空調(diào)系統(tǒng)冷凝排熱熱回收利用方式的研究

空調(diào)系統(tǒng)冷凝排熱熱回收利用方式的研究

近年來，關(guān)于空調(diào)系統(tǒng)冷熱回收的研究越來越多。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷劑循環(huán)、冷卻水循環(huán)、冷凍水循環(huán)和空氣循環(huán)組成。在制冷劑循環(huán)中,氣態(tài)的制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮,溫度升高、壓力增大;通過排氣管,高壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器中被冷卻水冷卻,變成高壓液體;通過節(jié)流閥,壓力降低,高壓制冷劑變成低壓含少量氣體的氣液混合物;其后制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)定壓(低壓)下吸收大量蒸發(fā)器里冷凍水的熱量,蒸發(fā)變成低壓的氣態(tài)制冷劑;氣態(tài)制冷劑通過吸氣管路再回到壓縮機(jī)內(nèi)。在冷卻水循環(huán)中,冷卻水在冷凝器中吸收了制冷劑的熱量后,由泵送到冷卻塔的上部噴下,與逆流(上升)的空氣進(jìn)行熱濕交換,冷卻水溫度降低。冷卻水再泵送到冷凝器與制冷劑進(jìn)行熱交換,溫度升高,如此循環(huán)。空調(diào)房間的冷負(fù)荷(即熱量)通過蒸發(fā)器進(jìn)入制冷劑循環(huán),變成冷凝排熱的一部分,再通過冷卻水循環(huán)排到大氣中去。因此,對于常規(guī)空調(diào)制冷機(jī),其主要作用是空氣調(diào)節(jié),空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱直接排放到大氣中未加以利用。制冷機(jī)組在空調(diào)工況下運(yùn)行時(shí)向大氣環(huán)境排放大量的冷凝熱,通常冷凝熱可達(dá)制冷量的1.15~1.3倍。大量的冷凝熱直接排入大氣,白白散失掉,造成較大的能源浪費(fèi),這些熱量的散發(fā)又使周圍環(huán)境溫度升高,造成嚴(yán)重的環(huán)境熱污染。若將制冷機(jī)放出的冷凝熱予以回收用來加熱生活熱水和生產(chǎn)工藝熱水,不但可以減少冷凝熱對環(huán)境造成的污染,而且還是一種變廢為寶的節(jié)能方法。中國冷杉熱回收現(xiàn)狀近年來我國對空調(diào)系統(tǒng)冷凝排熱熱回收制備生活熱水等的研究越來越多。1、間接式水熱法冷凝熱利用方式主要可分為直接式和間接式。直接式是指制冷劑從壓縮機(jī)出來后進(jìn)入熱回收器直接與自來水換熱制備生活熱水。間接式是指利用常規(guī)空調(diào)的冷凝器側(cè)排出的高溫空氣或37度的水來加熱制備生活熱水。間接式由于要增加的設(shè)備比較多,換熱效率比較低,所以該技術(shù)不易推廣。直接式又可以分為兩類,一種是只利用壓縮機(jī)出口蒸汽顯熱,蒸汽顯熱一般占全部冷凝熱的15%左右,按照熱水的需求量和顯熱量計(jì)算得出熱回收器的片數(shù),其它的冷凝熱在冷凝器中被冷卻水帶走;另一種是利用全部的冷凝熱。這兩種比較由于前者只利用蒸汽顯熱,熱回收器的壓降比較小,使得冷凝器中壓力比較穩(wěn)定對制冷影響比較小。2、冷熱回收的形式我國近年來研究應(yīng)用的冷凝熱熱回收形式主要有以下幾種:(1)空調(diào)系統(tǒng)能量回收節(jié)能技術(shù)夏季利用制冷機(jī)冷凝器加熱自來水可以提供熱水,降低能耗。要利用制冷機(jī)加熱自來建筑水,應(yīng)采用具有水冷冷凝器的制冷機(jī)。用自來水做冷卻水時(shí),其水量應(yīng)與建筑的冷負(fù)荷及制冷機(jī)的冷卻水量相匹配,保證制冷機(jī)安全正常運(yùn)行。但是各類的冷負(fù)荷與冷卻水量的變化規(guī)律與其自來水用水量的變化規(guī)律不盡相同,要做到最佳匹配比較困難。為解決這個(gè)問題,業(yè)內(nèi)研究者在空調(diào)系統(tǒng)能量回收節(jié)能分析中設(shè)想采用蓄熱裝置調(diào)配冷凝熱、冷卻水量、熱水用量的不平衡。針對蒸汽壓縮制冷裝置的特點(diǎn),有研究著提出了直接將滿足熱水用量的自來水送入熱回收換熱器,利用壓縮機(jī)的排氣顯熱和部分冷凝潛熱對其進(jìn)行加熱,高溫?zé)崴畠Υ嬖趦λ鋬?nèi)以供使用。還有人結(jié)合前面的研究基礎(chǔ),從火用的角度分析了冷凝熱熱回收并提出了雙冷凝器熱回收技術(shù)(如圖1),在壓縮機(jī)和冷凝器之間加一個(gè)熱回收器(冷凝器)回收冷凝熱,從這個(gè)外加的熱交換器出來的制冷劑的狀態(tài)是汽一液混合物或氣態(tài),由后面的冷凝器吸收其余熱量。該技術(shù)可以根據(jù)要求直接回收制冷機(jī)組的蒸汽顯熱或是顯熱加部分潛熱來一次性加熱或循環(huán)加熱到水的指定溫度。該形式主要應(yīng)用于中央空調(diào)冷水機(jī)組。(2)家用空調(diào)系統(tǒng)的回收技術(shù)家用空調(diào)器在我國應(yīng)用廣泛,而且數(shù)量多,是熱回收的重要方向之一。有人對家用空調(diào)冷凝熱的回收利用進(jìn)行了探討,并指出:家用空調(diào)冷凝熱回收系統(tǒng)作為回收低品位能的有效方法,可廣泛適用于普通家用空調(diào)系統(tǒng)的改造上,其應(yīng)用及節(jié)能前景可觀。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的江輝民,王洋,在研究中提出了為家用空調(diào)器常用的熱回收形式(圖2)。該形式是將空調(diào)器中壓縮機(jī)排出的高溫高壓的制冷劑蒸汽注入到熱水換熱設(shè)備中進(jìn)行熱交換,加熱生活熱水。若熱水換熱器的換熱能力能夠獨(dú)立承擔(dān)所有的冷凝熱量,則無需使用風(fēng)冷冷凝器,反之就要同時(shí)使用風(fēng)冷和水冷冷凝器來承擔(dān)所有的冷凝負(fù)荷。(3)控冷機(jī)冷卻水回w由于空調(diào)制冷中冷卻水溫度一般在30~38℃,屬低品位熱能,要想充分回收需要熱泵技術(shù),由制冷機(jī)與熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行構(gòu)成一套熱回收裝置。該裝置把熱泵的蒸發(fā)器并接到制冷機(jī)冷卻水回路上,比較適合在現(xiàn)有的空調(diào)冷卻水系統(tǒng)中進(jìn)行改造,控制也比較容易實(shí)現(xiàn)。也有人在這之后提出了這種典型的間接冷凝熱熱回收形式(圖3)。當(dāng)冷水機(jī)組和熱泵同時(shí)工作時(shí),可以通過控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的啟停來控制冷卻水回水溫度。通過電動(dòng)三通閥控制冷卻塔的冷卻水流量和熱泵蒸發(fā)器的流量比例,使熱泵的蒸發(fā)器出水溫度低于32℃,以保證冷水機(jī)組的正常運(yùn)行。該種方式是在原系統(tǒng)并聯(lián)一套熱泵機(jī)組,把冷凝熱作為熱泵熱源來制備熱水。(4)熱回收蓄熱器顯熱器西安交通大學(xué)的劉紅娟,顧兆林提出利用相變材料回收空調(diào)冷凝熱熱回收形式。熱回收用蓄熱器代替雙冷凝器熱回收技術(shù)中的壓縮機(jī)出口的冷凝器與常規(guī)風(fēng)冷冷凝器(或冷卻塔)采用串聯(lián)連接,利用冷卻塔排除熱回收系統(tǒng)不能儲存的剩余熱量。熱回收用蓄熱器中相變材料的溫度是隨冷凝溫度的變化而變化的。開始時(shí),常規(guī)風(fēng)冷冷凝器(或冷卻塔回路)關(guān)閉,熱回收蓄熱器利用制冷劑過熱段的顯熱和冷凝潛熱對相變材料進(jìn)行加熱,此時(shí)冷凝壓力隨熱回收蓄熱器中相變材料溫度的升高而升高。當(dāng)系統(tǒng)冷凝壓力達(dá)到限定值時(shí),開啟風(fēng)冷冷凝器以釋放多余的制冷劑冷凝潛熱,降低系統(tǒng)的冷凝壓力。此時(shí)熱回收蓄熱器仍能利用蓄熱器管內(nèi)流過的氣態(tài)制冷劑過熱段的顯熱放熱加熱相變材料,進(jìn)一步提高相變材料的溫度。當(dāng)相變材料溫度達(dá)到某一設(shè)定值后(可利用相變材料溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器測得),系統(tǒng)恢復(fù)原冷凝器(冷卻塔)冷凝運(yùn)行模式。另外,山東省生建機(jī)械廠的韓慧民提出一種水源熱泵的熱回收形式(圖4),這種形式存在著明顯的不足,冬天制備生活熱水是供熱要停止。3、冷熱回收技術(shù)的應(yīng)用(1)制冷機(jī)組的節(jié)能要求熱回收器須選用專用的高性能換熱器。由于氟利昂具有強(qiáng)滲透性,而且安裝在冷凝器前,該點(diǎn)位置在氟利昂處于高壓(1.44Mpa)和高溫過熱(約75℃)狀態(tài),更易產(chǎn)生滲漏。因此,對換熱器的材質(zhì)和制造工藝都有特殊要求,如有不慎,不但達(dá)不到節(jié)能效果,反而損壞制冷機(jī)組。換熱器除了保證有與所改造機(jī)頭的功率相適應(yīng)的換熱面積外,還必須有較低的阻力不會影響制冷機(jī)原有工況,否則會降低出力。由于它利用的是制冷循環(huán)過程產(chǎn)生的熱量,傳熱量差遠(yuǎn)小于原熱水系統(tǒng),只能小流量連續(xù)制備熱水,不可能象蒸氣加熱器或熱水爐那樣短時(shí)間內(nèi)提供大量熱水,因此,系統(tǒng)要配備足夠容量的熱水箱。通常可以按具體系統(tǒng)的1小時(shí)量大用水量計(jì)算。(2)蓄熱器的設(shè)計(jì)目前,蓄熱器在國外已廣泛應(yīng)用,在我國也逐漸發(fā)展起來。余熱和太陽能等資源的有效利用,迫切需要設(shè)計(jì)和發(fā)展高效率、低成本的相變蓄熱器。但對蓄熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算尚無統(tǒng)一的方法,因此,對蓄熱器的設(shè)計(jì)也處于摸索階段。對蓄熱物質(zhì)的要求是:熱容量大、蓄熱能力強(qiáng),化學(xué)穩(wěn)定性好,熔點(diǎn)低,對人體、動(dòng)植物無害、價(jià)格低廉。我國對蓄熱材料的開發(fā)有待進(jìn)一步加強(qiáng)。應(yīng)該盡可能使制冷裝置在較低的冷凝溫度下運(yùn)行。在設(shè)計(jì)中選取的冷凝溫度是定值,而實(shí)際運(yùn)行中的冷凝溫度是變化的。冷凝溫度與環(huán)境溫度有關(guān),不僅隨季節(jié)變化,而且每天晝夜也在不斷變化。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮各種不利因素,選擇適當(dāng)?shù)睦淠郎囟?保證制冷裝置在高效率下節(jié)能運(yùn)行。(3)使用冷熱回收熱芯的問題比較適合在現(xiàn)有的的空調(diào)系統(tǒng)改造中應(yīng)用,但是投資較大,運(yùn)行費(fèi)用高。國內(nèi)熱回收系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀為實(shí)現(xiàn)“可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略,我國制定一系列能源及環(huán)境政策。節(jié)能和環(huán)保已成為當(dāng)前空調(diào)領(lǐng)域中最重要的研究課題之一。目前,我國暖通學(xué)者已逐漸認(rèn)識到了余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用的重要性,一些開發(fā)商也對此項(xiàng)目產(chǎn)生了一定的興趣,現(xiàn)在在北京,廣州,上海,東北等地的一些賓館和人工冰場與游泳池聯(lián)合工作的地方都有應(yīng)用并且節(jié)能效果很好。我國對于冷凝排熱熱回收系統(tǒng)的研究現(xiàn)在僅限于理論的分析,且處于初步探討階段,缺乏實(shí)際的、深入的系統(tǒng)研究。從國內(nèi)的研究狀況來看,還存在著一系列的問題。在直接加熱自來水的回收系統(tǒng)中存在以下問題:一是空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)段與熱水使用時(shí)段的時(shí)間差問題。二是生活熱水的用量與冷凝熱量之間也存在著不同步的問題。因此,設(shè)置儲熱裝置十分必要,它可存儲中午空調(diào)滿負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的熱水用以補(bǔ)充傍晚空調(diào)低負(fù)荷時(shí)產(chǎn)水量的不足。目前國內(nèi)研究存在蓄熱水池較大的問題,蓄熱裝置在系統(tǒng)運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)模擬以及系統(tǒng)形式等問題也是我們在今后工作中要解決的。冷凝排熱熱回收取決于主要設(shè)備的工作情況,有時(shí)可能得不到預(yù)期的效果。就冷凝熱回收來講,其效果取決于空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行工況,其目的也只是從節(jié)能和環(huán)保的角度考慮回收余熱,而不能本末倒置為了獲取