王慧

（合肥工業(yè)大學，安徽宣城 242000）

王慧.熱管換熱器回收空調余熱系統(tǒng)的分析[J].重慶建筑，2019（7）：23-25.

0 引言

在空調的制冷系統(tǒng)中，冷凝器通過做功換熱，將高溫高壓的氣態(tài)制冷劑與外界的空氣做熱交換，將其變?yōu)榈蜏氐囊簯B(tài)形式，如果任由這部分熱量通過冷凝器排放至冷卻介質即自然環(huán)境中，會對室外環(huán)境造成熱污染，加重溫室效應[1]。這部分熱量也會增加空調冷凝器的熱負荷，如果將這部分熱量回收起來，可以有效減少環(huán)境熱污染，也可以減輕空調熱負荷，將會帶來非常大的環(huán)保效益[2]。 若將這部分熱量進行再利用，如作為生活用水的熱源，還能節(jié)約部分用于加熱生活用水的能源，帶來較為可觀的經濟效益。

1 熱管換熱器的優(yōu)勢

現(xiàn)有的熱回收裝置種類眾多，有熱管換熱器、轉輪式換熱器和板翅式換熱器等，下面對它們一一進行比較。

1.1 熱管換熱器

熱管換熱器換熱效率較高，設備費用適中，占用空間小，冷熱換熱對象隔離性能好，不產生交叉污染。而且熱管換熱器不需要輔助設備，抗凍能力較好，可應用于溫度變化較大的環(huán)境中。其接管靈活，施工方便簡易，對于后期的維修護理較為方便。

1.2 轉輪式換熱器

轉輪換熱器由轉芯、傳動裝置及調速裝置組成。轉芯呈蜂窩狀，它是主要工作部件。轉芯由金屬基體和儲熱性能良好的添加物組成，目前較為成熟的制作方法是以鋁箔為基體，混合有硫酸鈉、氯化鈉和氯化鏗等吸熱劑和吸濕劑。換熱器的內部設有分隔板，上方通冷風，下方通熱風，兩者逆向流動。換熱器工作時，轉芯轉動，其上具有吸熱儲熱吸濕功能的涂層吸收熱風中的熱量與水蒸氣，當該部分涂層遇到冷風，在溫差與水蒸氣分壓差的作用下將熱量放出，實現(xiàn)了熱交換。

轉輪式換熱器對密封性能要求較高，且換熱過程較為緩慢，需要額外的電能使轉芯旋轉工作，使用成本相較于熱管換熱器較高。

1.3 板翅式換熱器

板翅式換熱器的芯體翅片是由多孔纖維材料制成，并作為兩換熱對象之間的分隔板。分隔板是多孔纖維材料經化學加工后制成波形薄板，薄板彼此交叉堆疊后膠合而成。分隔板具有較強的傳熱能力，當隔板兩側的流體存在溫差時即可進行熱交換。但由于芯體翅片對流體的流動有阻礙作用，隨著芯體翅片的密度增加，流體的壓降也會加大，系統(tǒng)為克服壓降將額外做功，當兩側流體的溫差不大，回收的能量較少時，將得不償失。

2 設計系統(tǒng)

2.1 熱管換熱器工作原理

在熱管內的蒸發(fā)段，液態(tài)工質吸收外界熱源熱量后，產生汽化潛熱，進而發(fā)生相變變?yōu)橐簯B(tài)。產生的蒸汽密度較低，在管內壓差的作用下，上升至冷凝段，蒸汽遇到低溫壁面及外部冷源后，重新凝結成液體，液化時放出潛熱，并通過管壁將熱量傳遞到外部冷液體，而管內液化后的液態(tài)工質在重力作用下回流到蒸發(fā)段，再次進行吸熱蒸發(fā)。如此循環(huán)反復，實現(xiàn)對外部冷熱兩種介質的熱量傳遞與交換[3]。

熱管換熱器分為氣-液式、液-液式、液-氣式、氣-氣式等，該系統(tǒng)采用氣-液式熱管換熱器，利用重力使液體介質回流。我們采用熱管換熱器是由于其效率較高，設備費用適中，易于維護保養(yǎng)，占用空間小，不產生交叉污染，不需要輔助設備，抗凍能力較好，符合我們改造管道的需求，接管靈活，施工起來方便簡易。圖1、圖2為簡略的熱管換熱器的工作原理示意圖。

圖1 換熱裝置結構圖

圖2 熱管換熱器結構圖

2.2 空調冷凝器負荷

空調由壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器四個部分組成。冷凝器是空調系統(tǒng)里的高溫換熱組件。在制冷過程中，高溫高壓的氣態(tài)制冷劑從壓縮機中傳送到冷凝器中進行冷卻液化，將吸收的熱量與外界的空氣進行熱交換，但是在實際中冷凝壓力由于流動阻力而有所損失，會產生一定的變化，那么冷凝溫度由于冷凝壓力的變化也發(fā)生了一定變化，冷凝溫度的變化會導致冷凝器的工作效果不穩(wěn)定[4]。而冷凝器處冷凝溫度過高會增加冷凝器的熱負荷，減少冷凝器構件使用壽命，也會降低冷凝效率。如果在冷凝器處加上回收熱量裝置，可以解決上述問題，對冷凝器起到保護作用?；诖?，我們提出了空調余熱回收系統(tǒng)。

2.3 余熱回收系統(tǒng)工作原理

余熱回收系統(tǒng)由空調機組的制冷系統(tǒng)、熱回收換熱器、儲熱水罐及與其配套的管路與閥門組成。圖3為余熱回收系統(tǒng)的工作原理圖。

圖3 余熱回收系統(tǒng)結構圖

余熱回收系統(tǒng)包括進水管、空調冷凝器、換熱裝置、出水管及儲熱水箱。

以夏季空調工作狀況為例，夏季空調冷凝器排熱攜帶著大量熱量，我們在原有的空調冷凝器外安裝一個汽-液熱管換熱器，以收集這部分熱量。待加熱的冷水首先從進水口進入，通過管道到達該換熱器，利用其液體介質汽化吸熱冷凝放熱的性質，將空調冷凝器排熱中的熱量傳遞到冷水中。冷水直接通入換熱器，經過加熱后從出水管輸出流入儲熱水罐中儲存以供使用。

評價制冷空調系統(tǒng)的性能指標，特別是對于熱回收系統(tǒng)，應該建立一個包含有效制冷量和有效熱回收量的綜合能效比IEER，熱回收蓄能空調系統(tǒng)的IEER定義如下：

其中各運行模式下的綜合能效比單制冷IEER1、制冷帶熱回收IEER2分別如下所示：

式中：Qh為熱回收量，W；W0為機組耗功量，W；Qe為機組制冷量，W；Qloss為壓縮過程其他消耗量，W；h1為壓縮機吸氣狀態(tài)下制冷劑的比焓，J/kg；h2為壓縮機壓縮終點制冷劑的比焓，J/kg；h3為熱回收換熱器出口狀態(tài)下制冷劑的比焓，J/kg；h4為采用熱回收裝置的制冷劑過冷液體的比焓，J/kg。圖4為熱回收系統(tǒng)熱力循環(huán)壓焓圖。

圖4 熱回收系統(tǒng)熱力循環(huán)壓焓圖

由此可見，制冷帶熱回收的綜合能效比比單制冷的綜合能效比要高，而且空調放出熱量越多，熱回收系統(tǒng)效能比越高。

2.4 設計注意事項

熱管換熱器的安裝要嚴格按照設計要求進行，我們所選的是氣液式熱管換熱器，要垂直放置。換熱器分隔板與熱管之間不能有空隙，要連接嚴密，防止氣液交叉污染。對熱管要進行排查，防止熱管換熱介質的泄露，污染水源。對于此系統(tǒng)在公共建筑處安裝時要注意管道的排布，注意氣體順流。

3 節(jié)能環(huán)保分析

3.1 空調余熱造成的熱污染

熱污染是指人類在生產或生活中排放的廢熱所造成的環(huán)境污染。熱空調就是污染源之一[5]?？照{通過制冷裝置做功，將室內的熱量轉移到室外，使室外溫度局部升高，當大量空調同時工作時，其產生的大量廢熱聚集起來，在短時間內無法擴散，這樣就造成了熱污染。那么，通過熱管換熱器對空調廢熱的再回收，就能減少熱量排放量，從而降低空調的熱污染影響。

3.2 空調余熱的回收再利用能有效地節(jié)約能量

余熱回收系統(tǒng)加持到空調中，將會加強制冷空調冷水機組冷卻效果，降低冷凝壓力，從而降低冷卻機組的電損耗。不僅如此，回收的空調余熱可以作為新的熱源為其他裝置提供熱量，不僅可以減少其他裝置（如家用熱水器、供暖鍋爐等）的燃料使用量，還可以減少因使用新的熱源而產生的污染廢料。

4 應用場合

考慮到熱管換熱系統(tǒng)的經濟性與最大換熱效率的工況條件，該系統(tǒng)適用于空調集中化程度高的場合。由于空調集中化程度高，制冷系統(tǒng)也就相對集中，余熱排放密集，這就與熱管換熱器中的冷液體工質存在較大的溫度梯度，提高了回收效率。

4.1 熱管換熱系統(tǒng)回收空調余熱加熱列車水箱

列車空調產生了大量的余熱，回收后，可作為水箱的預熱熱源。在空調冷凝器外加設換熱系統(tǒng)，以回收冷凝器排放的余熱，通過換熱器將熱量傳輸給水箱，從而達到余熱利用的目的。該系統(tǒng)適用于普通列車、高鐵、動車等具有空調裝備的列車組，對列車進行小型改造便能起到節(jié)約電能的作用。

4.2 熱管換熱系統(tǒng)用于辦公樓的空調余熱回收

辦公樓等人口密集區(qū)，多采用大型中央空調，這種制冷系統(tǒng)集中的空調尤為適用余熱回收裝置。通過該系統(tǒng)對空調余熱的回收，對熱量進行二次利用，可以用于洗盥用水的加熱。對于加熱飲用水，使用雙加熱系統(tǒng)，即空調余熱和鍋爐或電能共同作為熱源將飲用水加熱至沸騰，供人飲用。該系統(tǒng)不僅可以用于辦公樓，也可用于醫(yī)院、教學樓和酒店等場所。

5 空調余熱回收系統(tǒng)的局限性

盡管該系統(tǒng)具有較高的經濟性能，但余熱回收系統(tǒng)本身會受到安裝場地的直接影響，有時會提高系統(tǒng)的安裝難度，甚至提高了經濟成本。并且，在熱量回收的過程中，包括儲熱和傳熱等過程都有一定的熱損耗，最終得到的能量較少，如何減少在此過程中的損耗將是十分重要的科研課題。再加上，對收集到的余熱再次利用，也只能將其作為輔助性熱源，且作為熱源的加熱效果受到水量多少的影響較大，加熱效果不穩(wěn)定，以上因素均限制了空調余熱回收系統(tǒng)的應用。

6 發(fā)展前景

兼具良好經濟性的環(huán)保節(jié)能產品有著較強的市場競爭力，此余熱回收系統(tǒng)將和普通鍋爐或電能共同使用，成為雙熱源生活熱水系統(tǒng)[6]，能夠有效減少在用電用水上的開銷。再加上該熱管換熱器回收空調余熱系統(tǒng)具備諸多優(yōu)點，能有效減少換熱器初投資，縮短換熱器投資回收期[7]，因此，該系統(tǒng)具備良好的應用前景。

基于上述分析，將余熱回收系統(tǒng)應用于中央空調系統(tǒng)，只能夠應用于具有長期穩(wěn)定輸出的冷負荷公寓以及賓館等多種大型公共場所。借助該系統(tǒng)在充分滿足對于熱水使用需求的同時，能夠實現(xiàn)資源的節(jié)約[8]。