生活熱水,實(shí)現(xiàn)熱回收與制取生活熱水的結(jié)合。榮國華提出夏季直接用水冷冷凝器排熱加熱自來水。但冷卻水溫度相對較低,存在自來水與建筑負(fù)荷、冷卻水量的匹配問題。吳獻(xiàn)忠、夏波等提出直接將滿足用水量的自來水通入熱回收換熱器,用壓縮機(jī)排氣和部分冷凝熱對其加熱,高溫?zé)崴畠Υ嬖趦λ渲幸怨┱{(diào)節(jié)使用。相變蓄熱方面,劉紅娟、顧兆林在相變材料回收冷凝熱并制備生活熱水方面進(jìn)行了大量研究。用蓄熱器代替壓縮機(jī)出口的冷凝器與風(fēng)冷冷凝器或冷卻塔串聯(lián),利用冷凝器或冷卻塔排出蓄熱器不能儲存的熱量,保證系統(tǒng)安全。顧兆林、賈玉云、李云提出了兩個相變蓄熱器串聯(lián)的熱回收方法,利用三通閥控制制冷劑過熱焓的分配。根據(jù)不同相變材料的不同相變溫度,更加充分利用了回收熱。4直接式和間接式熱回收技術(shù)冷凝熱的回收方式分為直接式和間接式。間接式是利用常規(guī)空調(diào)的冷凝器側(cè)排出的高溫氣體或37℃左右的冷卻水加熱生活熱水。這種形式需增加換熱設(shè)備,換熱效率低,且生活熱水的用量、使用時(shí)間與冷凝熱量、運(yùn)行時(shí)間往往不平衡,不能取得較好的熱回收效果。直接式是指制冷劑從壓縮機(jī)出口進(jìn)入熱回收器,部分蒸汽顯熱或全部冷凝熱用來加熱生活熱水。在直接式冷凝熱回收基礎(chǔ)上,利用水或其它蓄熱材料儲存冷凝熱,可有效改善熱水用量、時(shí)間與空調(diào)冷凝熱量、運(yùn)行時(shí)間的不同步問題以及熱水與冷凝熱的品位匹配問題。4.1影響生活熱水衛(wèi)生狀況水作為蓄熱材料具有投資小,換熱效率高的優(yōu)勢,系統(tǒng)所需蓄熱設(shè)備簡單,但水的蓄熱為顯熱蓄熱,其比熱僅為4.2kJ/(kg·K),勢必要增加蓄水箱體的體積。大型蓄水設(shè)備不僅占用大量空間,且容易滋生微生物,影響生活熱水的衛(wèi)生狀況。熱水的溫度相對較低,一般采用制冷劑盤管與自來水直接換熱,不單獨(dú)設(shè)冷水盤管。4.2石蠟的復(fù)合利用空調(diào)系統(tǒng)中一般采用石蠟作為相變蓄熱材料。石蠟的熔點(diǎn)為52℃～72℃,其相變潛熱高達(dá)150～250kJ/(kg·K),蓄熱設(shè)備所需空間小;放熱過程中一般無過冷、析出現(xiàn)象,性能穩(wěn)定;但石蠟的熱導(dǎo)率和密度均較小,且由于相變蓄熱器內(nèi)要經(jīng)過制冷劑-蓄熱材料-水之間的兩次換熱過程,換熱效率被大大降低。相變蓄熱器內(nèi)設(shè)置制冷劑和冷水盤管,系統(tǒng)管路較復(fù)雜。石蠟作為相變蓄熱材料,其熔解溫度要和空調(diào)系統(tǒng)的冷凝溫度相匹配。目前,市場上供應(yīng)的石蠟熔點(diǎn)一般在50℃左右,而中央空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)冷凝溫度約為45℃,要直接利用石蠟作為蓄熱材料需要降低其熔點(diǎn)。根據(jù)溶劑中加入溶質(zhì)會降低溶劑熔點(diǎn)的理論,可在石蠟中加入一種添加劑使其熔點(diǎn)降低?？紤]到對環(huán)境的安全,可選擇香精,月桂酸等食品添加劑。5采用隱蔽水蓄熱回收系統(tǒng)方案5.1調(diào)溫器串聯(lián)水蓄熱與相變材料蓄熱兩種方式在應(yīng)用中各有利弊,因此考慮將兩種蓄熱方式結(jié)合起來,在系統(tǒng)中可以具備蓄熱量大,設(shè)備空間小,導(dǎo)熱速率快等優(yōu)點(diǎn)。具體實(shí)施方式為:在冷凝器前串聯(lián)一個相變蓄熱器和一個水蓄熱器,將壓縮機(jī)出口的高溫制冷劑引入兩級蓄熱器。相變蓄熱器作為高溫蓄熱器,蓄熱溫度控制在50℃～60℃,石蠟具有較高相變潛熱,可有效回收冷凝熱。低溫下相變材料蓄熱能力較小,且相變蓄熱器結(jié)構(gòu)較水蓄熱器復(fù)雜。因此采用水蓄熱器為低溫蓄熱器,溫度控制在冷凝溫度45℃左右。由水蓄熱器出口溫度控制制冷劑是否再經(jīng)過冷凝器,保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行和制冷效率。自來水依次通過水蓄熱器和相變蓄熱器被制冷劑所釋放的熱量加熱,輔助加熱器可使水加熱到所需更高溫度。熱泵系統(tǒng)中熱回收裝置如圖1所示。5.2系統(tǒng)執(zhí)行模式系統(tǒng)的運(yùn)行模式分為制冷模式和制熱模式。5.2.1水蓄熱器出口溫度在這種工作模式下,機(jī)組從空調(diào)水中吸收熱量,制冷同時(shí)將熱量以及壓縮機(jī)耗功通過相變蓄熱器和水蓄熱器排入生活熱水中。具體制冷流程為:閥門7、9、10關(guān)閉;閥門1、5、6、8、11開啟。壓縮機(jī)出口的高溫高壓蒸汽分別通過閥門2和3進(jìn)入風(fēng)冷冷凝器和蓄熱器。蓄熱材料通過吸熱-放熱過程將熱量從制冷劑傳到生活用水。兩個蓄熱器出口均設(shè)溫度測點(diǎn),水蓄熱器出口的制冷劑溫度控制閥門2的開度。溫度高于冷凝溫度時(shí),開大閥門2并啟動冷凝器風(fēng)機(jī),由冷凝器分擔(dān)部分冷凝負(fù)荷,反之則關(guān)小閥門。相變蓄熱器出口溫度達(dá)到冷凝溫度時(shí)開啟閥門4,制冷劑不通過水蓄熱而直接進(jìn)入冷凝器,以保證系統(tǒng)在正常高壓范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)冷冷凝器一般不開啟,當(dāng)水蓄熱器的出口溫度高于冷凝溫度時(shí),冷凝器風(fēng)機(jī)啟動。該模式下,大量的冷凝熱加熱生活熱水,而生活熱水在夏季相對較小,基本可以滿足需要。5.2.2空調(diào)負(fù)荷關(guān)閉在這種工作模式下,熱泵機(jī)組的總熱量同時(shí)供應(yīng)空調(diào)熱水和生活熱水,通過空調(diào)制熱優(yōu)先和制取生活熱水優(yōu)先兩種控制策略使之達(dá)到合理分配。具體制冷流程為:閥門4、5、8、11關(guān)閉;閥門1、2、6、7、9、10開啟。在空調(diào)負(fù)荷高峰時(shí)段,閥門3關(guān)閉,系統(tǒng)按熱泵形式運(yùn)行?？照{(diào)負(fù)荷低谷時(shí)段,以生活熱水負(fù)荷為主,閥門2關(guān)小或關(guān)閉,高溫蒸汽進(jìn)入蓄熱器蓄熱。該模式下,蓄熱情況與熱水使用及空調(diào)熱水負(fù)荷的匹配關(guān)系密切。為保證生活熱水滿足需要,可在水管出口設(shè)輔助電加熱器。由以上兩種模式的分析可知,相變蓄熱、水蓄熱相結(jié)合的熱回收方式在機(jī)組制冷和制熱兩種工況下,均能有效利用壓縮機(jī)出口多余熱量加熱生活熱水,從而達(dá)到節(jié)能的目的。5.3熱水使用使用總用熱量的計(jì)算以一家客房建筑面積為3500m2(100個標(biāo)準(zhǔn)客房),大廳、餐廳等面積為1000m2的小型賓館為例,制冷量按125W/m2計(jì)算,則客房制冷量為437.5kW,大廳、餐廳等的制冷量為125kW,總的冷負(fù)荷為562kW左右。根據(jù)給排水熱水供應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),賓館人均熱水消耗量為65℃150～200升,以平均值175升計(jì)算,折合50℃熱水227.5升/人·日?？紤]賓館內(nèi)部人員熱水使用,按照每人每日綜合熱水耗量0.5m3計(jì)算,則每日熱水耗量為qv=100×2×0.5=100(m3/日)夏季自來水溫度取平均值18℃,則夏季每日熱水總用熱量為Q=水的比熱×每日熱水總用量×熱水進(jìn)出水溫差=4.187×100×1000×(50-18)=1.34×107(kJ)賓館裝機(jī)容量為540kW,設(shè)投入運(yùn)行率為80%。每日運(yùn)行時(shí)間為16小時(shí),熱回收率為50%,則每日熱回收總量為Qre=562×16×3600×80%×50%=1.29×107(kJ)因?yàn)镼re與Q大致相當(dāng),基本可以滿足熱水需求。每年夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)間按4.5個月計(jì)算,則熱水總耗量為Q總=1.34×107×30×4.5=1.81×109(kJ)。表1中列出利用熱回收機(jī)組、柴油鍋爐、電熱鍋爐和燃?xì)忮仩t產(chǎn)生所需熱量的運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算結(jié)果。由以上分析可知,使用柴油鍋爐、電熱鍋爐和燃?xì)忮仩t的運(yùn)行費(fèi)用分別為15.96萬元、33.615萬元和15.2萬元,而采用熱回收機(jī)組就可以省掉這部分費(fèi)用,因此采用熱回收機(jī)組能為用戶帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益,具有廣闊的發(fā)展前景。6發(fā)展新的熱回收技術(shù)隨著建設(shè)節(jié)約型社會的不斷開展,空調(diào)領(lǐng)域的節(jié)能研究也日益深入。冷凝熱回收作為其中的重要部