蒸汽压缩式制冷冷凝热回收的应用

【引言】能源是人类赖以生存的五大要素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物资。经济的发展必须以能源的保障供应作为基础。据统计，2005 年我国建筑能耗共计 4.5 亿 tce，占当年全社会终端能源消耗量的 27.8%，并有继续增加的趋势，建筑节能已成为我国政府的一项基本国策。在建筑能耗中，空调能耗和生活热水能耗占主要部分，城市民用建筑仅洗澡热水用能就接近 20%，而各类商业建筑热水能耗为其总能耗 10%~40%[1]，我国经济不断发展，人民生活水平的不断提高，随之而来的是我国的能源消耗不断攀升，我国已经成为世界最大的能源消耗国。如何节能降耗成为了当今时代的主要话题，也是国家面临的新的挑战。如何减少生活热水制备上的能耗，也成为了建筑的绿色节能的一部分。各种对废热、可再生能源的利用技术也在我国积极的节能政策鼓励下涌现。今年来，蒸汽压缩式制冷已经成为中央空调主要的制冷方式，大量的冷凝热通过冷却塔排放，通过回收冷凝热加热生活热水，成为建筑节能的一个热门话题。

【摘要】：冷凝热回收的系统选择一直以来都是空调专业的内容，而对于给排水专业，空调热回收只是一个热源，如何选择这种热源的供热方式，一般给排水设计人员很难把握。本文就蒸汽压缩式制冷冷凝热回收在制备生活热水上的应用方式进行了全面分析。并提出了有节能参考意义的能效比的计算方式，通过能效比的计算，对各种冷凝热回收方式的经济性进行了分析，并通过实际有热水需求的工程实例的制冷负荷及热水耗热量的计算，探讨了可能利用的冷凝热回收的方式的可行性及经济性，为给排水专业通过本专业热水耗热量计算选择供水及热回收方式选择提供依据。

【关键词】冷凝热回收，全热回收，部分热回收，

蒸汽压缩式制冷冷凝热回收基本原理

制冷机制冷的原理分为吸收式制冷和蒸汽压缩式制冷。蒸汽压缩式制冷是利用逆卡诺循环，液态制冷剂经节流阀减压后在蒸发器内低压下蒸发吸收热量，吸收热量后的低温低压制冷剂蒸汽通过压缩机压缩成高温高压的气态制冷剂，制冷剂蒸汽在冷凝器中将热量传给冷却水，同时冷凝为液态制冷剂，放出冷凝热。冷凝热回收即回收制冷剂的冷凝热加以利用。标准型制冷机的工作流程如图1

蒸汽压缩式制冷冷凝热回收在制备生活热水上的主要形式及应用比较

蒸汽压缩式制冷冷凝热回收的主要形式有以下几种：

2.1 附加冷凝器的热回收形式，这种热回收形式是通过增加附加的冷凝器，制冷剂直接在冷凝器内放热回收冷凝热。附加冷凝器分附加辅助冷凝器和双冷凝器热回收方式。

附加辅助冷凝器即在原始冷凝器前串联一个辅助冷凝器以回收冷凝热，辅助冷凝器只作为热回收用，制冷剂的冷凝主要依靠原始的冷凝器完成。这种方式的特点是热回收制备的热水水温较高（活塞式、螺杆式压缩机最高到60°C，一般为55°C，离心式压缩机最高到41°C），由于制冷剂的冷凝主要靠原始的冷凝器冷凝，系统制冷效率不受影响，甚至可提高5%~15%【2】。但这种热回收方式只能回收部分冷凝热（15%~20%），这种附加辅助冷凝器热回收，又称部分热回收。

双冷凝器热回收，又称全热回收。设置双冷凝器即在原来的标准冷凝器上并联一个冷凝器用于冷凝热回收。制冷剂在两个冷凝器中的一个进行冷凝，由于冷凝压力受冷却水温度的影响较大（冷却水温度每提高1C，活塞式、螺杆式压缩机的制冷量下降0.8~2%，离心式压缩机的制冷量下降3%），因此，热回收工况下，对制冷剂的制冷量影响较大（正常工况下COP值4.2~5，热回收工况下为3.3~3.6

2.2循环冷却水热回收。循环冷却水热回收即回收冷凝器循环冷却出水（37°C）中的热量，由于热回收是在制冷机外进行，对制冷机的制冷效果没有影响。这种热回收有两种，一种是直接回收，另一种是通过制冷机制冷循环回收，又称叠式制冷机热回收。

直接回收方式是通过板式换热器换热，对热水进行预热，这种热回收方式制备的热水温度较低，一般只有30°C，除特殊情况（用于泳池水加热）外需要辅助加热才能使用。

叠式制冷机热回收是通过一个制冷机的制冷循环回收循环冷却水中的热量，这种热回收方式实质上是以循环冷却水为热源的水源热泵制备热水。该方式的特点是回收制备的热水水温较高（一般为55~60°C），制冷机的效率较高，COP值能达到4.2`5。

3、冷凝热回收应用的节能分析及系统选择

我国电力生产仍然以火电为主，火电厂平均电热转换效率为 33%，经过输配损失，终端效率大约为 30%【3】。而目前燃气热水锅炉的综合热效率在80%~90%，要使热回收系统具有与传统锅炉相比较的节能优势，热回收部分能效比大于3.0时，就具备比燃油锅炉供热更好的能源效率和经济性。

对于热回收能效比的计算，在制冷技术上定义为热回收热量与制冷机的输出功率比COPh，本人认为这种定义对于热回收的经济性评价没有可参考性。本文将以热回收量与热回收耗能比作为热回收能效比，分析如下：

3.1 对于部分热回收，由于热回收过程对制冷过程没有负面影响，甚至会提高制冷机的制冷效率，热回收的能耗几乎为零（只有换热循环的循环泵的耗能），其热回收性能系数非常高，数学意义上为无穷大，部分热回收的经济性是最高的。

3.2 对于全热回收系统，由于热回收工况下，制冷机的制冷效率降低，制冷的COP值降低，实际上全热回收系统热回收是耗能的，以YORK的YSEXEWS55CMEO机组为例，其额定功率的320KW，正常工况下，COP为4.55，热回收工况下（回收热水温度50/55C）制冷COP为2.56，热回收量为1139kw，其热回收耗能计算为：

P==180（kw）

热回收能效比为：

==6.33

其能效显然高于燃气热水锅炉的能效。

3.3 冷凝器冷却水出水加板换的热回收形式其制热部分的能耗为零，但回收热水温度低，温差小，换热循环泵的能耗相对部分热回收大，相比其他形式较高，但热水使用受水温限制。

3.4叠式制冷机热回收，这种热回收形同水源热泵，其能效比和热泵制热相同，循环水水温相比自然水体水温高，相比取源自然水体的热泵制热，能效比要高，一般能效比在5以上。

通过以上分析，冷凝热回收都具有与传统一次燃源燃料锅炉相比较的节能优势。在选择上，如果制备热水水温要求低（如泳池热水或热水给水预热），可优先选择冷凝器冷却水出水加板换的热回收形式，投资少，系统简单，能效比高。对于水温要求高的，从能效比考虑，以部分热回收能效比最高，对于新建项目，在水量能满足要求的情况下，优先采用部分热回收，当水量要求大，部分热回收不能满足的情况下，优先采用全热回收。对于节能改造项目，由于冷冻机组已经安装运行，更换机组代价太高，可优先采用叠式制冷机热回收。

冷凝热回收制备生活热水的热回收形式的选择。

热回收形式的选择主要考虑的问题是制冷季节下热水用量与热回收热量的关系及热回收热水温度与热水使用温度的要求之间的关系问题。

在建筑热水需求上，热水用量最大的是公共浴场建筑，其次为医院、宾馆建筑，然后是休闲娱乐中心。在苏州地区，大型的单一功能的公共浴场建筑几乎没有，下面就医院、宾馆建筑制冷季节冷凝热回收量分析如下：

苏州某医院，建筑面积3.8万平米，床位数332床，制冷季空调制冷负荷为3634.5kw，设计日热水用量为142立方米，夏季最大小时耗热量1141kw。当采用全热回收制冷机组进行热回收时，可回收的热功率为2846kw，远远大于最大小时耗热量，而采用部分热回收时，热回收效率15%~20%计，可回收热功率为585~780kw，考虑15%的散热损失，可制备55C热水量12.45~16.6m3/h，空调平均时负荷为设计负荷的50% 【4】，即日产热水量149.4~200m3，可见部分热回收在设计工况下只能勉强满足医院热水用水量的要求。但如果采用冷凝器冷却水出水加板换的热回收方式对生活热水进水进行预热，流程如下图2：

在这种流程下，进水温度预热至30°C，则空调热回收可制备热水量为210~280 m3，即使在70%~50%制冷负荷的情况下，部分热回收也能满足医院热水要求。

昆山某酒店，建筑面积4.5万平米，客房数268间，制冷负荷4400kw，设计日热水用量148m3/d，夏季设计小时耗热量1129kw。当采用全热回收制冷机组进行热回收时时，可回收的热功率为3433kw，远远大于设计小时耗热量。采用部分热回收时，可回收的热功率为660~880kw，考虑15%热损耗，可制备55C热水量14.1~18.8 m3/h，同样，空调平均时负荷为设计负荷的50%，则日产热水量为169~225m3，在空调满负荷运行的情况下，部分热回收能勉强满足酒店热水用水需求，同样，如果增加冷凝器冷却水出水加板换的热回收方式，则可制备热水量可达到236.6~315 m3，即使在63%~47%空调负荷的情况下，也能满足酒店热水的供应。

结论

由上面的分析可以看出，对于苏州地区，采用冷凝器冷却水出水加板换的热回收方式预热，然后由部分热回收将热水加热至55°C的联合热回收方式可以有效的满足酒店、宾馆建筑主要制冷季节热水用水的需求。且能达到最佳的能效比，全热回收热回收量在满足自身热水需求的同时，仍有很大的余量，全热回收是以降低制冷机制冷效率为代价的，本身是耗能的。在经济上不如循环水加板换预热的部分热回收方式经济节能，但能在更长的制冷期内满足热水加热需求。对于苏州地区，夏季时间长，部分制冷负荷季节相对较短，部分热回收具有相对高的节能效果。

【参考文献】

[1] 国家外经贸部，我国城市居民能源消费现状[J]，能源工程，2002（1）: 48。

[2] 黄秋生，酒店中央空调热回收应用案例及节能分析，机电信息 2008 （ 22） ：43

[3] 周湘江，HFC125 临界热泵特性研究，上海交通大学博士论文，2006.10

[4] 王浩，宾馆冷水机组热回收技术应用研究，西安建筑科技大学学位论文，2005.6