家用空调余热的回收利用研究

摘 要：该文对家用空调余热的回收利用进行了分析。首先提出了家用空调余热利用的基本原理，并给出了相应的装置系统。其次，以上海某三口之家典型居住条件为研究对象，计算其空调冷凝负荷和家用热水负荷，分析加热热水所需的时间。最后，对比单纯的电加热器，分析了家用空调余热利用系统的经济技术性能。

关键词：空调 余热 污染 能源消耗 经济效益

中图分类号：TM5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（c）-00-03

近年来，我国家用空调在城市中日益普及，家用空调拥有率以惊人的速度增长。全国城市居民每百户空调器拥有量2010年底平均已达143台。同时，随着生活水平的不断提高，人们对生活热水的需求越来越大，用于加热生活用水的一次能耗也越来越大。据估计，发达国家热水供应的能耗将成为继室内供暖空调之后的第二大能耗，在美国，热水器能耗占居住总能耗的17%，今后还将有继续上升的势头。因此利用空调的冷凝热加热生活用水的意义十分重大。

1 空调冷凝热回收利用

1.1 利用余热加热生活用水

我们对家用空调进行改装，设置热回收换热器（水冷冷凝器），与机组原有的风冷冷凝器串联或并联。其冷凝热回收系统可以将自来水直接送入空调热回收换热器，水流方向与热回收换热器内制冷剂流动方向相反，设置保温储水箱，电加热器，可从而实现空调制冷供热水的一体化。利用冷凝热加热生活用水不仅在系统上较为简单，冷凝热加热生活用水在成本上也较低，具有推广的潜力。

1.2 空调冷凝热回收系统

若对家用空调进行有效地改装，加设套管式冷凝器和阀门，可实现对冷凝器热的回收。图1为新型的空调冷凝热回收系统原理图，它包括空调的制冷系统、水泵、套管式冷凝器、保温水箱和电加热器，可以用来在夏天回收空调的冷凝热，其运行可以有以下三种方式。

单独制热模式：关闭套管式冷凝器两侧的阀门，套管式冷凝器停止工作，进行逆卡诺循环，可实现空调的制热模式，这也是一般的家用空调的运行模式。

单独制冷模式：关闭套管式冷凝器两侧的阀门，开启冷凝器侧的风机进行机械通风，通过风机将空调的冷凝器热排放到室外，即可实现空调的单独制冷，但是这种方式无法利用空调的冷凝热，同时可造成室外环境的热污染。

制冷―热水模式：系统加设一个套管式冷凝器，将套管式冷凝器与机械通风冷凝器串联在系统中，制冷剂在内管下进上出，冷却水在套管式冷凝器内上进下出，但是套管式冷凝器中的冷却水只能承担部分的冷凝热负荷，如果不开启风机进行机械通风，系统的冷凝压力、蒸发压力、和排气温度会有上升，如果排气温度过高，超过压缩机极限排气温度120 ℃，会导致压缩机的损坏，因此在制冷―热水模式中，机械通风也很重要。系统进行的冷凝热回收和用户对热水需求的时间是不同步的，有时间差，因此系统要设置一个保温的储水箱。同时系统设置一个电加热设备，当水温不能够达到用户的要求时，或者空调系统不开启时，来满足用户日常的生活热水的需求。

2 案例分析

以上海某三口之家典型居住条件（90 m2）为研究对象（如图2），分析夏季7～9月家用空调冷凝热回收利用于热水系统，对其进行计算。

2.1 夏季空调冷负荷计算

上海市室外气象条件：北纬31°10′，东经121 °26 ′，海拔4.5 m；大气压力：夏季100.53 kPa；室外空气计算参数：室外计算干球温度34.0 ℃，室外计算湿球温度28.2 ℃；夏季室外风速3.2 m/s。夏季室内空气干球温度26 ℃，室内空气相对湿度65%，新风量：≥30 m3/（人・h）。

该住宅选取空调类型：主卧室和次卧室选用格力KFR-35GW/K（35556）K1C-N2，制冷量为3500 W；客厅选用格力KFR-50LW/（50566）Aa-3，制冷量为5200 W。

2.2 家用热水负荷的计算

夏季地表水温度平均20 ℃，三口之家，用户日用水量约为300 L。夏季自来水可加热到65 ℃，则温升为Δt=45 ℃。加热300 L生活用热水所需要的热量为：

2.3 夏季空调冷凝器加热热水时间的计算

在8：00至16：00，只有次卧室开空调，所能放出的热量为：

在16：00至22：00，只有客厅开空调，所能放出的热量为：

在22：00至8：00，主卧室与次卧室都开空调，所能放出的热量为：

则1 d所放出的总热量为312840+125136+139449.6=577425.6 kJ远大于56416.5 kJ。

夏季家用热水加热总量为V=300 L=0.3 m3。

（1）主/次卧室内冷却水体积流量为：

即夏季用主/次卧室的加设冷凝热回收装置的空调加热生活用水，需要144 min左右，就能够满足家庭热水需求。

（2）客厅内的冷却水体积流量为：

即夏季用客厅内的加设冷凝热回收装置的空调加热生活用水，需要97 min左右，就能够满足家庭热水需求。

（3）在22：00至8：00之间加热水，主卧室与次卧室都开空调，将两个冷凝器串联，则其冷却水体积流量为：

即夏季用客厅内的加设冷凝热回收装置的空调加热生活用水，需要72 min左右，就能够满足家庭热水需求。

所以，夜间利用冷凝器放出的热量对水进行加热，在恒温水箱进行保温处理。

3 经济技术分析

3.1 用电成本分析

（1）使用制冷―热水模式的空调热水器

该三口之家空调每天的开启为：主卧室的总小时数为10 h（22：00至第二天的8：00）；次卧室的总小时数为18 h

（22：00至16：00）；客厅的总小时数为6 h（16：00至22：00）。空调用于制冷方面的每天平均能耗为Qkth=1.06×10+

1.06×18+1.49×6=38.62 kWh；辅以电加热300 L热水所需的功耗为：5 kWh。

（2）使用电热水器

假设选用美的F65-21B1电热水器加热每天所需生活热水，其加热功率为2100 W，则用该电热水器将300 L的水从20 ℃加热到60 ℃所需要的热量为t=cp×V×ρ×Δt=4.178×0.3×0.98×

103×（65-20）=55275 kJ，所需时间为t=55275/2.1=26321 s=7.3 h，则根据上式计算可知，利用电热水器制备生活热水时，每天所消耗的能量为15.33 kWh；

（3）两种方案比较

根据上面所得每天所用于制冷的能耗、各种制备生活热水所有的能耗以及上海市空调开启的天数，可以得出各种配置方案的夏季能耗量，如表1所示。

考虑到两种配置方案均要消耗电能，所以方案的运行成本如表2表示，由于两种方案中空调部分耗电量及用电价格相同，故下表只比较电加热部分。上海市居民的日间用电价格为0.61元/度，夜间用电价格为0.3元/度。空调―热水器中电加热部分使用的是夜间电，而普通电热水器使用的是日间的电。

需要指出的是，本设计中的空调―热水器在夏季制备生活用水大部分是利用空调的冷凝器热，节约电能，根据表2计算所得数据，可由下式计算出相对于空调+电热水器的节能率：=929.7/4855.5=19%

3.2 初投资的比较

电热水器选用美的F65-21B1电热水器，对空调―热水器和空调+电热热水器初投资进行比较，将两种系统的投资成本汇总成表，两种配置的投资成本如表3表示。

由表可以看出，利用夏季冷凝热进行改装的家用空调―热水器的投资成本要比空调+电热热水器的投资成本高，但是其在夏季每年可以节约用电费706.5元。即空调―热水器的回收期为两年，长期运行费用要比空调+电热水器的节约。新型空调―热水器系统不仅经济效益良好，而且在安全上会更加的可靠，不存在漏电等危险。

4 结语

本论文提出利用回收空调冷凝热制备生活热水，将家用空调和热水器合二为一，能有效的利用多余的资源，实现一机多用，方便万家千户。

（1）本新型家用空调系统利用冷凝余热加热生活用水，每天仅仅需要72 min就能够把300 L水加热至50 ℃，而且完全能够满足家庭用户日常的生活用水，在减少电能的使用的同时，更没有漏电危险，既安全又节能。

（2）本新型家用空调热水系统相较于传统的空调+电热水器分体式装置，其可在夏季节能929.7 kWh，节能率约为19%，在技术上是完全可行的。而在空调期每日可减排冷凝热577425.6 kJ，在很大程度上缓解了由于夏季空调冷凝热的大量排放而引起的城市热岛效应，具有重大的节能减排意义。

（3）新型家用空调系统在初投资的成本上与传统的家用空调+电热水器相比，虽比家用空调+电热水器方案多1401元，但是其每年夏季可以节约电费706.5元，所以长久来看具有明显的优势，值得我们去推广。

（4）本设计结构较为简单，只需要对现有的空调机组进行改装，而且投资的成本不高。符合我国空调节能和可持续发展的要求。

参考文献

[1] 陆亚俊，马最良，邹平华.暖通空调[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] 赵荣义.简明空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[3] 彦启森，石文星，田长青.空气调节用制冷技术[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4] 采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）[S].北京：中国计划出版社，2005.