冷凝熱回收技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用

冷凝熱回收技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用摘要本文回顧了了國(guó)內(nèi)外冷凝凝熱回收技術(shù)術(shù)的發(fā)展過(guò)程程，指出了其其未能在市場(chǎng)場(chǎng)上推廣的一一些原因；指指出了國(guó)內(nèi)的的發(fā)展概況及及近年來(lái)冷凝凝熱回收已引引起了人們的的廣泛關(guān)注。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外的冷凝熱回收技術(shù)成果及專(zhuān)利作了總結(jié)并由此對(duì)冷凝熱回收的類(lèi)型進(jìn)行了分類(lèi)，并對(duì)所分類(lèi)的三種熱回收技術(shù)分別在概念、原理以及進(jìn)一步的分類(lèi)方面作了全面的闡述。并指出了每一類(lèi)熱回收技術(shù)相對(duì)應(yīng)取得的技術(shù)成果。在此基礎(chǔ)之上，提出了近年來(lái)的新型熱回收冷凝器和研究冷凝熱回收的新方法，并介紹了該領(lǐng)域的典型技術(shù)成果。給出了幾種典型冷熱源方式的經(jīng)濟(jì)比較，指出了目前冷凝熱回收技術(shù)存在的問(wèn)題及發(fā)展方向。關(guān)鍵詞冷凝熱回回收技術(shù)單冷冷機(jī)組熱泵機(jī)機(jī)組節(jié)能背景冷凝熱回收技術(shù)術(shù)是將空調(diào)排排放的廢熱予予以回收利用用，用來(lái)制取取衛(wèi)生熱水或或生產(chǎn)工藝熱熱水，不僅變變廢為寶，減減少大氣環(huán)境境熱污染，而而且可以降低低熱水供應(yīng)系系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用用，同時(shí)也提提高了空調(diào)的的運(yùn)行效率，是是節(jié)能的重要要措施之一。對(duì)對(duì)于冷凝熱回回收技術(shù)的研研究國(guó)外起步步比較早，早早在1965年就有Heaaly等人首首先提出對(duì)于于居住建筑空空調(diào)冷凝熱作作為免費(fèi)的熱熱源進(jìn)行熱水水供應(yīng)的設(shè)想想[1]，70年代以后，Stuijj,Dougllas等人對(duì)對(duì)熱回收熱泵泵的可行性進(jìn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研研究[2-33]，新加坡坡南洋理工大大學(xué)的指出通通過(guò)回收冷凝凝熱加熱生活活熱水對(duì)空調(diào)調(diào)器的性能影影響并不大[[4]，Goldsschmiddt[5]和Lee[6]]等人研究了了回收的冷凝凝熱數(shù)量、機(jī)機(jī)組的出水量量及綜合能源源利用系數(shù)等等。隨著計(jì)算算機(jī)技術(shù)的發(fā)發(fā)展和普及，在在實(shí)驗(yàn)研究的的基礎(chǔ)上人們們開(kāi)始用數(shù)值值模擬的方法法對(duì)冷凝熱回回收技術(shù)進(jìn)行行分析，以MMason[[7]，K.C.TToh[8]，Bong[99]和Baxteer[10]等人為為代表，對(duì)冷冷凝熱回收系系統(tǒng)的性能和和運(yùn)行特性進(jìn)進(jìn)行了相關(guān)研研究和分析，并并在夏威夷對(duì)對(duì)其進(jìn)行了大大規(guī)模推廣，研研究和推廣結(jié)結(jié)果顯示其節(jié)節(jié)能性非常顯顯著。雖然CCARRIEER和TRANEE公司都開(kāi)發(fā)發(fā)了雙管束冷冷凝器熱回收收技術(shù)，但由由于該技術(shù)原原理上存在著著根本缺陷，熱熱回收效率有有限，因此未未能在市場(chǎng)上上廣泛推廣。我我國(guó)在20世紀(jì)60年代就有回回收制冷機(jī)冷冷凝廢熱的設(shè)設(shè)想，但發(fā)展展較慢，90年代后期我我國(guó)開(kāi)始有關(guān)關(guān)冷凝熱回收收技術(shù)方面的的研究。近年年來(lái)電力供應(yīng)應(yīng)緊張和電力力需求不斷增增加的矛盾，使使節(jié)能成為焦焦點(diǎn)問(wèn)題，冷冷凝熱回收技技術(shù)引起了人人們的廣泛關(guān)關(guān)注。冷凝熱回收的分分類(lèi)及主要技技術(shù)成果目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于于冷凝熱回收收技術(shù)的成果果及專(zhuān)利已有有不少，已獲獲得的專(zhuān)利成成果有60余項(xiàng)，其中中發(fā)明專(zhuān)利17項(xiàng)，實(shí)用新新型44項(xiàng)，主要集集中在兩大方方面：一方面面是單冷機(jī)組組的冷凝熱回回收技術(shù)，其其中發(fā)明專(zhuān)利利7項(xiàng)，實(shí)用新新型19項(xiàng)；另一方方面是關(guān)于熱熱泵裝置的冷冷凝熱回收技技術(shù)，又分為為兩類(lèi)，一類(lèi)類(lèi)是能實(shí)現(xiàn)空空-水冷靈活轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的復(fù)合冷冷凝熱回收技技術(shù)，其中發(fā)發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)，實(shí)用新新型6項(xiàng)，另一類(lèi)類(lèi)是涉及專(zhuān)有有的換熱技術(shù)術(shù)或裝置的冷冷凝熱回收技技術(shù)，其中發(fā)發(fā)明專(zhuān)利8項(xiàng)，實(shí)用新新型13項(xiàng)。除上述述兩個(gè)方面，另另外還有利用用相變材料回回收冷凝熱以以及其他有關(guān)關(guān)新型熱回收收冷凝器和研研究冷凝熱回回收技術(shù)的新新方法，包括括發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)，實(shí)用新新型6項(xiàng)。2.1單冷機(jī)機(jī)組冷凝熱回回收技術(shù)單冷機(jī)組的冷凝凝熱回收根據(jù)據(jù)冷凝熱回收收的形式主要要分為直接式式（圖1，3，4）和間接式式（圖2）。直接式式是指制冷劑劑從壓縮機(jī)出出來(lái)后進(jìn)入熱熱回收器直接接與自來(lái)水換換熱制備生活活熱水，包括括單冷凝器型型（圖1）[11]和雙雙冷凝器型（圖3，4）[12]，前者存在著明顯的不足，冬天制備生活熱水時(shí)供熱要停止，目前一般不采用；間接式是指利用常規(guī)空調(diào)的冷凝器側(cè)排出的高溫空氣或37度的水來(lái)加熱制備生活熱水。間接式由于要增加的設(shè)備比較多，換熱效率比較低，所以該技術(shù)不易推廣。其中直接式可又分為循環(huán)式（如圖3）和直流式(如圖4)，直流式是指自來(lái)水一次性經(jīng)過(guò)熱回收器之后就可獲得較高溫度的生活熱水以供用戶(hù)使用。由于直流式的水流量小，往往不能滿(mǎn)足用戶(hù)需求，同時(shí)要求熱回收器的具很高的換熱效率，且成本高，故目前多不采用此項(xiàng)技術(shù)。循環(huán)式是指自來(lái)水經(jīng)過(guò)熱回收器之后進(jìn)入蓄熱水箱，然后通過(guò)熱水泵循環(huán)經(jīng)過(guò)熱回收器進(jìn)行熱交換后來(lái)獲得較高的生活熱水溫度，最后由蓄熱水箱提供生活熱水到用戶(hù)。循環(huán)式對(duì)熱回收器的要求比直流式低，可根據(jù)用戶(hù)需求提供生活熱水，易于控制且可靠性強(qiáng)。圖1直接式單冷冷凝器型空調(diào)調(diào)冷圖2間接式空調(diào)調(diào)冷凝熱熱回回收系統(tǒng)原理理圖凝熱熱回收系統(tǒng)統(tǒng)原理圖圖3循環(huán)式空空調(diào)冷凝熱熱熱回收系統(tǒng)原原理圖圖4直流式空調(diào)調(diào)冷凝熱熱回回收系統(tǒng)原理理圖目前對(duì)單冷機(jī)組組的冷凝熱回回收一般采用用直接循環(huán)式式（圖3），國(guó)內(nèi)對(duì)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的的研究較多，國(guó)外也在90年代中期開(kāi)始應(yīng)用，典型的技術(shù)成果有：一種電腦自動(dòng)控制利用余熱制熱水節(jié)能設(shè)備[13]、離心式節(jié)能制冷裝置[14]、容積式節(jié)能熱水機(jī)組[15]、螺桿式冷水機(jī)組制熱水節(jié)能設(shè)備[16]，帶熱回收式水冷冷水機(jī)組[17]等。此類(lèi)技術(shù)成果在熱回收工藝上基本是一致的，主要差別仍在換熱回收即傳熱裝置上。熱泵機(jī)組冷凝熱熱回收技術(shù)熱泵機(jī)組的冷凝凝熱回收原理理同單冷機(jī)組組基本一致，目目前也多采用用直接循環(huán)回回收冷凝熱的的方式（圖3），與單冷冷機(jī)組不同是是，熱泵機(jī)組組增加了四通通換向閥，這這就要求在加加熱回收器時(shí)時(shí)考慮四通閥閥的正常工作作，保障機(jī)組組的穩(wěn)定運(yùn)行行?，F(xiàn)有熱泵機(jī)組的的冷凝熱回收收技術(shù)大致可可分為兩類(lèi)，一一類(lèi)是在壓縮縮機(jī)與四通閥閥之間增加熱熱回收器通過(guò)過(guò)增加多個(gè)控控制閥的方式式實(shí)現(xiàn)熱回收收或直接在四四通閥與冷凝凝器之間加熱熱回收器的方方式來(lái)實(shí)現(xiàn)部部分熱回收。其其典型技術(shù)成成果有：多功功能風(fēng)冷冷熱熱水機(jī)組[118]，空氣熱能熱熱泵式熱水爐爐[19]，一種四季節(jié)節(jié)能冷暖空調(diào)調(diào)熱水三用機(jī)機(jī)[20]（如如圖5）、一種多功功能冷暖空調(diào)調(diào)熱水機(jī)[221]等。圖5四季節(jié)能冷冷暖空調(diào)熱水水三用機(jī)原理理圖以上成果都能實(shí)實(shí)現(xiàn)冷凝熱回回收，但在冷冷熱工況轉(zhuǎn)換換時(shí)影響換向向閥的正常工工作（只有在在回收熱量較較少時(shí)才不致致于影響換向向閥）；或者者存在著制冷冷流程改造復(fù)復(fù)雜，元器件件更換頻繁，不不利于生產(chǎn)和和加工等缺點(diǎn)點(diǎn)；這樣易出出現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行行不穩(wěn)定，冷冷凝力度不夠夠或產(chǎn)生過(guò)冷冷現(xiàn)象，導(dǎo)致致制冷循環(huán)偏偏離正常工況況較多，影響響空調(diào)效果，且且大都回收冷冷凝余熱量較較少等。另一類(lèi)是在四通通閥與壓縮機(jī)機(jī)之間增加熱熱回收器，采采用基于流體體旁路氣動(dòng)控控制的復(fù)合冷冷凝技術(shù)。此此項(xiàng)技術(shù)國(guó)外外目前無(wú)相關(guān)關(guān)專(zhuān)利，我國(guó)國(guó)在該領(lǐng)域取取得了重大突突破性的成果果，典型的技技術(shù)成果有：：熱水熱泵空空調(diào)裝置[222]，一種聯(lián)動(dòng)屏屏蔽復(fù)合冷凝凝熱水熱泵空空調(diào)裝置[223]等，此此類(lèi)技術(shù)的特特點(diǎn)是增加的的旁路控制管管一端與壓縮縮機(jī)出口直接接聯(lián)通,另一端與四四通閥氣動(dòng)控控制管入口或或其高壓側(cè)入入口聯(lián)通，空空冷和水冷能能進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，既可實(shí)實(shí)現(xiàn)部分熱回回收也可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)全熱回收，且且不影響四通通閥的正常工工作，只需增增加少量控制制閥，又能保保障機(jī)組的穩(wěn)穩(wěn)定運(yùn)行。2.3相變變材料回收空空調(diào)冷凝熱利用相變材料回回收空調(diào)冷凝凝熱（如圖6）指用蓄熱器代代替雙冷凝器器熱回收技術(shù)術(shù)中壓縮機(jī)出出口的冷凝器器，并與常規(guī)風(fēng)風(fēng)冷冷凝器(或冷卻塔)采用串聯(lián)連連接，利用蓄熱材材料的相變過(guò)過(guò)程將冷凝熱熱回收并制取取熱水[244]。典型的技術(shù)成果果有：帶相變變蓄熱水箱的的熱泵熱水器器[25]，一種用于回回收空調(diào)冷凝凝熱的復(fù)合相相變蓄熱器[[26]等。目前利用的的相變材料回回收冷凝熱的的形式在國(guó)外外已廣泛采用用，我國(guó)也取取得了很大的的進(jìn)展，但對(duì)對(duì)于如何能利利用高效、低低成本的相變變蓄熱器來(lái)實(shí)實(shí)現(xiàn)冷凝熱回回收仍有待進(jìn)進(jìn)一步的探究究。圖6相變材料回回收空調(diào)冷凝凝熱系統(tǒng)原理理圖2.4新型型熱回收冷凝凝器和研究冷冷凝熱回收的的新方法隨著對(duì)冷凝熱回回收技術(shù)研究究的不斷深入入，其研究成成果不僅體現(xiàn)現(xiàn)在熱回收形形式上，還有有一些新型熱熱回收冷凝器器和研究冷凝凝熱回收技術(shù)術(shù)的新方法，為為冷凝熱回收收技術(shù)的進(jìn)一一步研究及應(yīng)應(yīng)用提供了條條件。其典型型技術(shù)成果有有：一種可熱熱回收的管式式冷凝器[227]，一種熱回收收式冷凝器裝裝置[28]]，帶冷凝熱回回收的蒸氣壓縮式制制冷循環(huán)多功功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)臺(tái)[29]]，一種基于于產(chǎn)品成本冷冷熱源優(yōu)化設(shè)設(shè)計(jì)軟件[330]等。3采用冷凝熱回回收技術(shù)與常常規(guī)冷熱源方方式的比較（見(jiàn)見(jiàn)表1）表1單位熱熱量的冷熱水水能源消費(fèi)量量及費(fèi)用(發(fā)配電效率率為35%)冷熱源方式驅(qū)動(dòng)能源Cop/效率（季季節(jié)平均值）一次能源消費(fèi)量量（kw/kw）熱值單位能源單價(jià)(元))每kwh熱量的的燃料消費(fèi)量量費(fèi)用(元)冷水空氣源熱泵（風(fēng)風(fēng)冷冷水機(jī)組組）電3.19221kwh/度0.60.320.19地源熱泵(土壤壤源冷水機(jī)組組)電4.76081kwh/度0.60.210.13水源熱泵(水冷冷冷水機(jī)組)電5.45291kwh/度0.60.190.11冷熱水復(fù)合冷凝風(fēng)冷熱熱泵（帶熱回回收風(fēng)冷冷水水機(jī)組）冷熱水同時(shí)利用用電6.74261kwh/度0.60.150.09帶熱回收水冷冷冷水機(jī)組（水水源熱泵）冷熱水同時(shí)時(shí)全部利用電9.72941kwh/度0.60.100.06帶熱回收水冷冷冷水機(jī)組利用全部冷水和和部分熱水電5.4~9.77294~52991kwh/度0.60.10~0..190.06~0..11帶熱回收水冷冷冷水機(jī)組利用全部熱水和和部分冷水電4.3~9.77294~66441kwh/度0.60.10~0..230.06~0..14熱水燃煤鍋爐煤0.616677000kcaal/kg0.50.200.10燃油鍋爐柴油0.8125010300kccal/kgg4.740.100.47燃?xì)忮仩t燃?xì)?.8511769000kcaal/Nm333.00.110.33電鍋爐電0.9530071kwh/度0.61.050.63空氣源熱泵機(jī)組組電3.28931kwh/度0.60.310.19地源熱泵機(jī)組電4.07141kwh/度0.60.250.15水源熱泵機(jī)組（帶帶熱回收水冷冷冷水機(jī)組）電4.36641kwh/度0.60.230.14復(fù)合冷凝風(fēng)冷熱熱泵（帶熱回回收風(fēng)冷冷水水機(jī)組）電3.67941kwh/度0.60.280.17典型應(yīng)用利用冷凝熱回收收技術(shù)不僅可可以有效的節(jié)節(jié)約能源，變變廢為寶，減減少城市熱污污染，而且還還可以帶來(lái)巨巨大的經(jīng)濟(jì)效效益，現(xiàn)以某某賓館集中式式空調(diào)系統(tǒng)改改造后回收冷冷凝熱為例。此賓館有3000個(gè)床位，人人均每日用水水量200LL/（人·d），衛(wèi)生熱水水溫度為60℃，經(jīng)計(jì)算可可得每日總用用水量6×1104L/d。設(shè)定定夏季水溫平平均溫度為118℃，經(jīng)計(jì)算可可得每天制備備衛(wèi)生熱水所所需的總熱量量為10588×104kJJ/d。取電電鍋爐的熱效效率為η＝90％，電價(jià)為1..00元/（kW·h），經(jīng)計(jì)算算可得，電鍋鍋爐每日耗電電量為32665（kW·h）/d，電費(fèi)為為3265元/d?？照{(diào)制制冷工況運(yùn)行行時(shí)間為1335d，經(jīng)計(jì)計(jì)算可得，制制冷工況下使使用電鍋爐制制備衛(wèi)生熱水水的年運(yùn)行費(fèi)費(fèi)用為44..1×104/aa。賓館總建建筑面積約為為1.5×104m2，采用的建建筑冷源為水水冷式冷水機(jī)機(jī)組，由電熱熱水鍋爐供應(yīng)應(yīng)熱水。夏季季，空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)全天運(yùn)行，制制冷壓縮機(jī)的的平均制冷系系數(shù)為3.00，單位面積積冷負(fù)荷指標(biāo)標(biāo)為80w//m2。經(jīng)計(jì)算可可得，總設(shè)計(jì)計(jì)冷負(fù)荷為11200kWW，最大冷凝凝熱排放量為為1600kkW。經(jīng)調(diào)查查空調(diào)系統(tǒng)在在制冷工況時(shí)時(shí)建筑物平均均冷負(fù)荷約為為設(shè)計(jì)冷負(fù)荷荷的1/2，則平平均冷凝熱排排放量約為8800kW，每每日總冷凝熱熱排放量約66900×104kJJ/d。由以以上分析計(jì)算算可知，利用用冷凝熱回收收裝置可完全全滿(mǎn)足制備衛(wèi)衛(wèi)生熱水的熱熱量，每年可可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)費(fèi)用44.11×104元/a。目前湖南省的長(zhǎng)長(zhǎng)沙、株洲等等多家賓館，已已采用冷凝熱熱回收技術(shù)對(duì)對(duì)原有空調(diào)系系統(tǒng)進(jìn)行改造造。最大的改改造工程為某某賓館制冷量量為17588.5kW的的離心壓縮式式冷水機(jī)組，此此機(jī)組改造后后于20011年投入運(yùn)行行，現(xiàn)已穩(wěn)定定運(yùn)行4年，產(chǎn)生巨巨大經(jīng)濟(jì)效益益，每年可節(jié)節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用用約40×104元/a。國(guó)內(nèi)主要廠(chǎng)家、企企業(yè)目前國(guó)內(nèi)關(guān)于冷冷凝熱回收技技術(shù)研究開(kāi)發(fā)發(fā)及生產(chǎn)的企企業(yè)和廠(chǎng)家有有100多家。主要要在北京、上上海、山東、江江蘇、廣東等等地(表2)。表2國(guó)內(nèi)主要要廠(chǎng)家地區(qū)分分布地區(qū)廠(chǎng)家數(shù)量代表性廠(chǎng)家北京23同方人工環(huán)境有有限公司、北北京中科能源源高科技有限限公司、北京京綠水節(jié)能技技術(shù)有限公司司、北京迪寶特特暖通設(shè)備有有限公司、北北京格瑞那換換能技術(shù)有限限公司等；上海15上海同菲達(dá)能源源科技有限公公司、上海富田空空調(diào)冷凍設(shè)備備有限公司、上海國(guó)祥制制冷工業(yè)有限限公司、上海海瀚藝?yán)鋬鰴C(jī)機(jī)械有限公司司、上海恒良制制冷空調(diào)設(shè)備備有限公司等等；山東14山東煙臺(tái)藍(lán)德空空調(diào)工業(yè)有限限公司、山東東綠特空調(diào)系系統(tǒng)有限公司司、山東科靈空空調(diào)設(shè)備有限限公司、山東中大空空調(diào)集團(tuán)有限限公司等；江蘇10南京天加空調(diào)設(shè)設(shè)備有限公司司、江蘇雅境境冷暖設(shè)備有有限公司、常常州愛(ài)斯特空空調(diào)設(shè)備有限限公司等廣東33廣州恒星冷凍機(jī)機(jī)械制造有限限公司、廣東東省吉榮空調(diào)調(diào)設(shè)備公司、深圳市弗勞勞德能源科技技有限公司、東莞市高雅雅空調(diào)制冷有有限公司、珠海慧生能能源技術(shù)發(fā)展展有限公司等等；其他19西安中亞科技發(fā)發(fā)展有限公司司、杭州科靈靈斯壯空調(diào)有有限公司、大連瑞德偉偉業(yè)空調(diào)機(jī)電電設(shè)備工程有有限公司重慶慶嘉陵制冷空空調(diào)設(shè)備有限限公司等6結(jié)束語(yǔ)空調(diào)冷凝熱回收收技術(shù)是一項(xiàng)項(xiàng)集節(jié)能、節(jié)節(jié)費(fèi)、環(huán)保等等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)于