冷水機(jī)組熱回收應(yīng)用探討

隨著社會節(jié)能和意識的日益增強(qiáng)，一些原先被冷落的技術(shù)逐漸受到廠家和業(yè)主的青睞。對冷水機(jī)組的冷凝排熱進(jìn)行回收便是其中之一。不可否認(rèn)，在一些場合，如醫(yī)院，賓館等，在供冷的同時，需要一定溫度和流量的熱水以滿足需要。這時候熱回收型冷水機(jī)組便體現(xiàn)其技術(shù)優(yōu)勢，但同時也對熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行提出了相應(yīng)的要求，而且對機(jī)組的性能也有一定的影響。另外由于機(jī)組本身的問題，例如，熱水溫度的限制和機(jī)組在供冷的時候才能供熱（冬天使用熱泵除外），使得該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的制約，特別在冬天使用時，一些地區(qū)，由于室外溫度的限制，并不能大規(guī)模減小常規(guī)燃煤燃?xì)鉄崴仩t或電鍋爐的規(guī)格，因此其發(fā)揮效益的時間一般在于夏季供冷的周期內(nèi)。而且由于冷水機(jī)組冷負(fù)荷的變化，導(dǎo)致其熱回收量也發(fā)生變化，這就導(dǎo)致應(yīng)用此技術(shù)的實(shí)際回收期比理論的要長！
      雖然熱回收技術(shù)不是一個新的技術(shù)，但目前系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路都是一些冷水機(jī)組廠家提出的，出于推廣的需要，有些分析并不是完全準(zhǔn)確，本文將從熱水溫度和回收量，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)及回收期等四個方面進(jìn)行探討。
一、熱水溫度和回收量
   熱水溫度和熱回收量主要與熱回收模式、冷凝器類型和蒸發(fā)器類型有關(guān)。
   1.1 熱回收模式
      熱回收共有兩種模式[1]，一種是顯熱回收，也稱之為部分熱回收；另一種是潛熱回收，也稱之為全熱回收。
      高溫的冷媒蒸汽在冷凝器中一般要經(jīng)歷三個階段[2]，如下圖1所示。如果回收過熱段部分的能量，此時蒸汽不發(fā)生相變，因此回收的為蒸汽的顯熱，此熱量大約為總排熱量的12～15％[1]。該模式稱之為顯熱回收模式。顯熱回收的特點(diǎn)是：
a. 回收的比例不大，一般為冷量的10％左右，這是因?yàn)榭紤]到換熱效率的問題；
b. 回收的溫度不高，對于風(fēng)冷機(jī)組，出水溫度為60℃左右；對于水冷機(jī)組，出水溫度在50℃左右。這是因?yàn)轱L(fēng)冷機(jī)組的冷凝溫度和過熱度均高于水冷機(jī)組的緣故；
c. 對冷水機(jī)組的性能（COP）的影響，加了熱回收的冷水機(jī)組，如果其冷凝器與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組一致，由于一部分的熱量被熱水帶走，相應(yīng)地冷凝器承擔(dān)的熱量就減少，這樣會有助于增加冷媒的過冷度，對機(jī)組提高效率是有利的[1]，這種情況只有在進(jìn)行熱回收的時候才能發(fā)生；
d. 與常規(guī)機(jī)組相比，成本增加很少。
      如果將過熱度和凝結(jié)段的熱量進(jìn)行回收，則稱之為潛熱回收（全熱回收），這時候，為了保證回收的溫度和回收量，必須提高冷凝溫度，顯然，冷凝溫度的提高將直接影響機(jī)組的制冷性能（COP），它具有如下特點(diǎn)：
a. 回收的比例較大，一些廠家宣稱其回收熱量高達(dá)冷量的80％[3]；
b. 回收的溫度較高，一些廠家的水冷機(jī)組其熱水溫度可高達(dá)65℃[3][4]；
c. 對冷水機(jī)組的性能（COP）影響很大，但一些國內(nèi)廠家的熱回收機(jī)組的COP與其相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組的COP完全一致，這就有點(diǎn)匪夷所思了；
d. 與常規(guī)機(jī)組相比，成本增加較大。
 
   1.2 冷凝器類型
      目前商用冷水機(jī)組的冷凝器類型主要是水冷和風(fēng)冷兩種，兩者的冷凝溫度和過熱度有很大的差別，一般而言，對于標(biāo)準(zhǔn)水冷機(jī)組，冷卻水進(jìn)出溫度為32/37℃時，冷凝溫度約為40℃左右，過熱度為21℃左右（R-22），11℃左右（R-134a）（即排氣溫度分別為61℃和51℃左右）。而對于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)冷機(jī)組，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度為35℃時，冷凝溫度約為46℃左右，過熱度為30℃左右（R-22）（即排氣溫度約為76℃左右）。這就是風(fēng)冷機(jī)組可以獲得比水冷機(jī)組更高熱水溫度的原因。也可以看出，在水冷機(jī)組中要得到60℃的熱水是比較困難的，除非大幅提高冷凝溫度！
   1.3 蒸發(fā)器類型
      雖然粗看上去，熱回收與蒸發(fā)器似乎沒有什么關(guān)系，但實(shí)際上有很大的關(guān)系。
目前商用冷水機(jī)組一般采用殼管式蒸發(fā)器，它又分為兩種，一種是滿液式，冷媒在管外蒸發(fā)而載冷劑在管內(nèi)流動；另外一種是直接蒸發(fā)式，也叫干式，冷媒在管內(nèi)蒸發(fā)而載冷劑在管外流動。
      滿液式蒸發(fā)器中，冷媒流量在一定的水平以保證銅管不露出液面，因此蒸發(fā)溫度與吸氣溫度之間的差距很小，一般可以近似認(rèn)為是相同的。而對于干式蒸發(fā)器，冷媒流量是通過過熱度來調(diào)節(jié)的，因此吸氣溫度與蒸發(fā)溫度之間存在一個比較大的溫差。
讓我們再分析一下冷媒的壓焓圖，如下圖2，當(dāng)蒸發(fā)溫度相同時，對于壓縮機(jī)而言，干式蒸發(fā)器的吸氣溫度顯然比滿液式蒸發(fā)器來得高，也就是說，假如用相同的壓縮機(jī)，輸入同樣的功率，采用干式蒸發(fā)器的機(jī)組的排氣溫度可以比滿液式蒸發(fā)器為高。
 
      在目前的市場上，美國品牌的機(jī)組，出于提高蒸發(fā)溫度（提高機(jī)組COP）的需要，在大冷量機(jī)組上一般采用滿液式蒸發(fā)器。而日本品牌和國內(nèi)的品牌，一般采用干式蒸發(fā)器。這也就是美國品牌的機(jī)組不太樂意作熱回收的原因。很可能是因?yàn)楦膭颖容^大而且不太能滿足所要求熱量回收比例和溫度。
二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
      熱回收系統(tǒng)可以是直供式，也可以是循環(huán)式。下面對此分別進(jìn)行討論。
   2.1 直供式
      直供式的定義是直接將自來水接到熱回收系統(tǒng)的入口，加熱后要么直接供應(yīng)給房間，或者再經(jīng)過一個補(bǔ)充的加熱器，將溫度提升后送入房間，如下圖3所示。它只能用于生活熱水供應(yīng)。
 
它具有如下特點(diǎn)：
a. 進(jìn)水溫度是變化的，因?yàn)楝F(xiàn)在的自來水均為地表水，其溫度與外界環(huán)境有直接的關(guān)系，這樣對維持出水溫度有不利影響。由于工況變化很大，同樣對機(jī)組本身的系統(tǒng)也有一定的不利影響；
b. 溫差大，流量小，對熱回收裝置的回路設(shè)計(jì)有一定的影響。特別是當(dāng)熱水需求量少的時候（表現(xiàn)為流量減少），熱回收盤管的效率可能會很低；
c. 自來水溫度太低有可能導(dǎo)致機(jī)組無法開啟；
d. 在熱回收量大，冷量小且自來水溫度又比較低的時候，由于冷媒流量的減少，可能導(dǎo)致冷媒過度冷卻而使機(jī)組無法運(yùn)行，要知道，所有機(jī)組對冷卻水的進(jìn)水溫度是有一定要求的；
e. 在某些時間段，由于自來水溫度比冷卻水溫度低，冷媒過冷度的提高對機(jī)組的性能會有所幫助（可能不要開啟冷卻塔和冷卻水泵）；
很顯然，對直供式系統(tǒng)，一個特別設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是必要的，否則很可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。
   2.2 循環(huán)式
      循環(huán)式系統(tǒng)可以用下圖4表示，它可以用于生活熱水系統(tǒng)，也可以用于供熱系統(tǒng)。它的特點(diǎn)是：
 
a. 進(jìn)出水溫度變化較小，這樣熱回收裝置和冷凝器盤管各司其責(zé)，對機(jī)組本身的操作有利；
b. 溫差小，流量大，熱回收銅管的回路設(shè)計(jì)比較容易。
相對而言，循環(huán)式系統(tǒng)的就簡單一些。
三、補(bǔ)充加熱器的考慮
      在設(shè)計(jì)熱水系統(tǒng)的時候，必須要考慮是否要增加補(bǔ)充加熱器及其容量的問題。
a. 若采用水冷機(jī)組，若冬天不供冷或供冷很小，必須要增加補(bǔ)充加熱器；
b. 若采用風(fēng)冷機(jī)組，夏季使用熱回收而冬天使用熱泵形式供應(yīng)熱水，如容量和溫度能同時滿足夏季和冬季的要求，則可以不增加補(bǔ)充加熱器，但需要考慮外界溫度變化對機(jī)組供熱能力和溫度的影響；也需要考慮冷熱水之間的切換問題；另外，對直供式生活熱水系統(tǒng)，還需要考慮冬季熱泵運(yùn)行時蒸發(fā)器自來水溫度很低和流量很小對機(jī)組的影響！
在上圖3和4中，均設(shè)計(jì)了補(bǔ)充加熱器，若設(shè)計(jì)不需要，則可以將其省略。如采用電加熱，還可以直接放置在循環(huán)熱水箱中。
四、系統(tǒng)
      由于目前的大多數(shù)熱回收機(jī)組，都是在其標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組增加一個熱回收裝置而得出來的，其自身的系統(tǒng)沒有任何改動，它只會根據(jù)冷負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)機(jī)組的性能，而不對熱水出水溫度進(jìn)行。因此，在前面的分析中，無論是直供式還是循環(huán)式，一個專門的系統(tǒng)是必要的。對象是熱水流量和溫度，范圍包括：冷卻塔及冷卻水泵的起停；熱水流量（生活熱水）；熱水溫度；補(bǔ)充加熱器（電鍋爐，燃煤鍋爐或燃?xì)忮仩t）；循環(huán)式中熱水泵等。
  在系統(tǒng)中，必須考慮到如下因素：
a. 對于生活熱水系統(tǒng)，流量的變化范圍太大（0～100％），而且沒有規(guī)律，因此對系統(tǒng)各設(shè)備之間的連鎖必須加以考慮；
b. 同樣，由于冷負(fù)荷的變化必然導(dǎo)致供熱量的變化，因此對補(bǔ)充加熱器的起停是很關(guān)鍵的；
c. 對于風(fēng)冷機(jī)組，在不需要供冷的季節(jié)，如設(shè)計(jì)用熱泵模式提供熱水，還要考慮與冷凍水之間的切換并要考慮蒸發(fā)器的水流量的問題
 
五、回收
      正如前面的分析，在一些夏熱冬暖且冬天不用供熱的地區(qū)如采用風(fēng)冷熱泵型的熱回收機(jī)組，如果能省略常規(guī)的鍋爐熱水系統(tǒng)，則其經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。但如果還需要鍋爐熱水系統(tǒng)作為補(bǔ)充或者備用，則就存在回收的問題。從一些廠家的計(jì)算結(jié)果看，熱回收的效果是很明顯的，但經(jīng)過分析，在計(jì)算過程中，有些方面被有意給忽略了。
a. 由于供熱和供冷在大部分的運(yùn)行時間內(nèi)是不一致的，甚至是相反的，因此對機(jī)組規(guī)格的選取必須要做適當(dāng)?shù)姆糯笠詽M足實(shí)際需要。
b. 熱回收量考慮
      眾所周知，即使在炎熱的夏季，機(jī)組也不可能100％時間處于供冷狀態(tài)。如果將熱回收量作為分析依據(jù)，那么很顯然是不客觀的。即使是在多臺機(jī)組中有一臺加熱回收系統(tǒng)，當(dāng)聯(lián)合運(yùn)行的時候，由于負(fù)荷的降低而導(dǎo)致回水溫度的降低（這里分析定流量系統(tǒng)，變流量系統(tǒng)的分析結(jié)果與定流量是一樣的），那么該機(jī)組也同樣處于部分負(fù)荷狀態(tài)。或許有人考慮將該機(jī)組始終運(yùn)行在滿載工況，但實(shí)際是不可能的。這是因?yàn)椋?dāng)回水溫度降低的時候，要保證該機(jī)組處于100％負(fù)荷點(diǎn)，根據(jù)Q=CM△T，就必須使△T恒定，也就意味要降低機(jī)組的出水溫度，很顯然，這樣會導(dǎo)致兩種后果，一是機(jī)組的效率降低，二是不能保證熱水溫度。
c. 沒有考慮系統(tǒng)設(shè)備和增加費(fèi)用
      如果考慮冷水機(jī)組的增加費(fèi)用是很低的，其回收期也相當(dāng)短。但實(shí)際上，當(dāng)采用熱回收的時候，其管路系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)，也相應(yīng)變得復(fù)雜，其不容忽視。
而且，正如前面提到的，在一些系統(tǒng)中，即使采用熱回收，其補(bǔ)充加熱器的規(guī)格跟常規(guī)是一樣的。

六、結(jié)語
      1. 熱回收是一個比較好的而且比較容易實(shí)現(xiàn)的節(jié)能方式，但同時對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作有更高的要求；
   2. 在夏熱冬暖地區(qū)，夏季采用熱回收，冬季采用熱泵是一個比較好的模式，可以減小鍋爐規(guī)格，甚至可以取消，但需要考慮外界環(huán)境溫度，冷水進(jìn)水溫度和流量對機(jī)組性能的影響；
3 在做分析的時候應(yīng)該考慮冷負(fù)荷變化對供熱的影響。

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