冷凝熱回收技術現(xiàn)狀及應用

冷凝熱回收技術研究現(xiàn)狀及應用摘要本文回顧了國內(nèi)外冷凝熱回收技術的發(fā)展過程，指出了其未能在市場上推廣的一些原因；指出了國內(nèi)的發(fā)展概況及近年來冷凝熱回收已引起了人們的廣泛關注。本文對國內(nèi)外的冷凝熱回收技術成果及專利作了總結并由此對冷凝熱回收的類型進行了分類，并對所分類的三種熱回收技術分別在概念、原理以及進一步的分類方面作了全面的闡述。并指出了每一類熱回收技術相對應取得的技術成果。在此基礎之上，提出了近年來的新型熱回收冷凝器和研究冷凝熱回收的新方法，并介紹了該領域的典型技術成果。給出了幾種典型冷熱源方式的經(jīng)濟比較，指出了目前冷凝熱回收技術存在的問題及發(fā)展方向。關鍵詞冷凝熱回收技術單冷機組熱泵機組節(jié)能背景冷凝熱回收技術是將空調排放的廢熱予以回收利用，用來制取衛(wèi)生熱水或生產(chǎn)工藝熱水，不僅變廢為寶，減少大氣環(huán)境熱污染，而且可以降低熱水供應系統(tǒng)運行費用，同時也提高了空調的運行效率，是節(jié)能的重要措施之一。對于冷凝熱回收技術的研究國外起步比較早，早在1965年就有Healy等人首先提出對于居住建筑空調冷凝熱作為免費的熱源進行熱水供應的設想[1]，70年代以后，Stuij,Douglas等人對熱回收熱泵的可行性進行了實驗研究[2-3]，新加坡南洋理工大學的指出通過回收冷凝熱加熱生活熱水對空調器的性能影響并不大[4]，Goldschmidt[5]和Lee[6]等人研究了回收的冷凝熱數(shù)量、機組的出水量及綜合能源利用系數(shù)等。隨著計算機技術的發(fā)展和普及，在實驗研究的基礎上人們開始用數(shù)值模擬的方法對冷凝熱回收技術進行分析，以Mason[7]，K.C.Toh[8]，Bong[9]和Baxter[10]等人為代表，對冷凝熱回收系統(tǒng)的性能和運行特性進行了相關研究和分析，并在夏威夷對其進行了大規(guī)模推廣，研究和推廣結果顯示其節(jié)能性非常顯著。雖然CARRIER和TRANE公司都開發(fā)了雙管束冷凝器熱回收技術，但由于該技術原理上存在著根本缺陷，熱回收效率有限，因此未能在市場上廣泛推廣。我國在20世紀60年代就有回收制冷機冷凝廢熱的設想，但發(fā)展較慢，90年代后期我國開始有關冷凝熱回收技術方面的研究。近年來電力供應緊張和電力需求不斷增加的矛盾，使節(jié)能成為焦點問題，冷凝熱回收技術引起了人們的廣泛關注。冷凝熱回收的分類及主要技術成果目前國內(nèi)外關于冷凝熱回收技術的成果及專利已有不少，已獲得的專利成果有60余項，其中發(fā)明專利17項，實用新型44項，主要集中在兩大方面：一方面是單冷機組的冷凝熱回收技術，其中發(fā)明專利7項，實用新型19項；另一方面是關于熱泵裝置的冷凝熱回收技術，又分為兩類，一類是能實現(xiàn)空-水冷靈活轉換的復合冷凝熱回收技術，其中發(fā)明專利1項，實用新型6項，另一類是涉及專有的換熱技術或裝置的冷凝熱回收技術，其中發(fā)明專利8項，實用新型13項。除上述兩個方面，另外還有利用相變材料回收冷凝熱以及其他有關新型熱回收冷凝器和研究冷凝熱回收技術的新方法，包括發(fā)明專利4項，實用新型6項。2.1單冷機組冷凝熱回收技術單冷機組的冷凝熱回收根據(jù)冷凝熱回收的形式主要分為直接式（圖1，3，4）和間接式（圖2）。直接式是指制冷劑從壓縮機出來后進入熱回收器直接與自來水換熱制備生活熱水，包括單冷凝器型（圖1）[11]和雙冷凝器型（圖3，4）[12]，前者存在著明顯的不足，冬天制備生活熱水時供熱要停止，目前一般不采用；間接式是指利用常規(guī)空調的冷凝器側排出的高溫空氣或37度的水來加熱制備生活熱水。間接式由于要增加的設備比較多，換熱效率比較低，所以該技術不易推廣。其中直接式可又分為循環(huán)式（如圖3）和直流式(如圖4)，直流式是指自來水一次性經(jīng)過熱回收器之后就可獲得較高溫度的生活熱水以供用戶使用。由于直流式的水流量小，往往不能滿足用戶需求，同時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技術。循環(huán)式是指自來水經(jīng)過熱回收器之后進入蓄熱水箱，然后通過熱水泵循環(huán)經(jīng)過熱回收器進行熱交換后來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。循環(huán)式對熱回收器的要求比直流式低，可根據(jù)用戶需求提供生活熱水，易于控制且可靠性強。圖1直接式單冷凝器型空調冷圖2間接式空調冷凝熱熱回收系統(tǒng)原理圖凝熱熱回收系統(tǒng)原理圖圖3循環(huán)式空調冷凝熱熱回收系統(tǒng)原理圖圖4直流式空調冷凝熱熱回收系統(tǒng)原理圖目前對單冷機組的冷凝熱回收一般采用直接循環(huán)式（圖3），國內(nèi)對此項技術的研究較多，國外也在90年代中期開始應用，典型的技術成果有：一種電腦自動控制利用余熱制熱水節(jié)能設備[13]、離心式節(jié)能制冷裝置[14]、容積式節(jié)能熱水機組[15]、螺桿式冷水機組制熱水節(jié)能設備[16]，帶熱回收式水冷冷水機組[17]等。此類技術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。熱泵機組冷凝熱回收技術熱泵機組的冷凝熱回收原理同單冷機組基本一致，目前也多采用直接循環(huán)回收冷凝熱的方式（圖3），與單冷機組不同是，熱泵機組增加了四通換向閥，這就要求在加熱回收器時考慮四通閥的正常工作，保障機組的穩(wěn)定運行?，F(xiàn)有熱泵機組的冷凝熱回收技術大致可分為兩類，一類是在壓縮機與四通閥之間增加熱回收器通過增加多個控制閥的方式實現(xiàn)熱回收或直接在四通閥與冷凝器之間加熱回收器的方式來實現(xiàn)部分熱回收。其典型技術成果有：多功能風冷冷熱水機組[18]，空氣熱能熱泵式熱水爐[19]，一種四季節(jié)能冷暖空調熱水三用機[20]（如圖5）、一種多功能冷暖空調熱水機[21]等。圖5四季節(jié)能冷暖空調熱水三用機原理圖以上成果都能實現(xiàn)冷凝熱回收，但在冷熱工況轉換時影響換向閥的正常工作（只有在回收熱量較少時才不致于影響換向閥）；或者存在著制冷流程改造復雜，元器件更換頻繁，不利于生產(chǎn)和加工等缺點；這樣易出現(xiàn)機組運行不穩(wěn)定，冷凝力度不夠或產(chǎn)生過冷現(xiàn)象，導致制冷循環(huán)偏離正常工況較多，影響空調效果，且大都回收冷凝余熱量較少等。另一類是在四通閥與壓縮機之間增加熱回收器，采用基于流體旁路氣動控制的復合冷凝技術。此項技術國外目前無相關專利，我國在該領域取得了重大突破性的成果，典型的技術成果有：熱水熱泵空調裝置[22]，一種聯(lián)動屏蔽復合冷凝熱水熱泵空調裝置[23]等，此類技術的特點是增加的旁路控制管一端與壓縮機出口直接聯(lián)通,另一端與四通閥氣動控制管入口或其高壓側入口聯(lián)通，空冷和水冷能進行靈活轉換，既可實現(xiàn)部分熱回收也可實現(xiàn)全熱回收，且不影響四通閥的正常工作，只需增加少量控制閥，又能保障機組的穩(wěn)定運行。2.3相變材料回收空調冷凝熱利用相變材料回收空調冷凝熱（如圖6）指用蓄熱器代替雙冷凝器熱回收技術中壓縮機出口的冷凝器，并與常規(guī)風冷冷凝器(或冷卻塔)采用串聯(lián)連接，利用蓄熱材料的相變過程將冷凝熱回收并制取熱水[24]。典型的技術成果有：帶相變蓄熱水箱的熱泵熱水器[25]，一種用于回收空調冷凝熱的復合相變蓄熱器[26]等。目前利用的相變材料回收冷凝熱的形式在國外已廣泛采用，我國也取得了很大的進展，但對于如何能利用高效、低成本的相變蓄熱器來實現(xiàn)冷凝熱回收仍有待進一步的探究。圖6相變材料回收空調冷凝熱系統(tǒng)原理圖2.4新型熱回收冷凝器和研究冷凝熱回收的新方法隨著對冷凝熱回收技術研究的不斷深入，其研究成果不僅體現(xiàn)在熱回收形式上，還有一些新型熱回收冷凝器和研究冷凝熱回收技術的新方法，為冷凝熱回收技術的進一步研究及應用提供了條件。其典型技術成果有：一種可熱回收的管式冷凝器[27]，一種熱回收式冷凝器裝置[28]，帶冷凝熱回收的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)多功能教學實驗臺[29]，一種基于產(chǎn)品成本冷熱源優(yōu)化設計軟件[30]等。3采用冷凝熱回收技術與常規(guī)冷熱源方式的比較（見表1）表1單位熱量的冷熱水能源消費量及費用(發(fā)配電效率為35%)冷熱源方式驅動能源Cop/效率（季節(jié)節(jié)平均值）一次能源消費量（kw/kw）熱值單位能源單價(元)每kwh熱量的燃料料消費量費用(元)冷水空氣源熱泵（風冷冷冷水機組）電3.19221kwh/度0.60.320.19地源熱泵(土壤源源冷水機組)電4.76081kwh/度0.60.210.13水源熱泵(水冷冷冷水機組)電5.45291kwh/度0.60.190.11冷熱水復合冷凝風冷熱泵泵（帶熱回收風風冷冷水機組組）冷熱水同時利用電6.74261kwh/度0.60.150.09帶熱回收水冷冷水水機組（水源源熱泵）冷熱水同時時全部利用電9.72941kwh/度0.60.100.06帶熱回收水冷冷水水機組利用全部冷水和部部分熱水電5.4~9.7294~5291kwh/度0.60.10~0.1190.06~0.111帶熱回收水冷冷水水機組利用全部熱水和部部分冷水電4.3~9.7294~6641kwh/度0.60.10~0.2230.06~0.114熱水燃煤鍋爐煤0.616677000kcall/kg0.50.200.10燃油鍋爐柴油0.8125010300kcaal/kg4.740.100.47燃氣鍋爐燃氣0.8511769000kcall/Nm33.00.110.33電鍋爐電0.9530071kwh/度0.61.050.63空氣源熱泵機組電3.28931kwh/度0.60.310.19地源熱泵機組電4.07141kwh/度0.60.250.15水源熱泵機組（帶帶熱回收水冷冷冷水機組）電4.36641kwh/度0.60.230.14復合冷凝風冷熱泵泵（帶熱回收風風冷冷水機組組）電3.67941kwh/度0.60.280.17典型應用利用冷凝熱回收技術不僅可以有效的節(jié)約能源，變廢為寶，減少城市熱污染，而且還可以帶來巨大的經(jīng)濟效益，現(xiàn)以某賓館集中式空調系統(tǒng)改造后回收冷凝熱為例。此賓館有300個床位，人均每日用水量200L/（人·d），衛(wèi)生熱水溫度為60℃，經(jīng)計算可得每日總用水量6×104L/d。設定夏季水溫平均溫度為18℃，經(jīng)計算可得每天制備衛(wèi)生熱水所需的總熱量為1058×104kJ/d。取電鍋爐的熱效率為η＝90％，電價為1.00元/（kW·h），經(jīng)計算可得，電鍋爐每日耗電量為3265（kW·h）/d，電費為3265元/d?？照{制冷工況運行時間為135d，經(jīng)計算可得，制冷工況下使用電鍋爐制備衛(wèi)生熱水的年運行費用為44.1×104/a。賓館總建筑面積約為1.5×104m2，采用的建筑冷源為水冷式冷水機組，由電熱水鍋爐供應熱水。夏季，空調系統(tǒng)全天運行，制冷壓縮機的平均制冷系數(shù)為3.0，單位面積冷負荷指標為80w/m2。經(jīng)計算可得，總設計冷負荷為1200kW，最大冷凝熱排放量為1600kW。經(jīng)調查空調系統(tǒng)在制冷工況時建筑物平均冷負荷約為設計冷負荷的1/2，則平均冷凝熱排放量約為800kW，每日總冷凝熱排放量約6900×104kJ/d。由以上分析計算可知，利用冷凝熱回收裝置可完全滿足制備衛(wèi)生熱水的熱量，每年可節(jié)約運行費用44.1×104元/a。目前湖南省的長沙、株洲等多家賓館，已采用冷凝熱回收技術對原有空調系統(tǒng)進行改造。最大的改造工程為某賓館制冷量為1758.5kW的離心壓縮式冷水機組，此機組改造后于2001年投入運行，現(xiàn)已穩(wěn)定運行4年，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益，每年可節(jié)約運行費用約40×104元/a。國內(nèi)主要廠家、企業(yè)目前國內(nèi)關于冷凝熱回收技術研究開發(fā)及生產(chǎn)的企業(yè)和廠家有100多家。主要在北京、上海、山東、江蘇、廣東等地(表2)。表2國內(nèi)主要廠家地區(qū)分布地區(qū)廠家數(shù)量代表性廠家北京23同方人工環(huán)境有限限公司、北京京中科能源高高科技有限公公司、北京綠綠水節(jié)能技術術有限公司、北京迪寶特特暖通設備有有限公司、北北京格瑞那換換能技術有限限公司等；上海15上海同菲達能源科科技有限公司司、上海富田空空調冷凍設備備有限公司、上海國祥制制冷工業(yè)有限限公司、上海海瀚藝冷凍機機械有限公司司、上海恒良制制冷空調設備備有限公司等等；山東14山東煙臺藍德空調調工業(yè)有限公公司、山東綠綠特空調系統(tǒng)統(tǒng)有限公司、山東科靈空空調設備有限限公司、山東中大空空調集團有限限公司等；江蘇10南京天加空調設備備有限公司、江江蘇雅境冷暖暖設備有限公公司、常州愛愛斯特空調設設備有限公司司等廣東33廣州恒星冷凍機械械制造有限公公司、廣東省省吉榮空調設設備公司、深圳市弗勞勞德能源科技技有限公司、東莞市高雅雅空調制冷有有限公司、珠?；凵苣茉醇夹g發(fā)展展有限公司等等；其他19西安中亞科技發(fā)展展有限公司、杭州科靈斯壯空調有限公司、大連瑞德偉業(yè)空調機電設備工程有限公司重慶嘉陵制冷空調設備有限公司等6結束語空調冷凝熱回收技術是一項集節(jié)能、節(jié)費、環(huán)保等多項優(yōu)點于一身的新型技術。盡管人們對于空調冷凝熱回收技術的利用價值認識比較早，但在這方面的研究還不夠深，不夠全面。目前就國內(nèi)研究來說，以下問題有待解：（1）回收冷凝熱制備熱水的冷凝熱回收裝置只能用于夏季，在漫長的過渡季節(jié)及冬季則處于閑置狀態(tài)，衛(wèi)生熱水生產(chǎn)裝置仍不可缺少，這需要有合適新型的設備及優(yōu)化組合技術；（2）從總體上說，回收制冷機組冷凝熱有較好的綜合能源利用效率。但設計不合理時，對存在豐富的冷凝熱往往只能回收其中的較少部分，且熱回收效率較低，不能滿足建筑內(nèi)衛(wèi)生熱水熱負荷的需要；特別是針對大型離心制冷機組（300冷噸以上）進行冷凝熱