張素云，林真國，白雪蓮

（1.后勤工程學(xué)院 營房管理與環(huán)境工程系，重慶，400041；2.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶，400045）

節(jié)約能源是資源節(jié)約型社會的重要組成部分。在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，建筑的運(yùn)行能耗大約為全社會商品用能的1/3，是節(jié)能潛力最大的領(lǐng)域[1]。建筑能耗主要用于建筑的采暖空調(diào)、熱水供應(yīng)、炊事、照明、電器、電梯等方面，而采暖空調(diào)與熱水供應(yīng)占的能耗比例接近 60%且有繼續(xù)上升的趨勢[2]。因此，空調(diào)及熱水系統(tǒng)是建筑節(jié)能工作的重點(diǎn)?？照{(diào)冷水機(jī)組在制冷的同時(shí)會產(chǎn)生大量的冷凝熱，通常是通過冷卻塔釋放到大氣中?；厥湛照{(diào)冷凝熱用來提供生活熱水是一條節(jié)能的好途徑[3]。隨著各類商業(yè)建筑衛(wèi)生熱水能耗的增加，衛(wèi)生熱水節(jié)能日益重要[4]。利用空調(diào)冷凝余熱制備生活熱水具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中應(yīng)用較多。葛亞飛[5]通過實(shí)際工程數(shù)據(jù)分析了冷水機(jī)組熱回收的節(jié)能量，認(rèn)為冷水機(jī)組熱回收系統(tǒng)除能節(jié)省鍋爐能耗外，還能減少管理人員和延長設(shè)備使用壽命，降低空調(diào)和熱水系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，是一舉多得的措施；楊琦[6]對比分析了空調(diào)冷凝熱利用方式不同的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為利用冷凝熱制備生活熱水的方式更有優(yōu)勢。工程應(yīng)用實(shí)例表明：利用空調(diào)冷凝熱制備衛(wèi)生熱水具有良好的節(jié)能效益，可使熱水鍋爐能耗下降25%以上，空調(diào)系統(tǒng)的電耗也降低15%～20%[7]。通過回收空調(diào)冷凝熱獲得免費(fèi)熱水供應(yīng)在酒店類建筑具有可行性[8]，是值得推廣應(yīng)用的節(jié)能模式。水療會所是現(xiàn)代都市集洗浴、美食、健身、休閑等多種功能一體的公共場所，數(shù)量和規(guī)模都有不斷擴(kuò)大的趨勢，屬高能耗的公共建筑。提高水療會所空調(diào)和熱水系統(tǒng)的能效，除了能提高會所自身的經(jīng)濟(jì)效益外，還對公共建筑的節(jié)能減排具有重要意義。利用空調(diào)冷凝余熱制備衛(wèi)生熱水在水療會所具有很好的適宜性。會所一般均設(shè)有集中空調(diào)和獨(dú)立的熱水制備系統(tǒng)，回收的空調(diào)冷凝余熱能夠就地利用，而且會所熱水需要量的高峰時(shí)段是會所客流量的高峰時(shí)段，往往也是空調(diào)負(fù)荷高峰時(shí)段，空調(diào)冷凝熱在時(shí)間上也恰好與熱水制備的熱負(fù)荷需求相適應(yīng)。為此，本文作者提出水療會所利用空調(diào)冷凝余熱制備衛(wèi)生熱水的技術(shù)方案，并分析空調(diào)冷凝余熱的可利用量，探討空調(diào)和熱水制備系統(tǒng)在冷凝熱回收前后的運(yùn)行費(fèi)用，結(jié)合具體的工程案例，說明水療會所利用空調(diào)冷凝熱制備衛(wèi)生熱水的節(jié)能效果。

1 技術(shù)方案

利用空調(diào)余熱制備衛(wèi)生熱水的技術(shù)方案如圖1所示。在空調(diào)制冷季，空調(diào)冷水機(jī)組的余熱可通過2種途徑進(jìn)行回收：（1）將生活冷水箱內(nèi)的冷水作為冷水機(jī)組冷卻水，即關(guān)閉圖1中閥V1和V2，同時(shí)打開閥V3和V4，相當(dāng)于利用冷水機(jī)組冷凝熱對熱水系統(tǒng)的補(bǔ)水進(jìn)行預(yù)熱；（2）選用帶冷凝熱回收功能的冷水機(jī)組，在空調(diào)制冷的同時(shí)進(jìn)行冷凝熱回收并直接提供洗浴熱水。

該方案的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）冷水箱內(nèi)冷水被預(yù)熱，降低熱水加熱能耗；（2）冷水箱內(nèi)水溫 t1通常比經(jīng)冷卻塔的冷卻供水溫度t3低，有利于冷水機(jī)組的高效運(yùn)行，可節(jié)省冷水機(jī)組能耗；（3）減少空調(diào)冷卻水系統(tǒng)能耗。冷水預(yù)熱泵的投運(yùn)可相應(yīng)減少冷卻水泵的開啟臺數(shù)，降低冷卻水泵和冷卻塔的能耗,同時(shí)因冷卻水量減少,可降低冷卻塔飄水，具有一定的節(jié)水作用；（4）選用帶熱回收功能的冷水機(jī)組回收冷凝熱，在降低空調(diào)冷卻系統(tǒng)能耗的同時(shí)，可進(jìn)一步減少衛(wèi)生熱水的加熱負(fù)荷。

圖1 空調(diào)余熱回收系統(tǒng)原理圖Fig.1 Working principle of heat reclaim from air-conditioning system

圖2 空調(diào)余熱回收系統(tǒng)控制邏輯圖Fig.2 Logic diagram of controlling for heat reclaim from air-conditioning system

空調(diào)余熱回收系統(tǒng)的控制邏輯如圖2所示。在空調(diào)制冷季，優(yōu)先開啟冷水機(jī)組 1，對熱水補(bǔ)水進(jìn)行預(yù)熱，關(guān)閉閥門V1和V2并開啟空調(diào)余熱回收泵進(jìn)行冷凝熱回收（開啟順序?yàn)殚y門 V3和 V4—冷水預(yù)熱泵—冷凍水泵—制冷主機(jī)1）；當(dāng)生活熱水用水量減少，以至于生活冷水箱內(nèi)的溫度t1超過經(jīng)冷卻塔的冷卻供水溫度t3時(shí)，關(guān)閉冷水機(jī)組1并開啟冷水機(jī)組2，同時(shí)開啟冷卻水泵、冷卻塔和空調(diào)余熱回收泵，切入到常規(guī)空調(diào)制冷方式（順序?yàn)殛P(guān)閉冷水機(jī)組1—關(guān)閉冷水預(yù)熱泵—開啟冷卻水泵—開啟冷卻塔—開啟冷水機(jī)組2—開啟空調(diào)余熱回收泵）；若冷水機(jī)組2滿負(fù)荷運(yùn)行仍不能滿足空調(diào)制冷負(fù)荷要求，則可將冷水機(jī)組1同時(shí)切換到常規(guī)制冷模式（順序?yàn)殛P(guān)閉閥 V3和 V4—開啟閥V1和V2），同時(shí)仍開啟空調(diào)余熱回收泵；在上述工況下熱水箱內(nèi)的溫度t2經(jīng)設(shè)定時(shí)間（如30 min）后若不能達(dá)到熱水供水溫度（如55～60 ℃），則表明空調(diào)余熱回收量達(dá)不到熱水加熱負(fù)荷要求，此時(shí)，啟動(dòng)鍋爐加熱系統(tǒng)對生活熱水箱內(nèi)熱水進(jìn)行輔助加熱（順序?yàn)殚_啟鍋爐循環(huán)泵→開啟熱水鍋爐）。

上述工況切換是針對冷水機(jī)組和鍋爐開啟進(jìn)行的設(shè)定。當(dāng)冷水機(jī)組和熱水鍋爐需要停機(jī)時(shí)，各步驟對應(yīng)的啟停順序則正好相反。在實(shí)際應(yīng)用中可設(shè)置自動(dòng)化控制系統(tǒng)，嚴(yán)格按照設(shè)備開啟順序操作，防止冷水機(jī)組蒸發(fā)器結(jié)冰和鍋爐超壓，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全。

圖2所示的控制邏輯是在保證空調(diào)制冷系統(tǒng)性能不受影響的前提下，冷凝熱回收優(yōu)先于鍋爐加熱。與常規(guī)的熱水制備方案相比，冷凝余熱回收方案將熱水制備的熱源由單一的鍋爐變?yōu)槔渌畽C(jī)組冷凝器+鍋爐的復(fù)合式熱源，而鍋爐僅作為輔助熱源，體現(xiàn)了最大程度地提高整個(gè)系統(tǒng)能效的原則。在實(shí)際工程應(yīng)用中，若空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組臺數(shù)大于2臺，則可參照圖2所示的控制方式類推；當(dāng)冷水機(jī)組僅1臺時(shí)，可僅進(jìn)行冷凝熱回收而省略生活冷水箱的預(yù)熱系統(tǒng)。

空調(diào)冷凝余熱回收方案中的工況切換對冷水機(jī)組的啟停頻率不會產(chǎn)生明顯影響。首先，冷水機(jī)組的啟停頻率主要受空調(diào)實(shí)際冷負(fù)荷與冷水機(jī)組額定制冷量的影響，是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該重視的關(guān)鍵問題，而空調(diào)冷凝熱回收不會引起冷水機(jī)組啟停次數(shù)的改變；其次，在空調(diào)制冷季前后期的中低冷負(fù)荷時(shí)段，當(dāng)單臺冷水機(jī)組運(yùn)行可滿足空調(diào)要求時(shí)，冷水機(jī)組1和冷水機(jī)組2交替運(yùn)行，機(jī)組的啟停次數(shù)每天僅增加2次，時(shí)間上對應(yīng)水療會所的熱水日用量高峰來臨開始和結(jié)束，而該高峰期通常在固定時(shí)間段內(nèi)持續(xù)（空調(diào)制冷季一般在每日的 17:00～24:00），不會反復(fù)出現(xiàn)；最后，在空調(diào)制冷季中期的高負(fù)荷時(shí)段，需要2臺冷水機(jī)組同時(shí)運(yùn)行。為了防止經(jīng)冷卻塔的冷卻循環(huán)水影響生活冷水箱的水質(zhì)，減少冷水機(jī)組1工況切換時(shí)機(jī)組冷凝器的沖洗工作量，一般不再對生活冷水箱內(nèi)補(bǔ)水進(jìn)行預(yù)熱，僅采用空調(diào)余熱回收泵回收冷凝器余熱。可見：冷凝熱回收不僅改善了冷水機(jī)組的制冷工況，而且減少了熱水鍋爐的啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，對冷熱源設(shè)備的運(yùn)行是有利的。文獻(xiàn)[5]也同樣說明了冷凝熱回收可延長設(shè)備的使用壽命。

2 冷凝熱的可利用量

技術(shù)方案從工藝流程上論證了利用空調(diào)冷凝熱制備衛(wèi)生熱水的可行性，而冷凝熱的可利用量是衡量其工程應(yīng)用價(jià)值的重要指標(biāo)。以下針對現(xiàn)代大型水療會所，分析空調(diào)冷凝熱可利用量與熱水加熱量的相對比率。

可用于熱水制備的空調(diào)冷凝熱量與空調(diào)冷負(fù)荷、冷凝熱回收方式以及冷水機(jī)組性能等因素有關(guān)?？照{(diào)冷負(fù)荷越大，則可利用冷凝熱越多。冷凝熱回收方式包括全熱回收和部分熱回收，圖1中單獨(dú)運(yùn)行冷水機(jī)組1且冷卻塔未開啟運(yùn)行時(shí)屬于全熱回收，利用冷凝熱制備熱水且同時(shí)開啟冷卻塔散熱的工況則屬于部分熱回收。在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于要優(yōu)先保證冷水機(jī)組制冷效率，故大多采用部分熱回收運(yùn)行。目前，在實(shí)際工程中應(yīng)用的帶熱回收功能的冷水機(jī)組，其熱回收比率大多為12%～20%，如表1所示。空調(diào)冷凝余熱量可表示為：

式中：QY為空調(diào)冷凝余熱回收量，kW；IR為空調(diào)冷凝余熱回收比率，%；QL為空調(diào)制冷負(fù)荷，kW。對于大型水療會所，空調(diào)系統(tǒng)的制冷量及熱水用量均與會所的規(guī)模和檔次相關(guān)，設(shè)計(jì)工況下空調(diào)冷負(fù)荷與熱水制備的熱負(fù)荷之間存在一定的聯(lián)系。水療會所的熱水用量與季節(jié)變化有關(guān)，在1 d內(nèi)的不同時(shí)段也有較大差異。熱水制備所需熱負(fù)荷可表示為：

式中：QR為衛(wèi)生熱水制備熱負(fù)荷，kW；cp為水的比定壓熱容，4.187 kJ/（kg·℃）；V為衛(wèi)生熱水用水量，L/s；tg為衛(wèi)生熱水供水溫度，℃；t0為自來水溫度，℃。

在夏季空調(diào)制冷工況下，根據(jù)表1所示統(tǒng)計(jì)結(jié)果，空調(diào)冷凝余熱回收比率可取15%；一般淋浴熱水溫度為38～40 ℃?？紤]熱水管道適量的熱量損失，末端熱水供水溫度可按 42 ℃計(jì)算，根據(jù)各地夏季自來水溫度，統(tǒng)計(jì)所設(shè)計(jì)的6個(gè)大型水療會所的空調(diào)冷凝余熱與衛(wèi)生熱水熱負(fù)荷比率如表2所示。

從表2可見：所統(tǒng)計(jì)的大型水療會所空調(diào)冷凝余熱與衛(wèi)生熱水熱負(fù)荷比率為52%～77%。南方城市空調(diào)冷負(fù)荷大，相應(yīng)冷凝余熱量大且夏季自來水溫度較高，因而，冷凝余熱與熱水熱負(fù)荷相對比較大；此外，會所檔次越高其客流量和熱水總用量減少，而單位面積空調(diào)冷負(fù)荷卻較高，因而，室外氣象相當(dāng)時(shí)高檔水療會所冷凝余熱與熱水熱負(fù)荷的比率與中檔會所的相比偏高。表2中空調(diào)冷凝余熱與熱水熱負(fù)荷的相對比率是以熱水峰值用量進(jìn)行計(jì)算的，且未考慮熱水箱的蓄熱量。由于空調(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間比熱水峰值用水時(shí)間長，熱水用量低谷期間可通過蓄熱水箱進(jìn)行冷凝熱蓄存，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，冷凝余熱與熱水熱負(fù)荷的相對比率比表2中的還要高。從表2可見：大型水療會所空調(diào)冷凝余熱可滿足衛(wèi)生熱水制備50%以上的熱負(fù)荷需求，南方城市甚至可以達(dá)到70%以上；而開啟鍋爐進(jìn)行的輔助加熱量低于熱水熱負(fù)荷的一半，空調(diào)冷凝余熱回收在大型水療會所熱水制備系統(tǒng)中應(yīng)用具備良好的適宜性和工程應(yīng)用價(jià)值，節(jié)能減排效益明顯。

表1 冷水機(jī)組熱回收量與制冷量的比率Table 1 Ratio of heat recovered and cooling capacity for chiller

表2 空調(diào)冷凝余熱與熱水熱負(fù)荷比率Table 2 Ratio of condensation heat and heating load for hot-water supply

3 節(jié)能效益分析

大型水療會所利用空調(diào)冷凝熱制備衛(wèi)生熱水，既可提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能效，又能減少衛(wèi)生熱水制備能耗，具有雙重節(jié)能效益。以下對空調(diào)及熱水制備能耗費(fèi)用進(jìn)行簡要分析。對空調(diào)系統(tǒng)，有：

式中：M1和M1′分別為冷凝熱回收前、后空調(diào)運(yùn)行費(fèi)，元；QL,P為制冷期空調(diào)平均負(fù)荷，kW；Es和 Es′分別為冷凝熱回收前、后空調(diào)制冷系統(tǒng)平均能效比，kW/kW；GCT和GCT′分別為冷凝熱回收前、后冷卻補(bǔ)水量，m3；re為商業(yè)電耗價(jià)格，元/（kW·h）；rw為商業(yè)自來水價(jià)格，元/ m3；n為空調(diào)制冷期運(yùn)行時(shí)間，d；h為空調(diào)每天運(yùn)行時(shí)間，h。

比較式（3）和（4）可知：冷凝熱回收前、后空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用的變化由制冷系統(tǒng)平均能效比和冷卻水補(bǔ)水量的變化引起。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，冷卻水溫度每降低1 ℃，冷水機(jī)組能效可升高 2.56%；而制冷系統(tǒng)平均能效比中冷水機(jī)組的能效影響最顯著。在冷凝熱回收工況下，冷水機(jī)組冷卻水溫度與常規(guī)冷卻塔制冷時(shí)相比降低5～8 ℃，冷卻塔運(yùn)行時(shí)間減少，造成 Es′比 Es大，而GCT′比GCT小。因此，在冷凝熱回收工況下，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)必將減少。

對熱水制備系統(tǒng)的能耗費(fèi)用，忽略鍋爐循環(huán)泵和鍋爐燃燒器電耗，有：

式中：M2和M2′分別為冷凝熱回收前后熱水制備費(fèi)，元；h′為余熱回收泵平均每天運(yùn)行時(shí)間，h；QR′為冷凝熱回收工況下鍋爐加熱量，kJ；NY為余熱回收泵功率，kW；Gr為制冷期平均日熱水用量，m3/d；rg為商業(yè)燃?xì)饽茉磧r(jià)格，元/ m3；qg為天然氣低位熱，kJ/ m3；ηg為天然氣燃燒效率，%。

根據(jù)冷凝熱的可利用量分析，在空調(diào)冷凝余熱回收工況下，僅靠余熱回收泵消耗較少電能，便可使熱水鍋爐加熱量顯著減低。由于余熱回收泵功耗較小，其所消耗的電能與熱水鍋爐因運(yùn)行時(shí)間減少所節(jié)省的鍋爐循環(huán)泵能耗幾乎相當(dāng)，對于熱水制備，所回收的空調(diào)余熱幾乎是免費(fèi)獲得。對比式（5）和（7）可知：冷凝熱回收工況下熱水制備系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)將顯著下降。

以上分析的是運(yùn)行費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用降低表明能耗節(jié)省。以下通過具體工程案例說明水療會所利用空調(diào)冷凝余熱制備衛(wèi)生熱水的節(jié)能效果。

4 工程案例

某水療會所利用圖1所示的技術(shù)方案進(jìn)行了熱水制備系統(tǒng)的改造，改造在非空調(diào)季進(jìn)行。該會所建筑面積21 000 m2，夏季平均日熱水用量160 m3。改造前衛(wèi)生熱水采用燃?xì)鉄崴仩t加熱，空調(diào)冷源為2臺同型號螺桿式冷水機(jī)組，單臺額定制冷量為1 100 kW，冷熱系統(tǒng)已投用3年；當(dāng)?shù)厣逃锰烊粴饧半娰M(fèi)價(jià)格分別為2.28元/m3和0.843元/（kW·h），商用自來水價(jià)格為3.8元/m3。本項(xiàng)目改造共投入60萬元，用于新購帶熱回收冷水機(jī)組2臺（原價(jià)94萬元，原2臺冷水機(jī)組廠家回收抵扣38萬元，實(shí)際支付56萬元）；增加余熱回收泵及機(jī)房水管路改造費(fèi)用共4萬元。空調(diào)制冷期為5月1日～9月30日，按150 d計(jì)算。改造前、后2個(gè)制冷季節(jié)同比空調(diào)及熱水制備費(fèi)用分別如表3和表4所示。

改造前后運(yùn)行費(fèi)用的對比可反映冷凝余熱利用的節(jié)能效果。從表3和表4可見：采用空調(diào)冷凝熱制備衛(wèi)生熱水，一方面，可提高空調(diào)系統(tǒng)能效，制冷每月可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)4.1萬元，空調(diào)運(yùn)行費(fèi)節(jié)省率為15.4%，制冷季5個(gè)月內(nèi)可節(jié)省空調(diào)運(yùn)行費(fèi)20.5萬元；另一方面，衛(wèi)生熱水制備大大減少了燃?xì)庀?，僅依靠小功率的余熱回收泵即可回收冷凝余熱，所消耗的燃?xì)饽芎暮湾仩t循環(huán)泵耗對應(yīng)于空調(diào)低負(fù)荷工況下冷凝熱不足時(shí)鍋爐輔助加熱的能耗，改選后制冷季每月熱水制備費(fèi)節(jié)省3.14萬元，熱水制備費(fèi)節(jié)省率為77.5%，制冷季5個(gè)月內(nèi)熱水制備運(yùn)行費(fèi)可節(jié)省15.7%。項(xiàng)目改造后制冷季內(nèi)共節(jié)省費(fèi)用為20.5+15.7=36.2萬元，所投入的60萬元不到2年即可回收。由于項(xiàng)目改造前已投運(yùn)3年，經(jīng)營已趨于成熟，且改造前、后空調(diào)制冷季內(nèi)可忽略氣候變化引起的能耗變化，因此，可認(rèn)為改造前、后運(yùn)行費(fèi)用的減少是冷凝熱利用所致?？梢姡夯厥湛照{(diào)冷凝余熱制備衛(wèi)生熱水對空調(diào)及熱水系統(tǒng)均有顯著節(jié)能效果。

表3 改造前后空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用對比Table 3 Comparison of operation cost for air-conditioning before and after rebuilding

空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省的是高質(zhì)量電能，熱水系統(tǒng)節(jié)省的是低質(zhì)量熱能，如統(tǒng)一按一次能計(jì)算，電力和天然氣能耗的折算當(dāng)量分別為 11 708 kJ/（kW·h）和 38 931 kJ/m3[10]，改造前后的一次能比較如表5所示。綜合空調(diào)及熱水制備的一次能耗，改造后平均可節(jié)省一次能耗33.71×106kJ/d，一次能節(jié)能率為24.4%。

表4 改造前后熱水制備運(yùn)行費(fèi)用對比Table 4 Comparison of operation cost for hot-water supply before and after rebuilding

表5 改造前后日均一次能消耗對比Table 5 Comparison of daily primary energy consumption before and after rebuilding MJ/d

5 結(jié)論

（1）空調(diào)冷凝余熱回收在大型水療會所熱水制備系統(tǒng)中應(yīng)用具備良好的適宜性和較大的工程應(yīng)用價(jià)值，是值得推廣應(yīng)用的節(jié)能方案。

（2）大型水療會所空調(diào)冷凝余熱可滿足衛(wèi)生熱水制備50%以上的熱負(fù)荷需求，南方城市可以達(dá)到70%以上。而開啟鍋爐進(jìn)行的輔助加熱量低于熱水熱負(fù)荷的一半。

（3）空調(diào)冷凝余熱利用可同時(shí)降低空調(diào)制冷運(yùn)行費(fèi)用和熱水制備的運(yùn)行費(fèi)用，且對冷熱源設(shè)備的運(yùn)行無負(fù)面影響。

（4）在水療會所實(shí)際案例中，采用空調(diào)冷凝余熱制備衛(wèi)生熱水，空調(diào)運(yùn)行費(fèi)節(jié)省 15.4%，熱水制備費(fèi)節(jié)省77.5%，綜合一次能節(jié)能率為24.4%。

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