冷水機組熱回收應(yīng)用的探討

1、冷水機組熱回收應(yīng)用探討作者: 曾振威（南區(qū)技術(shù)部 ）、尸、 亠前言隨著社會節(jié)能和環(huán)保意識的日益增強，一些原先被冷落的技術(shù)逐漸受到廠 家和業(yè)主的青睞。對冷水機組的冷凝排熱進行回收便是其中之一。不可否認， 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)計和運行提出了相應(yīng)的要求，而且對機組的性能也有一定的影響。另外由于 機組本身的問題，例如，熱水溫度的限制和機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

2、減小常規(guī)燃煤燃氣熱水鍋爐或 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 冷水機組冷負荷的變化，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)計思路都是一些冷水機 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，控制系統(tǒng)及投資回收期等四個方面進行探討。1 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高壓的

3、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 如果僅回收過熱段部分的能量，此時蒸汽不發(fā)生相變，因此回收的僅為蒸汽的 顯熱，此熱量大約為總排熱量的 12-15%。該模式稱之為顯熱回收模式。顯 熱回收的特點是：a 回收的比例不大，一般為冷量的 10%左右，這是因為考慮到換熱效率的 問題；b回收的溫度不高，對于風(fēng)冷機組，最高出水溫度為60C左右；對于水冷機組，最高出水溫度在50C左右。這是因為風(fēng)冷機組的冷凝溫度和過熱度均高 于水冷機組的緣故；c對冷水機組的性能（COP）的影響，加了熱回收的冷水機組，如果其冷 凝器與標(biāo)準(zhǔn)機組一致，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

4、少，這樣會有助于增加冷媒的過冷度，對機組提高效率是有利的1，這種情況只有在進行熱回收的時候才能發(fā)生；d 與常規(guī)機組相比，成本增加很少。如果將過熱度和凝結(jié)段的熱量進行回收，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組的制冷性能（COP）,它具有如下特點：a回收的比例較大，一些廠家宣稱其回收熱量高達冷量的80%3;b回收的溫度較高，一些廠家的水冷機組其熱水溫度可高達65C;c對冷水機組的性能（COP）影響很大，但一些國內(nèi)廠家的熱回收機組的COP與其相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)機組的COP完全一致，這就有點匪夷所思了；d 與常規(guī)機組相比

5、，成本增加較大。過冷段凝結(jié)段排氣過熱段圖1冷媒丿七一熔示意圖1.2冷凝器類型目前商用冷水機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)水冷機組，冷卻水進出溫度為 32/37C時，冷凝溫度約為 40C左右，過熱度為 21 C左右（R-22） , 11 C左右（R-134a）（即排氣溫度分別為61 C和51 C左右）。而對于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)冷機組，當(dāng)進 風(fēng)溫度為35C時，冷凝溫度約為46C左右，過熱度為30C左右（R-22）（即排 氣溫度約為76C左右）。這就是風(fēng)冷機組可以獲得比水冷機組更高熱水溫度的 原因。也可以看出，在水冷機組中要得到 60C的熱水是比較困

6、難的，除非大幅 提咼冷凝溫度！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，但實際上有很大的關(guān) 系。目前商用冷水機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，冷媒流量被控制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，一般可以近似認為是相同的。而對 于干式蒸發(fā)器，冷媒流量的控制是通過過熱度來調(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，對于壓縮機而言，干式蒸

7、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，輸入同樣的功率，采用干式蒸發(fā)器的機組的排氣溫度可以 比滿液式蒸發(fā)器為高。P-j 吸氣過熱段H圖2冷媒壓一焰示意圖在目前的市場上，美國品牌的機組，出于提高蒸發(fā)溫度（提高機組COP）的需要，在大冷量機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組不太樂意作熱回收的原因。很 可能是因為改動比較大而且不太能滿足所要求熱量回收比例和溫度。2系統(tǒng)設(shè)計熱回收系統(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)

8、給房間，或者再經(jīng)過一個補充的加熱器，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)。循環(huán)熱水箱r補 充 加熱八、器水 來冷水機組 熱回收裝置 圖3直供式熱水系統(tǒng)示意圖它具有如下特點：a進水溫度是變化的，因為現(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 機組本身的控制系統(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

9、的 減少，可能導(dǎo)致冷媒過度冷卻而使機組無法運行，要知道，所有機組對冷卻水 的進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)計的控制系統(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)。它的特點是：補充水循環(huán)熱水箱補 充 加 熱八、 器用冷水機組 熱回收裝置 圖4循環(huán)式生活熱水系統(tǒng)示意圖（虛線為供熱系統(tǒng)示意圖）a進出水溫度變化較小，這樣熱回收裝置和冷凝器盤管各司其責(zé)，對機組本身的操作有利；

10、b溫差小，流量大，熱回收銅管的回路設(shè)計比較容易。相對而言，循環(huán)式系統(tǒng)的控制就簡單一些。3補充加熱器的考慮在設(shè)計熱水系統(tǒng)的時候，必須要考慮是否要增加補充加熱器及其容量的問題。a若采用水冷機組，若冬天不供冷或供冷很小，必須要增加補充加熱器；b若采用風(fēng)冷機組，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，則可以不增加補充加熱器，但需要考 慮外界溫度變化對機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行時蒸發(fā)器自來 水溫度很低和流量很小對機組的影響！在上圖 3和4 中，均設(shè)計了補充加熱器， 若設(shè)計不需要，

11、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。4 控制系統(tǒng)由于目前的大多數(shù)熱回收機組，都是在其標(biāo)準(zhǔn)機組增加一個熱回收裝置而 得出來的，其自身的控制系統(tǒng)沒有任何改動，它只會根據(jù)冷負荷的變化調(diào)節(jié)機 組的性能，而不對熱水出水溫度進行控制。因此，在前面的分析中，無論是直 供式還是循環(huán)式，一個專門的控制系統(tǒng)是必要的?？刂频膶ο笫菬崴髁亢蜏?度，控制的范圍包括： 冷卻塔及冷卻水泵的起停； 熱水流量的控制 （生活熱水）； 熱水溫度的控制； 補充加熱器的控制（電鍋爐，燃煤鍋爐或燃氣鍋爐） ；循環(huán)式 中熱水泵的控制等。在控制系統(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

12、100%）,而且沒有規(guī)律， 因此對系統(tǒng)各設(shè)備之間的連鎖控制必須加以考慮；b 同樣，由于冷負荷的變化必然導(dǎo)致供熱量的變化，因此對補充加熱器的 起停控制是很關(guān)鍵的；c 對于風(fēng)冷機組，在不需要供冷的季節(jié)，如設(shè)計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)器的最小水流量的問題5 投資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組，如果能省略常規(guī)的鍋爐熱水系統(tǒng)，則其經(jīng)濟效益是非常明顯 的。但如果還需要鍋爐熱水系統(tǒng)作為補充或者備用， 則就存在投資回收的問題。 從一些廠家的計算結(jié)果看，熱回收的效果是很明顯的，但經(jīng)過分析，在計算過 程中，有些方面被有意給忽略

13、了。a 由于供熱和供冷在大部分的運行時間內(nèi)是不一致的，甚至是相反的，因 此對機組規(guī)格的選取必須要做適當(dāng)?shù)姆糯笠詽M足實際需要。b 熱回收量以最大值考慮眾所周知，即使在最炎熱的夏季，機組也不可能 100時間處于最大供冷 狀態(tài)。如果將最大的熱回收量作為分析依據(jù)，那么很顯然是不客觀的。即使是 在多臺機組中有一臺加熱回收系統(tǒng)，當(dāng)聯(lián)合運行的時候，由于負荷的降低而導(dǎo) 致回水溫度的降低（這里僅簡單分析定流量系統(tǒng)，變流量系統(tǒng)的分析結(jié)果與定 流量是一樣的），那么該機組也同樣處于部分負荷狀態(tài)。 或許有人考慮將該機組 始終運行在滿載工況， 但實際是不可能的。 這是因為， 當(dāng)回水溫度降低的時候， 要保證該機組處于100%負荷點，根據(jù)Q=CM T，就必須使 T恒定，也就意 味要降低機組的出水溫度，很顯然，這樣會導(dǎo)致兩種后果，一是機組的效率降 低，二是不能保證熱水溫度。c 沒有考慮系統(tǒng)設(shè)備和控制的增加費用如果僅考慮冷水機組的增加費用是很低的， 其回收期也相當(dāng)短。 但實際上， 當(dāng)采用熱回收的時候，其管路系統(tǒng)，特別是控制系統(tǒng)，也相應(yīng)變得復(fù)雜，其投 資不容忽視。而且，正如前面提到的，在一些系統(tǒng)中，出于安全考慮，即使采用熱回收，其補充加熱器的規(guī)格跟常規(guī)是一樣的，也就是說，它并不能減少系統(tǒng)其它設(shè)備 的投資。6 結(jié)語1 熱回收是一個比較好的而且比較容易