空调系统冷凝热回收设计分析

陈建胜

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361009)

0 引言

冷水机组制冷的同时，需将大量冷凝热排向室外，如能将此部分热量回收利用，既可减少对环境的影响，又可节约能源。酒店建筑夏季同时存在空调和生活热水的需求，空调系统的冷凝热可回收用于加热生活热水。

空调冷负荷日逐时分布呈现“单峰特性”，与室外气象参数的变化趋势大致相同；生活用水量日逐时分布呈现“双峰特性”，6∶00-8∶00为早高峰、18∶00-22∶00为晚高峰，其余时段为低谷状态[1]。由于生活用水量与空调冷负荷逐时规律不同步且冷凝热回收为循环渐进(温差为5 ℃)加热，冷凝热回收系统应设置水箱或容积式换热器等储热设备。

本文对几种常见的冷凝热回收方式进行理论分析并结合案例，探讨设计中应注意的一些问题。

1 制冷循环

气态制冷剂在压缩机内被压缩，压力及温度升高；高温高压的气态制冷剂通过排气管进入冷凝器中被冷却成为液体，冷凝热通过冷却介质排至室外；高温高压液体通过节流阀，变为低温低压含少量气体的气液混合物，在蒸发器内吸收大量热量，蒸发变成低压的气态制冷剂，再通过吸气管路回到压缩机内以完成制冷循环。

2 部分热回收

如图1所示，部分热回收仅回收压缩机排气口高温高压过热蒸气的显热量，冷媒温度由排气过热温度降至饱和温度，冷媒在此阶段(2-2’)无相变反应，故部分热回收也称为显热回收。

(a) (b)图1 制冷循环压焓图

部分热回收采用串联热回收器的方式，压缩机出口高温高压的过热蒸气先经热回收器，加热生活用水，再经标准冷凝器，排除剩余的热量。

假定空调冷水供回水温度7/12 ℃，冷却水供回水温度32/37 ℃，室外环境温度35 ℃，压缩机工况为：蒸发温度t0=5 ℃，吸气温度t1=15 ℃，水冷冷凝温度tk=40 ℃，风冷冷凝温度tk=50 ℃，过冷度为2 ℃。

查冷媒压焓图可得各状态点参数，并通过计算可得显热回收比例(热回收量与制冷量的比值)φ。

(1)

h2、h2′分别为热回收器进、出口处冷媒的焓值；h4、h1′分别为蒸发器进、出口处冷媒的焓值，kJ/kg。

表1 R134a 部分热回收比例计算表

由表1可见，R134a水冷、风冷冷水机组排气温度t2为54 ℃、64 ℃，热回收冷凝器侧的换热温差按3 ℃计，则水冷、风冷冷水机组部分热回收出水温度可达51 ℃、61 ℃；部分热回收量较小，仅为制冷量的10%～15%。

部分热回收可减少标准冷凝器的负担，机组COP有所提高，但有的厂家不生产部分热回收冷水机组。

3 全热回收

如图1(a)，凝结段的冷媒由饱和气体凝结为饱和液体，冷媒发生相变，冷媒温度恒定为饱和温度(冷凝温度)，凝结段排出的热量为潜热量，如果将过热段、凝结段、过冷段的热量全部或部分进行回收，则称之为全热回收，也称潜热回收。

为了提高热回收出水温度，则需相应提高冷凝温度，这将导致制冷量下降、压缩机功耗增加，冷水机组制冷性能下降。由表2可见，蒸发温度一定时，全热回收工况下冷凝温度每升高1℃，螺杆冷水机制冷量下降约1%～2%，能耗增加约2.5%，COP下降约3%。

冷凝温度及压力过高，可能导致冷水机组运行不稳定，离心机冷凝压力提高到一定程度，可能引起喘振。热回收螺杆机冷却水温一般低于55 ℃，离心机冷却水温一般低于45 ℃[2]。酒店生活热水温度要求60 ℃，因此全热回收一般用于生活热水的预热，预热后的热水经锅炉等热源再热至所需温度。

3.1 全热回收出水温度

为了获得温度较高的生活热水而提高冷凝温度，虽然对冷水机组制冷量及COP有较大影响，但考虑制热后的综合COP仍可达到5～8，因此热回收出水温度应根据再热热源形式经比较后确定。

假定：生活热水用量120m3/d，冷水温度15 ℃，冷水机组热回收出水温度分别取45 ℃、55 ℃、60 ℃，预热后的生活热水经锅炉或风冷热泵再热至60 ℃。选用一台制冷量1093 kW的全热回收冷水机组、一台制热量为700 kW的热水锅炉或风冷热泵，冷水机组各工况下参数见表2，风冷热泵夏季再热时的COP为3.0，锅炉热效率92.6%、燃气热值8400 kCal/Nm3，气价4元/Nm3，电价1元/kW·h。

表2 某品牌螺杆冷水机各冷却水温下的参数表

表3 不同全热回收温度及再热热源的热水日运行费用

注：总费用1、2分别为采用锅炉、风冷热泵再热时生活热水的日运行费用；免费冷量为冷水机组提供所需预热量时产生的冷量，免费冷费为冷水机组在32～37℃工况下提供此部分冷量所需的运行费用；运行费用包括冷热源及水泵、冷却塔。

由表3可见，当用锅炉再热，热回收出水温度设定为55℃时运行费用更低；当用风冷热泵再热，热回收出水温度设定为45℃时运行费用更低。

3.2 全热回收控制

全热回收冷凝器与常规冷凝器为并联，机组不对进入2个冷凝器的冷媒量进行控制，需在冷却塔进水管上设置电动阀，利用高温制冷剂优先流向低温处的原理，调节进入冷却塔的水量，从而调节标准冷凝器的水温，调节进入2个冷凝器的冷媒量。

图2 全热回收预热生活热水原理图

当预热罐的水温T值低于设定值时，表明供热量不足，则调节三通阀开度，减少进入冷却塔的水量，提高标准冷凝器冷媒温度，促使部分冷媒流向热回收冷凝器；当T值达到设定值时，则关闭热回收循环泵，调节三通阀使冷却水全部流经冷却塔，如图2所示。

如热回收比例为100%时，则不设电动阀。当T值低于设定值，关闭冷却塔及冷却泵，开启热回收循环泵进行热回收；当T值达到设定值时，则关闭热回收循环泵，开启冷却泵及冷却塔。

常规冷水机组供水温度恒定，一般根据回水温度自动调节负荷：当回水温度低于设定值时，表明需冷量变小，冷水机组自动卸载；当回水温度高于设定值时，表明需冷量变大，冷水机组自动加载。

为了尽量使热回收机组满负荷运行以保证热水要求，应使热回收机组从冷水回水的高温处即在供回水旁通之前进水，避免热回收机组回水温度受供回水旁通的影响，如图3所示。

图3 热回收机组优先旁通

4 空调冷水、冷却水水源热泵热回收

水源热泵机组热水温度可达60 ℃以上，不需再热即可满足酒店热水需求，而且热泵机组可按制热优先的模式控制运行，即根据热水的回水温度而不是冷水回水温度自动调节热负荷。

酒店冬季空调冷凝排热量一般不满足生活热水负荷的需求，因此，空调冷水、冷却水水源热泵热回收系统均需另设锅炉等热源用于冬季加热。

4.1 空调冷水水源热泵热回收

热泵机组与常规冷水机组并联，部分空调冷水回水作为热泵机组的热源水，降温后进入回水管或供水管，热泵机组吸取空调冷水的热量制取热水。

(a) (b)图4 空调冷水水源热泵热回收原理图

如图4(a)，热泵机组冷水出水接至回水管，回水温度T2低于12 ℃，常规冷水机自动卸载，热泵机组产生的制冷量被常规冷水机组当成多余冷量卸载而无法进入末端设备，系统能提供的最大冷量为常规冷水机组的总容量。

如图4(b)，热泵机组冷水出水接至供水管，部分热负荷时，热泵机组冷水出水温度T1高于7 ℃，空调冷水系统供水温度T3将高于7 ℃，造成供水温度不稳定，影响末端设备的运行。

某酒店选用3台相同制冷量的冷水机组，其中1台为热泵机组。当热负荷为20%时，热泵机组冷水供回水温差Δt=5×20%=1 ℃，即T1=12-1=11 ℃，则混合后的供水温度T3=(2×7+1×11)÷3=8.3 ℃>7 ℃。

当热负荷与冷负荷的比值较大，部分热负荷时空调冷水总供水温度与设定值偏差较大，影响末端设备供冷及除湿能力，因此空调冷水源热泵机组冷水不宜接至供水管。

4.2 冷却水水源热泵热回收

如图5所示，冷却系统高温出水作为热泵机组的热源水，降温至T1后再与常规冷水机冷却水混合后进入冷却塔。进入冷却塔的水温低于37 ℃，有利于冷却塔的降温效果，冷却塔出水温度T2低于32 ℃，可提高冷水机组的能效，冷凝温度每下降1 ℃，制冷效率提高3%，节能效果不如空调冷水水源热泵。系统能提供的最大冷量为常规冷水机组的总容量。

图5 冷却水水源热泵热回收原理图

5 案例分析

某酒店建筑面积24 000 m2，空调设计冷负荷3279 kW，采暖热负荷1300 kW，生活热水日用量120 m3，生活热水热负荷700 kW；空调负荷率40%，则日平均需冷量=3279×24×0.4=31 478 kW；空调天数173 d；冷水温度15 ℃，加热到55 ℃、60 ℃的耗热量分别为5488 kW、6174 kW。

下文对几种带热回收的冷热源方案进行经济比较，如表4～表6所示。

方案1：无热回收；方案2：显热回收(热水60 ℃)；方案3：全热回收(热水55 ℃)；方案4：空调冷水水源热泵热回收(冷水出水接至回水管，热水60 ℃)。各方案均设置锅炉用于空调季再热及非空调季供热。热回收方案中的储热设备造价均按75万元计，未考虑占用机房面积的因素。

表4 主机设备配置及造价表

表5 其他设备配置及造价表

表6 空调季制冷、制热运行费用及回收期计算表

由以上分析可见，方案3回收期最短；方案4运行费用最低。

6 结论

(1)部分热回收量较小，仅为制冷量的10%～15%，但可提高制冷效率。

(2)全热回收量大，但随着热水温度提高，机组制冷效率下降较大，热回收出水温度应经技术经济比较后确定。

(3)为了尽量使热回收机组满负荷运行以保证热水要求，应使热回收机组优先并联。

(4)空调冷水水源热泵冷水出水接至冷水系统回水管时，常规冷水机组回水温度降低而自动卸载，系统能提供的最大冷量为常规冷水机组的总冷量，但冷水系统供水温度恒定。

(5)空调冷水水源热泵冷水出水接至冷水系统供水管时，系统能提供的最大冷量为热泵机组和常规冷水机组的总冷量；但热负荷变化时，冷水系统供水温度不稳定。

(6)冷却水水源热泵可降低冷凝温度，提高制冷量和制冷能效，但幅度较小，节能效果不如空调冷水水源热泵热回收系统。