周歡偉，瞿東麗，蔡 亮

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510430；2.廣東省機(jī)械研究所有限公司，廣州 510635；3.廣州和易包裝設(shè)備有限公司，廣州 510440）

0 引言

中央廚房在餐飲熟化、冷庫制冷、空調(diào)制冷時(shí)產(chǎn)生大量的熱，主要包括蒸煮的蒸餾水、熟化的設(shè)備、空調(diào)的末端設(shè)備、空調(diào)的末調(diào)設(shè)備，這些設(shè)備產(chǎn)生的熱能大部分被排出中央廚房，這樣既不節(jié)約能源，又是使全球溫度升高的一個(gè)因素。根據(jù)國家《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）、《通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理規(guī)范》（GB50365-2005）等規(guī)定，要求設(shè)置熱能回收裝置。因此熱能回收是中央廚房必須考慮的一個(gè)課題，這對(duì)減少全年的能源消耗量、降低運(yùn)行費(fèi)用、減少溫室氣體的排放和對(duì)環(huán)境的污染都有好處。目前熱能回收的方式有轉(zhuǎn)輪換熱式[1]、熱管換熱式[2]、板式顯熱換熱式[3]、中間熱媒式[4]等，但其各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。綜合熱管換熱式能量回收的特點(diǎn)是在使用壽命和占用空間等方面的優(yōu)勢(shì)[5]，本文中央廚房采用熱管換熱式能量回收方式進(jìn)行。

表1 不同熱能回收方式優(yōu)缺點(diǎn)比較

H Jouhara 等[6]系統(tǒng)研究了熱管換熱式能量回收的技術(shù)發(fā)展歷程，提出了其發(fā)展方向。羅群生等[7]就熱傳遞過程中對(duì)流、輻射的特性進(jìn)行了研究，引入中間節(jié)點(diǎn)，提出了較厚和厚空氣處理夾層與兩壁間的傳熱方法。Ahmadzadehtalatapeh[8]以空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出熱管式熱能回收裝置，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)其可大幅度減少能量損耗。裴秀英等[9]提出了收縮機(jī)氨蒸氣與油冷卻器組合回收熱量的策略。Chaoling Han[10]研究了中溫?zé)峁軗Q熱器的性能，分析了水管的水在溫度場、流場的分布情況，獲得單一熱管的傳熱特性。Y H Diaoa,L Liang等[11]建立了小型平板熱能回收裝置的數(shù)學(xué)模型，分析了不同的室內(nèi)外溫度、風(fēng)量、流速對(duì)熱能回收性能的影響，使夏季熱能回收效率達(dá)57.9%，冬季熱能回收效率達(dá)70.6%。王磊等[12]建立了評(píng)價(jià)熱回收裝備的節(jié)能模型，獲得了提高節(jié)能率的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。韋中師[13]設(shè)計(jì)一款新的裝置，通過改變系數(shù)確定新排風(fēng)量，從而調(diào)節(jié)新風(fēng)量來減少新風(fēng)能耗。

本文通過分析建立中央廚房熱源，建立熱能回收系統(tǒng)布局圖，探索熱能回收的熱交換過程，利用熱管換熱式能量回收的原理，節(jié)約中央廚房的能源，使中央廚房獲得穩(wěn)定有效的熱水，且服務(wù)于中央廚房清潔和消毒等。

1 熱量交換分析

1.1 能量回收的數(shù)學(xué)模型

中央廚房所有設(shè)備釋放的總熱量為Q1，實(shí)際被S 型水管吸收的熱量為Q2，水管里的水所吸收的熱量為Q3，Q3=η2Q2=η1η2Q1，根據(jù)能量守恒定律得：

式中：η1為熱源設(shè)備到水管的熱量轉(zhuǎn)化率；η2為水管到水的熱量轉(zhuǎn)化率；ρ為水平均溫度下飽和水的密度，kg∕m3；q為單位時(shí)間內(nèi)水的流量，m3∕s；s1為管道內(nèi)徑的橫截面積，m2；Q1為釋放的總熱量，J；Q2為熱能回收的熱量，J；Cp為冷卻水平均溫度下的比熱，J∕(kg·℃)，Cp=4 174 J∕kg ?m3；tu為加熱時(shí)間，s；n為加水管道根數(shù)；d為加水管道直徑，m；u為水的流速，m∕s。

水管加熱到底有多少熱量被吸收與水管的高度、受熱面積有關(guān)。根據(jù)熱傳導(dǎo)方程：

式中：k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W ∕(m·℃）；Δx為傳導(dǎo)熱量的物質(zhì)的兩個(gè)端面間的距離，m；Δt為兩端面間的溫差，℃；qρ為導(dǎo)熱熱流密度，單位時(shí)間通過單位面積的熱量，J ∕(m2·s）。

由于水管是S 型的，且只一半吸引熱源的熱量，產(chǎn)生熱能回收，另一半不吸引熱源的熱量。每根管道吸收熱源部分的面積：水通過水管回收的熱量：

式中：l為管道的長度，mm；d為管道的內(nèi)直徑，mm。

以蒸餾汽的熱能回收為例，結(jié)合式（1）～（3），可得產(chǎn)生熱能回收水的體積為：

式中：V1為蒸餾汽的熱能回收熱水量。

結(jié)合式（4）～（5），使水管回收的水升溫Δt時(shí)，通過tu時(shí)間后水流經(jīng)S型水管，產(chǎn)生的熱水體積為：

式中：Q31為餾汽的熱能回收的熱量。

1.2 其他熱源分析

其他熱源熱能回收的數(shù)學(xué)模型與蒸餾水的熱能回收相同，借鑒式（6）可獲得熟化設(shè)備、冷庫末端設(shè)備和空調(diào)末端設(shè)備等熱源的熱能回收水體積V2、V3、V4，以及相應(yīng)熱能回收的熱量Q32、Q33、Q34，從而獲得中央廚房通過熱能回收系統(tǒng)產(chǎn)生總熱水量為：

V=V1+V2+V3+V4

回收到的總熱量為：

Q=Q31+Q32+Q33+Q34

1.3 熱能回收效率分析

熱能回收過程中，水會(huì)出現(xiàn)層流和湍流現(xiàn)象：層流時(shí)，水以直線形態(tài)平穩(wěn)流過，只有靠近加熱一側(cè)的管道壁的冷水參與了熱交換，而中心處的水直接流過，不參加熱交換，此時(shí)熱能回收效果較差；湍流時(shí)，水在管道內(nèi)呈渦旋翻滾的流動(dòng)狀態(tài)，水管內(nèi)大部分都參與熱交換，熱效果較好，因此熱能回收時(shí)需要水管里的水處于湍流狀態(tài)。判斷圓管內(nèi)冷卻水流動(dòng)狀態(tài)的指標(biāo)為雷諾數(shù)：

式中：ν為水的運(yùn)動(dòng)黏度，自然溫度下，水的運(yùn)動(dòng)黏度ν=0.805× 10-6m2∕s。

以中央廚房的熱水管采用304 不銹鋼無縫鋼管為例，類型選為DN20的水管，其外徑為25 mm，內(nèi)徑為20 mm。根據(jù)計(jì)算，對(duì)于圓管的流雷諾數(shù)大于2 300 時(shí)層流轉(zhuǎn)湍流。要使得流雷諾數(shù)大于它，根據(jù)式（8）可得，水管里水的流速u≥0.092 5m∕s 才能保證其在水管里是湍流狀態(tài)。在中央廚房實(shí)際運(yùn)用中，為確保水管的水能及時(shí)快速地形成熱交換，達(dá)到吸收更多熱量的目的，建議u≥1.5 m∕s。

2 熱能回收系統(tǒng)布局

2.1 整體布局

中央廚房的熱能回收是通過管道內(nèi)的冷水吸收多余熱量，實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。中央廚房熱能回收系統(tǒng)分為3段：吸熱段、傳熱段、輸送段。在吸熱段，水管的管壁吸收大量來自熱源的熱量；在傳熱段，水管的管壁熱量傳遞給水管里的冷水，使冷水加熱，此段水管的水靠近水管壁的部分水溫高于水管中心的溫度；在輸送段，將熱水傳遞到下一個(gè)工位，此段水管的水通過熱傳遞，使溫度達(dá)到均勻。在流體壓力差和密度差的共同作用下，在輸送段水管的水溫度低于傳熱段的溫度，在毛細(xì)動(dòng)力作用下克服流動(dòng)過程的阻力，且在泵的作用下，水管的水實(shí)現(xiàn)向前運(yùn)輸送，直到熱水箱，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)加熱。

中央廚房的熱能回收從冷水箱的水在泵1 的作用下向熱水箱，在泵2和單向節(jié)流閥1的作用下，熱水箱的水流向蒸餾汽熱能回收處，經(jīng)過熟化設(shè)備熱能回收處，以及冷庫末端設(shè)備處、空調(diào)末端設(shè)備處，最后在泵3或泵4的作用下，回到熱水箱內(nèi)，完成水管回收熱能的整個(gè)過程。如圖1所示。

圖1 中央廚房熱能回收系統(tǒng)布局

2.2 工作過程

熱水回收過程分為5個(gè)步驟。

（1）在泵1 的作用下，水從冷水箱中流向熱水箱，當(dāng)熱水箱的水低于最低位時(shí)，泵1 自動(dòng)啟動(dòng)向熱水箱里加水；當(dāng)熱水箱的水高于最高位時(shí)，泵1停止工作。

（2）在泵2 的作用下，水通過水管流經(jīng)單向節(jié)流閥1，經(jīng)過蒸餾汽的設(shè)備熱源后，流向熟化設(shè)備熱源上方，并經(jīng)過冷庫設(shè)備末端設(shè)備熱源回收熱量。

（3）當(dāng)在外界溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，室內(nèi)空調(diào)需要開啟制冷模式，此時(shí)閘閥2關(guān)閉，閘閥1開啟，水通過水管流向空調(diào)末端設(shè)備熱源回收熱量，在泵3 的作用下，經(jīng)過單向節(jié)流閥2的作用，流入熱水箱。

（4）當(dāng)外間溫度低于室內(nèi)溫度時(shí)，室內(nèi)空調(diào)開啟制熱模式，此時(shí)閘閥1 關(guān)閉，閘閥2 開啟，在泵4 的作用下，經(jīng)過單向節(jié)流閥3的作用，流入熱水箱。

（5）蒸餾汽水完成工作后，在泵6 的作用下，經(jīng)過單向節(jié)流閥5，流入熱水箱，當(dāng)水面超過熱水箱最高位時(shí)，泵6自動(dòng)停止。泵6的工作與否是由蒸餾汽的水是否還要用為標(biāo)準(zhǔn)，如果需要用，則泵6不工作；如果不用，泵6工作。

2.3 熱能后置處理

熱能回收能量應(yīng)用與污水排放分為5個(gè)步驟。

（1）各設(shè)備的通過熱能回收后，產(chǎn)生的冷凝水集中回到到冷卻塔中，通過排水管道直接排入市政管道。

（2）當(dāng)需要用到熱水箱的水時(shí)，泵5 開啟工作，經(jīng)過單向節(jié)流閥4，流向用戶，用戶包括淋浴和清洗物品等。

（3）當(dāng)水管的水溫達(dá)到指定溫度時(shí)，溫度開關(guān)1 開啟，溫度開關(guān)2 關(guān)閉，中央廚房人員可利用熱能回收的水直接淋浴。

（4）當(dāng)水管的水溫達(dá)不到指定溫度時(shí)，溫度開關(guān)1關(guān)閉，水經(jīng)過水管流向熱水器，經(jīng)熱水器加熱后，達(dá)到溫度開關(guān)2 的溫度時(shí)，中央廚房的人員才可利用此水進(jìn)行淋浴。

（5）在清潔中央廚房的工具、地面等時(shí)，可直接利用熱水箱的溫度清洗。

熱能回收系統(tǒng)的水管是封閉的循環(huán)管道，從熱水箱流向需要回收熱量的熱源，經(jīng)加熱后，水回到熱水箱。

2.4 熱回管道設(shè)計(jì)

熱管換熱式能量回收時(shí)，水管的受熱面積越大，熱能回收的效果越好。為了增加熱水管的受熱面積，在熱能回收的設(shè)備處的水管設(shè)為S型，如圖2所示。

圖2 熱能回收的設(shè)備處水管形狀

3 熱能回收能量應(yīng)用

中央廚房利用熱管換熱式能量回收的原理，回收了大量熱量，將產(chǎn)生的熱水用到需要的地方，包括淋浴和清洗工具等區(qū)域。在使用熱能回收水的區(qū)域，需要安裝雙溫水龍頭，方便使用者根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)冷水和熱水的比例，獲得合適的溫度。

熱能回收的熱水主要用于兩大空間：淋浴空間、清潔空間。如圖3所示。淋浴空間包括淋浴室淋浴龍頭，以及風(fēng)淋室、洗手間、初加工區(qū)域、熟化區(qū)域、分裝區(qū)域等洗手盆的用水。清潔空間包括初加工區(qū)域、熟化區(qū)域、分包區(qū)域等地面清洗，以及周轉(zhuǎn)箱、各區(qū)域工具及設(shè)備等清洗。

圖3 熱能回收熱水用途

4 熱能回收效果

以某一個(gè)餐飲生產(chǎn)量為2 萬份∕8 h 的中央廚房為例，熱能回收的熱源點(diǎn)較多，員工人數(shù)為100 人。一個(gè)人淋浴每4 h用水量為50 L，洗手用水量為5 L，每人每8 h用水量為110 L，一天用水量為11 000 L。清潔周轉(zhuǎn)箱、地面、工具等每8 h 用水量達(dá)40 000 L，總計(jì)8 h 用熱水量達(dá)51 000 L。將這些水從20 ℃加熱到40 ℃，在不考慮熱損耗的情況下，利用上述研究成果可節(jié)約1 190 kW·h 的電能，而且中央廚房內(nèi)部還可以隨時(shí)隨地用到熱水。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)中央廚房的熱源的分析，發(fā)現(xiàn)中央廚房有大量的熱量需要回收，在建立面向中央廚房的熱管換熱式能量回收系統(tǒng)后，探索出熱交換全過程的規(guī)律，構(gòu)建了熱量交換的數(shù)學(xué)模式，獲得了中央廚房的熱能回收能產(chǎn)生的總熱水量和總熱量，分析了熱能回收效率，提出熱能回收時(shí)水的流速。通過設(shè)計(jì)熱回管道的拓樸結(jié)構(gòu)，布局管道的流向，并將熱能回收產(chǎn)生的熱水用于中央廚房的淋浴和清洗等崗位上，使能源再利用。通過熱能回收全局的研究，提高了能源的利用率，并以一個(gè)餐飲生產(chǎn)量為2 萬份∕8 h 的中央廚房為例，每天可為國家節(jié)約1 190 kW·h的電能，證明了研究的有效性。