中央空调冷凝热回收装置.docx
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中央空调冷凝热回收装置
中央空调冷凝热回收装置
1.前言
今天的宾馆、酒店，医院普遍设置了中央空调系统和24小时热水供应系统。
绝大多数酒店、医院的制冷系统和热水系统独立设置，比如，用冷水机组提供冷源，用蒸汽或热水锅炉提供热源。
我们知道，空调冷水机组在制冷工况下，冷凝器要排出大量的废热，我们称之为冷凝热。
空调冷水机组正常运行时，排放的冷凝热可达其制冷量的1.15~1.3倍。
通常，这些冷凝热最后通过楼顶的冷却塔排放到空中。
而另一方面，我们的酒店用蒸汽或热水锅炉提供生活热水（洗涤和洗浴），这些锅炉每天在消耗大量的燃料。
如果能将冷水机组排放的废热有效回收利用，加热生活热水，可节省大量的锅炉燃油或燃气，创造可观的经济效益。
2.冷凝热回收原理
图1是一个简单的蒸发压缩式制冷循环过程示意图。
基本的制冷循环包含有4个过程：
即蒸发过程、压缩过程、冷凝过程和节流过程。
图1.中央空调冷水机组基本的制冷循环
图2.带热回收装置的中央空调系统
④节流过程：
储液罐内高温高压的液态制冷剂经膨胀阀节流降压作用后变为低温低压液体进入蒸发器。
①蒸发过程：
节流后的低温低压液态制冷剂进入蒸发器迅速蒸发，吸收周围环境介质的热量，使周围环境介质冷却、降温。
制冷剂的蒸发过程是一个吸热过程，对整个制冷系统而言，它是一个输出冷量的过程。
蒸发器其本质是一个换热器，在中央空调系统中，蒸发器输出的冷量被循环冷媒水带走，最后送入客房的风机盘管，给客房降温。
制冷剂蒸发后变成低温低压的气体，为了保证蒸发过程能稳定持续的进行，必须用压缩机将蒸发后的气态工质不断的抽走，以保持一定的蒸发压力。
②蒸发后的制冷剂从蒸发器排出，被吸入压缩机，经压缩后，其温度、压力急剧升高。
温度升至80~90℃左右；压力由回气管的0.64MPa左右升至排气管的1.5MPa左右。
压缩气体时，压缩机要消耗一定的能量。
③冷凝过程：
由压缩机排出的高温高压气态制冷剂，进入冷凝器，通过冷凝器向外散热后，凝结成高温高压的液体，进入储液罐，完成一个制冷循环。
（贮液器安装在冷凝器之后，与冷凝器的排液管是直接连通。
）
高压气态制冷剂的冷凝过程是一个定压放热的过程。
冷凝器本质上是一个换热器，制冷过程中冷凝器起着输出热能并使制冷剂得以冷凝的作用。
从制冷压缩机排出的高压过热蒸气进入冷凝器后，将其在工作过程吸收的全部热量，其中包括从蒸发器和制冷压缩机中以及在管道内所吸收的热量都传递给周围介质（水或空气）带走，高压气态制冷剂重新凝结成液体。
冷凝热大于制冷量，如：
活塞机组冷凝热是制冷量的1.3倍；离心机最低也达到1.15倍。
根据冷却介质和冷却方式的不同，冷凝器可分为三类：
水冷式冷凝器、风冷式冷凝器、蒸发式冷凝器。
家用分体式空调大多采用风冷式冷凝器，而中央空调系统，大多采用水冷式冷凝器，它通过冷却水系统，带走制冷工质释放的冷凝热，最后送入楼顶的冷却塔排空。
中央空调热回收装置就是把制冷循环中制冷工质释放的冷凝热利用起来制备热水，以提高能源利用率，减少能源的消耗及对环境的污染，节省能源费用的开支。
图2是一个带冷凝热回收装置的中央空调系统原理示意图。
在原压缩机和冷凝器之间串接了一附加换热器。
从压缩机排出的高温高压气态制冷工质首先通过附加换热器，在换热器中与待加热的20℃自来水进行热交换，结果，冷媒工质温度下降，自来水水温被加热到50℃左右，通过这种方式把原排放到大气中去的废热变为有用的生活热水。
高温高压气态冷媒工质释放热量后变成温度较低的高压气体，然后进入冷凝器进一步冷却凝结成液体。
这种串联型热回收装置只能回收部分冷凝热，回收率15%~20%。
部分热回收装置适合既有空调冷水机组的节能改造。
正是因为是部分热回收，所以获得的热水温度相对较高，理论上无限接近压缩机的排气温度，通常可达60℃左右甚至更高，能有效满足日常生活热水的需求。
3.串联型热回收装置的接入对机组的影响
增加的辅助换热器相当于增加了冷凝器的换热面积，因此降低了冷凝温度，同时也降低了冷凝压力，也就是降低了压缩机的排气压力，提高了机组制冷效率。
根据计算：
冷却水温度（冷凝温度）每降低1℃；机组制冷量可提高1.3%。
冷凝热回收后，如果冷却水流量不变，冷凝温度可降低3~5℃；可提高机组制冷量4%左右，节电效果明显。
串联一个辅助换热器，同时，又增加弯头，阀门等元件，使压缩机出口管路的排气阻力加大，从而使制冷循环效率有所降低。
串联辅助换热器后，一般会使管道阻力增加0.3Kg/cm²（30Kpa）。
但如果换热器设计的得当，管道设计得好，附加阻力会低于30Kpa，整个制冷循环的总效率略有提高，从而使制冷机组的电耗降低2~3％。
4.一个实用的冷凝热回收装置
图3是一个实用的部分冷凝热回收装置。
因为冷凝器的放热量与空调负荷变化是同步的，但与生活热水的使用时间不一定同步，因此，热回收的热水系统要采用蓄热水箱的方式进行调节。
图3.一个实用的部分冷凝热回收装置
如图3所示，利用循环水泵将常温的水送入辅助换热器，常温水在换热器中吸收高温制冷剂蒸气释放的热量，温度升高，然后返回热水储存箱，水泵再次从储存箱中将水送入热回收器进行循环加热，使热水温度进一步升高。
储存箱中的水经热回收器多次热交换，最终达到客户要求的水温（55℃-60℃左右）。
当热水温度达到设定值时，循环水泵停止工作。
冷凝热回收节能改造适合酒店、宾馆、高级公寓、医院、学校、工厂、桑拿洗浴中心、恒温游泳馆等需要供冷、供热的场所。
图4.安装在现场的冷凝热回收装置
5.冷凝热回收装置的技术特点
①热回收量适中。
热回收装置以保证主机性能为前提，只对蒸汽部分热量进行回收，在标准空调工况下（冷却水30~35℃，冷冻水12~7℃），热回收量约为制冷量的17%（水冷）；
②节省大量热水开支费用，保护环境。
由于利用废热提供了所需的热水，大大减少了供热锅炉向大气排放的CO2气体，从而减少了使地球大气变的温室效应。
同时直接减少了向大气的废热排放量。
在广东地区一年大约有8个月开空调，如配置热回收器，可以在8个月时间内基本不用烧热水锅炉；
③提高空调机组效率，节省机组用电量。
空调机组压缩的一部分热量经过热回收器吸收以后，原冷凝器的热负荷减少，热交换效率提高，空调机组的的效率提高，耗电量也将有所减少（在使用热回收时耗电量大约下降6%）。
压缩机的负荷减少，使压缩机寿命延长，从而机组寿命得到延长。
④体积小，重量轻，运行可靠。
恒定热回收器直接安装在中央空调机组上，无需占用建筑面积。
而且使用寿命长、出水温度恒定。
⑤热回收系统电脑自控，无需人工管理。
6.串联型热回收装置的扩展应用
①恒温恒湿空调领域
在恒温恒湿空调系统的夏季运行工况中，冷却降温和除湿空气处理过程同时能满足室内温湿度要求的机会微乎其微，当除湿的要求大于降温的要求时，再热也就不可避免，冷热抵消也就不期而至，而此时，所需的再热量，完全可由热回收装置提供。
而且，用于再热的热回收水温，只需常规工况的冷却水温就能满足要求，具有很高的综合性能系数。
在冷风内，增设一个带旁通控制的盘管，串接于冷却水系统中，用于再热，无需设置再热电加热器，节省相应的耗电量。
②分区再热空调领域:
可采用合并系统而要求分区控制的场合，也存在对再热量的需求。
这与恒温恒湿再热的应用特性完全相同。
③制冷和制热需求并存的空调领域
在同时有制冷和制热要求的场所，典型代表就是采用四管制水系统的空调领域。
在这种既要制冷又要制热的应用场合，热回收装置提供了一种免费的热源。
使整个系统具有较高的综合性能系数。
在空调的应用领域，需要恒温恒湿的场所很多，电子、医药、纺织、印刷行业等等；有同时制冷制热需求的场所也举不胜举，仅此两项可见，冷凝热回收的应用领域相当广泛。
冷凝热回收装置，增加的投资非常有限，但节省的能源极其可观。
冷凝热回收，只是把热量从不需要的地方转移到需要的地方，并籍此减少了热能消耗和相应的温室气体排放，而且总量可观，无疑，这对于环境的保护极其有利。
7.冷水机组冷凝热回收计算举例
某酒店总制冷面积为4.8万m2，制冷系统选用3台美国开利19XL5151455CQ离心式冷水机组，每台机组额定输入功率410kW，制冷量500Rt。
三台机组总制冷量1500Rt。
同时，酒店配备有蒸发量为2t的燃油蒸汽锅炉3台，以供应洗衣房、中央空调采暖，及生活热水。
酒店现有客房490间，床位750张。
如果自来水进水温度20℃，热水温度50℃，入住率100%，热水量按每人每天200L计算，那么酒店每天需要生活热水150t，所需热量为4.5*106Kcal=18.83*106KJ；如果入住率按70%考虑，热水量按每人每天160L计算，那么酒店每天需要生活热水84t，所需热量为2.5*106KCal=10.46*106KJ。
（1KJ=0.239kCal）
一般离心式制冷机组排出的冷凝热量为其制冷量的1.15倍，离心式压缩机的排气温度一般都在58～65℃左右，则每台冷水机组满负荷时排出的（冷凝）热功率为：
P=500*3.517kW*1.15=2022kW
平日，该酒店一直保持两台冷水机组运行，但半夜12点至次日早上8点改为单台运行，即一台24小时连续工作，另一台每天只工作16小时，所以，两台冷水机每天排出的总热量为：
Qtotal=2022kW*（24+16）=60660kWh
因为：
1kWh=3.6MJ
所以：
Qtotal=218376MJ=218.376*106KJ
如果回收装置的热回收率按15%计算，那么回收的冷凝热Qc=15%*218.376*106KJ=32.76*106KJ=7.83*106Kcal。
这个热量大约相当于800Kg柴油完全燃烧发出的热量。
（1kcal=4.184kJ）
可见，我们只要回收中央空调排放的一小部分冷凝热就足以满足整个酒店的生活热水需求。
8.热回收经济性分析（热水成本比较）
我们以一小酒店为例，分析冷凝热回收的经济效益。
某酒店共有100间客房，200个床位。
假设每人每天热水用量为150升，那么该酒店每天需提供30吨热水。
将30吨15℃自来水加热成55℃的热水，吸收的热量为：
Q=C*M*ΔT=4.18*30*1000*（55-15）=5*106KJ
我们可以把这个热量换算成相应的柴油，天然气，液化石油气的消耗量。
①0＃柴油燃烧值为42915KJ/kg或10250Kcal/kg,假设柴油在锅炉中的燃烧率77.5%，假设锅炉效率84%，那么，将30吨15℃自来水加热成55℃的热水所需柴油为：
柴油
若柴油4.5元/kg，则每天需花费805元
②每公斤液化气燃烧热值为11000Kcal或45980KJ，假设液化气燃烧率100%，锅炉效率85%，那么，将30吨15℃自来水加热成55℃的热水所需液化石油气为：
液化石油气
若液化石油气5.6元/kg，则每天需花费716元
③天燃气每立方燃烧热值为8000Kcal至8500Kcal，合33440或35530KJ，假设天燃气燃烧率100%，锅炉效率85%，那么，将30吨15℃自来水加热成55℃的热水所需天燃气为：
m3
若天燃气每立方2.4元，则每天需花费403元
④如果使用电锅炉，一度电（1KWh）=3600KJ，假设电锅炉效率96%，那么将30吨15℃自来水加热成55℃的热水所需电能为：
KWh
若电价1元/KWh，则每天需花费1446元。
冷凝热回收与燃油，燃气锅炉运行费用比较
供热方式
热水成本（元/天）
热水成本（元/月）
热水成本（元/年）
备注
冷凝热回收
0
0
0
电费还可节约6%
柴油
805
24,150
193200
油费
电热水器
1,446
43380
347040
电费
液化气
716
21480
171840
液化气
天然气
403
12096
96768
天然气
备注：
每天用水按30吨计算，每月按30天计算，每年可用热回收供热水按8个月计算。
另外，安装热回收设备后空调机组平均节电6%，空调机组以满负荷运行8个月，按平均每天运行20小时计，则空调主机节电费用如下：
空调主机节约电费=（45+45）*1台*6%*20小时*30天*8个月*1元/度=25,920元
9.中央空调余热回收系统的改造建议
①由于空调余热回收系统只能在开启空调时才能使用，在改造时必须保留原有的热水生产系统，且最好采用与原有热水系统串联形式，以便空调余热回收水温过低时能够及时投入使用，保证热水的正常供应。
②由于热水负荷是不均匀的，而空调余热回收的热水会随着空调负荷的变化而变化，造成热水的使用与生产不是同步，所以，需用一个余热水罐作为热水贮存缓冲，在条件允许下尽可能做到能容纳系统用水高峰时1h的用水量。
③在冷凝器的热量能及时排放的情况下，不会引起冷凝压力的下降。
要对冷却水泵进行变频节能改造，因为部分的负荷已经传递给了热水系统，可以使冷却塔处于最有效率的工况下工作，提高系统的节能效率。
8.用高温水源热泵回收冷凝热
用附加换热器（或称热采集器）的冷凝热回收方式，只能回收部分冷凝热，热回收率在15~20%之间。
在冬天不开冷气机的日子里，热采集器不再能提供热水。
这种情况下，酒店在冬天仍然要依赖锅炉提供热水。
如果选用热泵回收冷凝热，那么，酒店在冬天将不再需要锅炉。
因为热泵可替代锅炉生产热水。
热泵的工作原理跟压缩式制冷机的原理完全一样，所不同的是：
冷气机或冷水机利用了制冷系统的冷端，利用蒸发器，吸收室内的热量达到制冷的目的；而热泵即可制冷，又可制热。
制冷时，其工作原理跟一般的冷气机没有区别；制热时，则利用制冷循环系统的热端，将冷凝器排出的热量送入室内采暖，或加热生活用水。
这时，热泵的运行过程看起来就像是把低温端的热量，源源不断地抽送到高温端一样，所以形象地称之为热泵。
如果热泵的冷端直接置于室外的空气之中，称之为空气源热泵；如果冷端置于水中，称之为水源热泵；如果其冷端通过管道埋植于地下，则称之为地源热泵。
图4.热泵制热循环示意图
图5.热泵制热循环“热抽送”能流示意图
热泵具有极高的制热系数。
每消耗1KW电功率，可以得到4~5KW的热量，这是其它任何热水设备（比如电热水锅炉，油气热水锅炉）所无法比拟的。
所以，热泵是真正的绿色能源系统，可取代热水锅炉制备生活热水。
图6是利用高温水源热泵回收冷气机冷凝热的原理示意图，将高温水源热泵的冷端（蒸发器）并联接入冷水机组冷却水回路中。
从制冷机组冷凝器出来的37℃的冷却水分成三路：
第一路进入原冷却塔；第二路通过换热器预热自来水给水；第三路则进入水源热泵的蒸发器，作为热泵的低温热源，放出热量后，其水温降至32℃左右再返回冷却塔。
这样，我们在热泵的热端获得65℃的热水。
图6用高温水源热泵回收冷凝热的原理示意图
这种热回收方式适用于冷量大、排气温度较低的离心式冷水机组，其优点是冷凝热的回收率高，热水的供应量较大，而且热水可以加热到65℃；改造的过程中只涉及冷却水系统，对冷水机组影响较小。
但它的缺点是水源热泵要消耗一定的电，运行费用较高；另外，改造的初投资也比较高。
图7.柜式水源热泵机组
图8.柜式水源热泵机组
9.水源热泵热回收系统的经济性分析
某星级酒店，建筑面积1.5万平米，有标准客房198间，选用2台1454KW螺杆式冷水机组，该冷机额定冷凝负荷为1716KW。
生活热水系统选用2台500KW燃油锅炉，生活热水箱20立方米。
②采用现行燃油锅炉制热水成本分析
根据国家规范，高级酒店65℃生活热水耗量为每人每天200升。
该酒店平均入住率为75%即300人，每天需要消耗65℃生活热水60吨。
冬季自来水温度假设为15℃，全天生活热水的热负荷为：
Q＝C*M*△t
Q＝4.18*60*1000*50=12.54*106KJ
12.54*106KJ，合3483.3KWh（度电）。
即，如果用电锅炉直接加热，需要3483.3KWh（度电）。
若采用燃油锅炉，锅炉效率取0.85，汽油的燃烧值4600KJ/kg，汽油密度0.71kg/L，12.54*106KJ的热值折合460升汽油的燃烧热值。
假设每升燃油3.5元，则每天运行费用为1610元。
采用高温水源热泵回收空调冷凝热后，水源热泵的制热系数COP一般都能达到4.0，3483.3KWh的热量，需要热泵耗电3483.3÷5=696.66KWh（度），电费按1元/度，加上水泵等辅助系统用电，每天运行电费约为750元。
经过前面的分析，采用高温水源采用高温水源热泵回收空调冷凝热后，一天至少能为用户节约860元，如果一年开空调的天数为150天，就能创造出12.9万元的效益。
而且增加冷凝热回收装置后，空调制冷机组不容易出现高温，更有利于机组的运行。
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