摘 要：該文對家用空調(diào)余熱的回收利用進(jìn)行了分析。首先提出了家用空調(diào)余熱利用的基本原理，并給出了相應(yīng)的裝置系統(tǒng)。其次，以上海某三口之家典型居住條件為研究對象，計(jì)算其空調(diào)冷凝負(fù)荷和家用熱水負(fù)荷，分析加熱熱水所需的時(shí)間。最后，對比單純的電加熱器，分析了家用空調(diào)余熱利用系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能。

關(guān)鍵詞：空調(diào) 余熱 污染 能源消耗 經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號：TM5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（c）-00-03

近年來，我國家用空調(diào)在城市中日益普及，家用空調(diào)擁有率以驚人的速度增長。全國城市居民每百戶空調(diào)器擁有量2010年底平均已達(dá)143臺。同時(shí)，隨著生活水平的不斷提高，人們對生活熱水的需求越來越大，用于加熱生活用水的一次能耗也越來越大。據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國家熱水供應(yīng)的能耗將成為繼室內(nèi)供暖空調(diào)之后的第二大能耗，在美國，熱水器能耗占居住總能耗的17%，今后還將有繼續(xù)上升的勢頭。因此利用空調(diào)的冷凝熱加熱生活用水的意義十分重大。

1 空調(diào)冷凝熱回收利用

1.1 利用余熱加熱生活用水

我們對家用空調(diào)進(jìn)行改裝，設(shè)置熱回收換熱器（水冷冷凝器），與機(jī)組原有的風(fēng)冷冷凝器串聯(lián)或并聯(lián)。其冷凝熱回收系統(tǒng)可以將自來水直接送入空調(diào)熱回收換熱器，水流方向與熱回收換熱器內(nèi)制冷劑流動方向相反，設(shè)置保溫儲水箱，電加熱器，可從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷供熱水的一體化。利用冷凝熱加熱生活用水不僅在系統(tǒng)上較為簡單，冷凝熱加熱生活用水在成本上也較低，具有推廣的潛力。

1.2 空調(diào)冷凝熱回收系統(tǒng)

若對家用空調(diào)進(jìn)行有效地改裝，加設(shè)套管式冷凝器和閥門，可實(shí)現(xiàn)對冷凝器熱的回收。圖1為新型的空調(diào)冷凝熱回收系統(tǒng)原理圖，它包括空調(diào)的制冷系統(tǒng)、水泵、套管式冷凝器、保溫水箱和電加熱器，可以用來在夏天回收空調(diào)的冷凝熱，其運(yùn)行可以有以下三種方式。

單獨(dú)制熱模式：關(guān)閉套管式冷凝器兩側(cè)的閥門，套管式冷凝器停止工作，進(jìn)行逆卡諾循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)空調(diào)的制熱模式，這也是一般的家用空調(diào)的運(yùn)行模式。

單獨(dú)制冷模式：關(guān)閉套管式冷凝器兩側(cè)的閥門，開啟冷凝器側(cè)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，通過風(fēng)機(jī)將空調(diào)的冷凝器熱排放到室外，即可實(shí)現(xiàn)空調(diào)的單獨(dú)制冷，但是這種方式無法利用空調(diào)的冷凝熱，同時(shí)可造成室外環(huán)境的熱污染。

制冷—熱水模式：系統(tǒng)加設(shè)一個(gè)套管式冷凝器，將套管式冷凝器與機(jī)械通風(fēng)冷凝器串聯(lián)在系統(tǒng)中，制冷劑在內(nèi)管下進(jìn)上出，冷卻水在套管式冷凝器內(nèi)上進(jìn)下出，但是套管式冷凝器中的冷卻水只能承擔(dān)部分的冷凝熱負(fù)荷，如果不開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，系統(tǒng)的冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、和排氣溫度會有上升，如果排氣溫度過高，超過壓縮機(jī)極限排氣溫度120 ℃，會導(dǎo)致壓縮機(jī)的損壞，因此在制冷—熱水模式中，機(jī)械通風(fēng)也很重要。系統(tǒng)進(jìn)行的冷凝熱回收和用戶對熱水需求的時(shí)間是不同步的，有時(shí)間差，因此系統(tǒng)要設(shè)置一個(gè)保溫的儲水箱。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)電加熱設(shè)備，當(dāng)水溫不能夠達(dá)到用戶的要求時(shí)，或者空調(diào)系統(tǒng)不開啟時(shí)，來滿足用戶日常的生活熱水的需求。

2 案例分析

以上海某三口之家典型居住條件（90 m2）為研究對象（如圖2），分析夏季7～9月家用空調(diào)冷凝熱回收利用于熱水系統(tǒng)，對其進(jìn)行計(jì)算。

2.1 夏季空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算

上海市室外氣象條件：北緯31°10′，東經(jīng)121 °26 ′，海拔4.5 m；大氣壓力：夏季100.53 kPa；室外空氣計(jì)算參數(shù)：室外計(jì)算干球溫度34.0 ℃，室外計(jì)算濕球溫度28.2 ℃；夏季室外風(fēng)速3.2 m/s。夏季室內(nèi)空氣干球溫度26 ℃，室內(nèi)空氣相對濕度65%，新風(fēng)量：≥30 m3/（人·h）。

該住宅選取空調(diào)類型：主臥室和次臥室選用格力KFR-35GW/K（35556）K1C-N2，制冷量為3500 W；客廳選用格力KFR-50LW/（50566）Aa-3，制冷量為5200 W。

2.2 家用熱水負(fù)荷的計(jì)算

夏季地表水溫度平均20 ℃，三口之家，用戶日用水量約為300 L。夏季自來水可加熱到65 ℃，則溫升為Δt=45 ℃。加熱300 L生活用熱水所需要的熱量為：

2.3 夏季空調(diào)冷凝器加熱熱水時(shí)間的計(jì)算

在8：00至16：00，只有次臥室開空調(diào)，所能放出的熱量為：

在16：00至22：00，只有客廳開空調(diào)，所能放出的熱量為：

在22：00至8：00，主臥室與次臥室都開空調(diào)，所能放出的熱量為：

則1 d所放出的總熱量為312840+125136+139449.6=577425.6 kJ遠(yuǎn)大于56416.5 kJ。

夏季家用熱水加熱總量為V=300 L=0.3 m3。

（1）主/次臥室內(nèi)冷卻水體積流量為：

即夏季用主/次臥室的加設(shè)冷凝熱回收裝置的空調(diào)加熱生活用水，需要144 min左右，就能夠滿足家庭熱水需求。

（2）客廳內(nèi)的冷卻水體積流量為：

即夏季用客廳內(nèi)的加設(shè)冷凝熱回收裝置的空調(diào)加熱生活用水，需要97 min左右，就能夠滿足家庭熱水需求。

（3）在22：00至8：00之間加熱水，主臥室與次臥室都開空調(diào)，將兩個(gè)冷凝器串聯(lián)，則其冷卻水體積流量為：

即夏季用客廳內(nèi)的加設(shè)冷凝熱回收裝置的空調(diào)加熱生活用水，需要72 min左右，就能夠滿足家庭熱水需求。

所以，夜間利用冷凝器放出的熱量對水進(jìn)行加熱，在恒溫水箱進(jìn)行保溫處理。

3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

3.1 用電成本分析

（1）使用制冷—熱水模式的空調(diào)熱水器

該三口之家空調(diào)每天的開啟為：主臥室的總小時(shí)數(shù)為10 h（22：00至第二天的8：00）；次臥室的總小時(shí)數(shù)為18 h

（22：00至16：00）；客廳的總小時(shí)數(shù)為6 h（16：00至22：00）。空調(diào)用于制冷方面的每天平均能耗為Qkth=1.06×10+

1.06×18+1.49×6=38.62 kWh；輔以電加熱300 L熱水所需的功耗為：5 kWh。

（2）使用電熱水器

假設(shè)選用美的F65-21B1電熱水器加熱每天所需生活熱水，其加熱功率為2100 W，則用該電熱水器將300 L的水從20 ℃加熱到60 ℃所需要的熱量為t=cp×V×ρ×Δt=4.178×0.3×0.98×

103×（65-20）=55275 kJ，所需時(shí)間為t=55275/2.1=26321 s=7.3 h，則根據(jù)上式計(jì)算可知，利用電熱水器制備生活熱水時(shí)，每天所消耗的能量為15.33 kWh；

（3）兩種方案比較

根據(jù)上面所得每天所用于制冷的能耗、各種制備生活熱水所有的能耗以及上海市空調(diào)開啟的天數(shù)，可以得出各種配置方案的夏季能耗量，如表1所示。

考慮到兩種配置方案均要消耗電能，所以方案的運(yùn)行成本如表2表示，由于兩種方案中空調(diào)部分耗電量及用電價(jià)格相同，故下表只比較電加熱部分。上海市居民的日間用電價(jià)格為0.61元/度，夜間用電價(jià)格為0.3元/度?？照{(diào)—熱水器中電加熱部分使用的是夜間電，而普通電熱水器使用的是日間的電。

需要指出的是，本設(shè)計(jì)中的空調(diào)—熱水器在夏季制備生活用水大部分是利用空調(diào)的冷凝器熱，節(jié)約電能，根據(jù)表2計(jì)算所得數(shù)據(jù)，可由下式計(jì)算出相對于空調(diào)+電熱水器的節(jié)能率：=929.7/4855.5=19%

3.2 初投資的比較

電熱水器選用美的F65-21B1電熱水器，對空調(diào)—熱水器和空調(diào)+電熱熱水器初投資進(jìn)行比較，將兩種系統(tǒng)的投資成本匯總成表，兩種配置的投資成本如表3表示。

由表可以看出，利用夏季冷凝熱進(jìn)行改裝的家用空調(diào)—熱水器的投資成本要比空調(diào)+電熱熱水器的投資成本高，但是其在夏季每年可以節(jié)約用電費(fèi)706.5元。即空調(diào)—熱水器的回收期為兩年，長期運(yùn)行費(fèi)用要比空調(diào)+電熱水器的節(jié)約。新型空調(diào)—熱水器系統(tǒng)不僅經(jīng)濟(jì)效益良好，而且在安全上會更加的可靠，不存在漏電等危險(xiǎn)。

4 結(jié)語

本論文提出利用回收空調(diào)冷凝熱制備生活熱水，將家用空調(diào)和熱水器合二為一，能有效的利用多余的資源，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，方便萬家千戶。

（1）本新型家用空調(diào)系統(tǒng)利用冷凝余熱加熱生活用水，每天僅僅需要72 min就能夠把300 L水加熱至50 ℃，而且完全能夠滿足家庭用戶日常的生活用水，在減少電能的使用的同時(shí)，更沒有漏電危險(xiǎn)，既安全又節(jié)能。

（2）本新型家用空調(diào)熱水系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的空調(diào)+電熱水器分體式裝置，其可在夏季節(jié)能929.7 kWh，節(jié)能率約為19%，在技術(shù)上是完全可行的。而在空調(diào)期每日可減排冷凝熱577425.6 kJ，在很大程度上緩解了由于夏季空調(diào)冷凝熱的大量排放而引起的城市熱島效應(yīng)，具有重大的節(jié)能減排意義。

（3）新型家用空調(diào)系統(tǒng)在初投資的成本上與傳統(tǒng)的家用空調(diào)+電熱水器相比，雖比家用空調(diào)+電熱水器方案多1401元，但是其每年夏季可以節(jié)約電費(fèi)706.5元，所以長久來看具有明顯的優(yōu)勢，值得我們?nèi)ネ茝V。

（4）本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為簡單，只需要對現(xiàn)有的空調(diào)機(jī)組進(jìn)行改裝，而且投資的成本不高。符合我國空調(diào)節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸亞俊，馬最良，鄒平華.暖通空調(diào)[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 趙榮義.簡明空調(diào)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

[3] 彥啟森，石文星，田長青.空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)[M].4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4] 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50019-2003）[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2005.