劉軍 胡益雄 孫超 劉光輝

中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院

空調(diào)冷凝熱回收利用的影響因素分析

劉軍 胡益雄 孫超 劉光輝

中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院

冷凝熱的回收可以為生活用水加熱提供能源。熱水的出水溫度、熱回收率是衡量冷凝熱回收效果的重要參數(shù)。本文通過建立數(shù)學(xué)模型，研究出水溫度與水流量、熱回收率的關(guān)系。結(jié)合工程實(shí)際，當(dāng)冷凝溫度一定且為42℃時(shí)，設(shè)計(jì)出水溫度小于47℃時(shí)，熱水流量主要取決于潛熱負(fù)荷和過冷負(fù)荷，熱回收率隨著設(shè)計(jì)出水溫度的升高而增加。在設(shè)計(jì)出水溫度大于47℃時(shí)，熱水的設(shè)計(jì)流量主要是由顯熱負(fù)荷決定，且熱水流量和冷凝熱回收率隨出水溫度的升高而降低。

熱回收 冷凝熱 出水溫度 熱回收率

在發(fā)達(dá)國家，用于生產(chǎn)的熱水能耗將成為室內(nèi)第二大主要能耗，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(shì)頭[1]。隨著能源和環(huán)境問題的日益突出,如何高效地使用能源、回收各種余熱和減小對(duì)環(huán)境的污染是人們關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。目前，國內(nèi)外很多旅館類建筑都對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了熱回收改造[3～4]。大多學(xué)者都對(duì)冷凝熱回收進(jìn)行了全面的分析，不過都是基于實(shí)際工程的利用。

本文以湖南岳陽某賓館改造工程為例進(jìn)行理論計(jì)算，該工程采用三臺(tái)HYS系列的水冷螺桿機(jī)組，制冷劑是R22，每臺(tái)額定的制冷量是1210kW，壓縮機(jī)輸入功率是260kW。設(shè)計(jì)的空調(diào)冷凍水供回水溫度為7/12℃，冷卻水供水和回水溫度為30/35℃，空調(diào)主機(jī)的冷卻塔設(shè)在裙樓頂部，配備兩臺(tái)功率為11kW的風(fēng)機(jī)。制冷循環(huán)的冷凝溫度為42℃。

1 熱回收換熱器的出水溫度與水流量、熱回收率的關(guān)系

本次計(jì)算是在標(biāo)準(zhǔn)工況下進(jìn)行，作出如下假設(shè)：

1）制冷劑在壓縮機(jī)的壓縮過程中是絕熱過程。

2）節(jié)流過程前后焓值相等。

3）蒸發(fā)與冷凝過程的壓降忽略不計(jì)。

4）制冷循環(huán)過程中，過冷度和過熱度是固定不變的。

假設(shè)在換熱器的加熱過程分為兩步。

第一步：由過冷熱量和液化潛熱將當(dāng)?shù)刈詠硭s20℃）加熱至冷凝溫度42℃，此時(shí)的水流量為：

式中：Qu為制冷劑的過冷熱量，W；Qx為制冷劑的液化潛熱，W。

第二步：由過熱熱量將42℃的水加熱至設(shè)計(jì)的出水溫度，此時(shí)的水流量為:

式中：Qb為冷凝過程中的高溫顯熱，W。

以上兩個(gè)步驟是在同一個(gè)換熱器中進(jìn)行的，所以水流量應(yīng)取兩值較小值，因此

水側(cè)換熱器的換熱量為：

根據(jù)熱平衡的原理可知，理論上需要回收的熱量為：

定義熱回收率[5]：

式中：Qk為冷凝器釋放的冷凝熱，W。

選取不同的出水溫度，可以得到不同的值，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1中，在冷凝溫度固定在42℃不變的條件下。當(dāng)設(shè)計(jì)的出水溫度小于47℃時(shí)，熱水流量主要取決于過冷量和潛熱量。當(dāng)設(shè)計(jì)的出水溫度大于47℃時(shí)，熱水流量主要取決于顯熱負(fù)荷，熱水流量隨著設(shè)計(jì)出水溫度的升高而減小，出水溫度越高，曲線越趨平緩。因?yàn)槔脻摕嶙疃鄬⑺訜嶂晾淠郎囟取Ｓ纱丝芍?，要獲得較高的出水溫度，取決于顯熱負(fù)荷。

圖2中，在冷凝溫度固定在42℃不變的條件下。當(dāng)設(shè)計(jì)的出水溫度小于47℃時(shí)，冷凝熱的熱回收率隨著出水溫度的升高而增大。當(dāng)設(shè)計(jì)的出水溫度大于47℃時(shí)，熱回收率隨著出水溫度的升高而減小。由此可知，在冷水機(jī)組設(shè)計(jì)工況中，存在一個(gè)出水溫度值使熱回收率達(dá)到最大值。

圖1 出水溫度與水流量關(guān)系

圖2 出水溫度與熱回收率關(guān)系

由以上分析可知，要得到越高溫度的熱水，需要的顯熱量就越大，潛熱量越小，熱水流量越小，熱回收率也越小。因此，對(duì)于一般賓館提供50～60℃熱水的情況下，其熱回收率在45%～70%之間。在滿足生活熱水需要的情況下，熱回收率要達(dá)到100%是很難的，一般條件難以達(dá)到。

2 影響熱回收設(shè)計(jì)出水溫度、熱回收率的因素

熱回收系統(tǒng)的出水溫度、熱回收率是評(píng)價(jià)熱回收系統(tǒng)合理性的重要參數(shù)。出水溫度的高或低不僅直接影響用戶用水的舒適性，而且易造成能源的浪費(fèi)。

2.1 冷凝溫度

為了得到更高的出水溫度和更高的熱回收率，需要了解影響出水溫度和熱回收率的主要因素。蒸發(fā)溫度、過冷溫度、冷凝溫度、吸氣溫度、吸氣過熱度、排氣溫度等對(duì)出水溫度及熱回收率都有一定的影響。蒸發(fā)溫度一般由用戶側(cè)確定，其變化范圍較小，對(duì)出水溫度和熱回收率影響較小。由本文假設(shè)可知，過熱度和過冷度維持不變。而排氣溫度和排氣過熱度由冷凝溫度確定?？芍淠郎囟葘?duì)出水溫度和熱回收率影響最大。

圖3顯示的是不同冷凝器溫度下出水溫度與熱回收率的關(guān)系。出水溫度相同的條件下，熱回收溫度隨著冷凝溫度的升高而增大。這是因?yàn)殡S著冷凝溫度的升高，可以用來加熱熱水的冷凝熱潛熱就越多。當(dāng)冷凝溫度相同時(shí)，熱回收率隨著出水溫度的升高而減小。從圖中可知，當(dāng)冷凝溫度處在40～50℃時(shí)，存在一個(gè)出水溫度值使熱回收率能夠達(dá)到100%。在冷凝溫度較低時(shí)，熱回收率變化不大。

圖3 不同冷凝溫度下設(shè)計(jì)出水溫度與熱回收率的關(guān)系

2.2 熱水進(jìn)出水溫度

出水溫度對(duì)熱回收率的影響比較大，總體的趨勢(shì)是隨著出水溫度的升高而減小。為了研究進(jìn)水溫度對(duì)熱回收率的影響，利用進(jìn)出水溫差來評(píng)價(jià)熱回收率。如圖4所示。

圖4 同一冷凝溫度下進(jìn)出水溫度與熱回收率的關(guān)系

由圖4可知，在冷凝溫度為42℃，出水溫度為45℃時(shí)，進(jìn)水溫度對(duì)熱回收率影響不大，且熱回收率較大。這是由于出水溫度與冷凝溫度比較接近，冷凝溫度可利用的潛熱能較大。圖中列出了當(dāng)出水溫度為50℃、55℃、60℃時(shí)的曲線?？芍S著進(jìn)出水溫差的增大，熱回收率增大。也就是說，當(dāng)出水溫度一定時(shí)，熱回收率隨著進(jìn)水溫度的減小而增大。進(jìn)水溫度越小，將水加熱至一定的出水溫度時(shí)，所需要的冷凝熱越大，故而熱回收率越大。

3 結(jié)論

由以上分析可總結(jié)出幾點(diǎn)提高冷凝熱回收率的措施：

1）確定一個(gè)合適的冷凝溫度。冷凝溫度越高，熱回收率越大。但同時(shí)冷凝溫度越高，會(huì)減小制冷量，影響制冷效果。

2）確定一個(gè)合適的出水溫度。出水溫度越高，熱回收率越小。因此在滿足生活用熱水舒適的情況，盡量降低出水溫度。

3）確定一個(gè)合適的進(jìn)出水溫差，可以有效提高熱回收率。

[1]卜燕,戴輝.家用空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)分析研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2012, (36):89-91

[2]程代京,劉銀河.蒸汽冷凝結(jié)水的回收及利用[J].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007

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Ana lys is of Influe nc e Fa c tor for Conde ns ing He a t Re c yc ling of Air Conditioning

LIU Jun,HU Yi-xiong,SUN Chao,LIU Guang-hui
School of Energy Science and Engineering,Central South University

Condensing heat recovery can provide energy for the domestic hot water.The temperature of heated water and the heat recovery rate are the important parameters evaluating the effect of heat recovery.The relationship between temperature of heated water and water flow rate,heat recovery rate was researched by mathematic model.Combining with an engineering,when the condensing temperature fix on 42℃,the hot water flow rate depends on the latent heat load and the cold load if the designed temperature of heated water is less than 47℃,while the heat recovery rate increases with the designed temperature of heated water increased.When the designed temperature of heated water is greater than 47℃,the designed flow rate of heated water depends on the sensible heat load.The heated water flow rate and the heat recovery rate decreases with the temperature of heated water.

heat recovery,condensing heat,temperature of heated water,heat recovery rate

1003-0344（2015）05-051-3

2014-6-18

劉軍（1988～），男，碩士研究生；長沙市岳麓區(qū)中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院（410083）；E-mail:649414037@qq.com