[设计开发] 热回收技术

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1楼

发表于 2009-11-25 13:49 |只看该作者 |倒序浏览

摘　要从热水温度、热回收量，系统设计，控制系统及投资回收期对热回收冷水机组和系统进行分析，指出其不能应用于所有场合和所有地区，对系统设计，控制和操作有比较高的要求，对目前一些厂家回收期的计算提出了一些意见。
关键词热回收　系统设计　控制系统　操作　回收期

0 前言
随着社会节能和环保意识的日益增强，一些原先被冷落的技术逐渐受到厂家和业主的青睐。对冷水机组的冷凝排热进行回收便是其中之一。不可否认，在一些场合，如医院，宾馆等，在供冷的同时，需要一定温度和流量的热水以满足需要。这时候热回收型冷水机组便体现其技术优势，但同时也对热水系统设计和运行提出了相应的要求，而且对机组的性能也有一定的影响。另外由于机组本身的问题，例如，热水温度的限制和机组在供冷的时候才能供热（冬天使用热泵除外），使得该技术在实际应用中受到一定的制约，特别在冬天使用时，一些地区，由于室外温度的限制，并不能大规模减小常规燃煤燃气热水锅炉或电锅炉的规格，因此其发挥效益的时间一般在于夏季供冷的周期内。而且由于冷水机组冷负荷的变化，导致其热回收量也发生变化，这就导致应用此技术的实际回收期比理论的要长！
虽然热回收技术不是一个新的技术，但目前系统设计思路都是一些冷水机组厂家提出的，出于推广的需要，有些分析并不是完全准确，本文将从热水温度和回收量，系统设计，控制系统及投资回收期等四个方面进行探讨。
1 热水温度和回收量
热水温度和热回收量主要与热回收模式、冷凝器类型和蒸发器类型有关。
1.1热回收模式
热回收共有两种模式[1]，一种是显热回收，也称之为部分热回收；另一种是潜热回收，也称之为全热回收。
高温高压的冷媒蒸汽在冷凝器中一般要经历三个阶段[2]，如下图1所示。如果仅回收过热段部分的能量，此时蒸汽不发生相变，因此回收的仅为蒸汽的显热，此热量大约为总排热量的12～15％[1]。该模式称之为显热回收模式。显热回收的特点是：
a 回收的比例不大，一般为冷量的10％左右，这是因为考虑到换热效率的问题；
b回收的温度不高，对于风冷机组，最高出水温度为60℃左右；对于水冷机组，最高出水温度在50℃左右。这是因为风冷机组的冷凝温度和过热度均高于水冷机组的缘故；
c对冷水机组的性能（COP）的影响，加了热回收的冷水机组，如果其冷凝器与标准机组一致，由于一部分的热量被热水带走，相应地冷凝器承担的热量就减少，这样会有助于增加冷媒的过冷度，对机组提高效率是有利的[1]，这种情况只有在进行热回收的时候才能发生；
d与常规机组相比，成本增加很少。
如果将过热度和凝结段的热量进行回收，则称之为潜热回收（全热回收），这时候，为了保证回收的温度和回收量，必须提高冷凝温度，显然，冷凝温度的提高将直接影响机组的制冷性能（COP），它具有如下特点：
a回收的比例较大，一些厂家宣称其回收热量高达冷量的80％[3]；
b回收的温度较高，一些厂家的水冷机组其热水温度可高达65℃[3][4]；
c对冷水机组的性能（COP）影响很大，但一些国内厂家的热回收机组的COP与其相对应的标准机组的COP完全一致，这就有点匪夷所思了；
d与常规机组相比，成本增加较大。

1.2冷凝器类型
目前商用冷水机组的冷凝器类型主要是水冷和风冷两种，两者的冷凝温度和过热度有很大的差别，一般而言，对于标准水冷机组，冷却水进出温度为32/37℃时，冷凝温度约为40℃左右，过热度为21℃左右（R-22），11℃左右（R-134a）（即排气温度分别为61℃和51℃左右）。而对于标准风冷机组，当进风温度为35℃时，冷凝温度约为46℃左右，过热度为30℃左右（R-22）（即排气温度约为76℃左右）。这就是风冷机组可以获得比水冷机组更高热水温度的原因。也可以看出，在水冷机组中要得到60℃的热水是比较困难的，除非大幅提高冷凝温度！
1.3蒸发器类型
虽然粗看上去，热回收与蒸发器似乎没有什么关系，但实际上有很大的关系。
目前商用冷水机组一般采用壳管式蒸发器，它又分为两种，一种是满液式，冷媒在管外蒸发而载冷剂在管内流动；另外一种是直接蒸发式，也叫干式，冷媒在管内蒸发而载冷剂在管外流动。
满液式蒸发器中，冷媒流量被控制在一定的水平以保证铜管不露出液面，因此蒸发温度与吸气温度之间的差距很小，一般可以近似认为是相同的。而对于干式蒸发器，冷媒流量的控制是通过过热度来调节的，因此吸气温度与蒸发温度之间存在一个比较大的温差。
让我们再分析一下冷媒的压焓图，如下图2，当蒸发温度相同时，对于压缩机而言，干式蒸发器的吸气温度显然比满液式蒸发器来得高，也就是说，假如用相同的压缩机，输入同样的功率，采用干式蒸发器的机组的排气温度可以比满液式蒸发器为高。

在目前的市场上，美国品牌的机组，出于提高蒸发温度（提高机组COP）的需要，在大冷量机组上一般采用满液式蒸发器。而日本品牌和国内的品牌，一般采用干式蒸发器。美国品牌机组不太乐意作热回收的原因。很可能是因为改动比较大而且不太能满足所要求热量回收比例和温度。
2系统设计
热回收系统可以是直供式，也可以是循环式。下面对此分别进行讨论。
2.1直供式
直供式的定义是直接将自来水接到热回收系统的入口，加热后要么直接供应给房间，或者再经过一个补充的加热器，将温度提升后送入房间，如下图3所示。它只能用于生活热水供应。

它具有如下特点：
a进水温度是变化的，因为现在的自来水均为地表水，其温度与外界环境有直接的关系，这样对维持出水温度有不利影响。由于工况变化很大，同样对机组本身的控制系统也有一定的不利影响；
b温差大，流量小，对热回收装置的回路设计有一定的影响。特别是当热水需求量少的时候（表现为流量减少），热回收装置的效率可能会很低；
c自来水温度太低有可能导致机组无法开启；
d在热回收量大，冷量小且自来水温度又比较低的时候，由于冷媒流量的减少，可能导致冷媒过度冷却而使机组无法运行，要知道，所有机组对冷却水的进水温度是有一定要求的；
e在某些时间段，由于自来水温度比冷却水温度低，冷媒过冷度的提高对机组的性能会有所帮助（可能不要开启冷却塔和冷却水泵）；
很显然，对直供式系统，一个特别设计的控制系统是必要的，否则很可能导致整个系统无法正常运行。
2.2循环式
循环式系统可以用下图4表示，它可以用于生活热水系统，也可以用于供热系统。它的特点是：

a进出水温度变化较小，这样热回收装置和冷凝器盘管各司其责，对机组本身的操作有利；
b温差小，流量大，热回收装置的设计比较容易。
相对而言，循环式系统的控制就简单一些。
3补充加热器的考虑
在设计热水系统的时候，必须要考虑是否要增加补充加热器及其容量的问题。
a 若采用水冷机组，若冬天不供冷或供冷很小，必须要增加补充加热器；
b 若采用风冷机组，夏季使用热回收而冬天使用热泵形式供应热水，如容量和温度能同时满足夏季和冬季的要求，则可以不增加补充加热器，但需要考虑外界温度变化对机组供热能力和温度的影响；也需要考虑冷热水之间的切换问题；另外，对直供式生活热水系统，还需要考虑冬季热泵运行时蒸发器自来水温度很低和流量很小对机组的影响！
在上图3和4中，均设计了补充加热器，若设计不需要，则可以将其省略。如采用电加热，还可以直接放置在循环热水箱中。
4控制系统
由于目前的大多数热回收机组，都是在其标准机组增加一个热回收装置而得出来的，其自身的控制系统没有任何改动，它只会根据冷负荷的变化调节机组的性能，而不对热水出水温度进行控制。因此，在前面的分析中，无论是直供式还是循环式，一个专门的控制系统是必要的。控制的对象是热水流量和温度，控制的范围包括：冷却塔及冷却水泵的起停；热水流量的控制（生活热水）；热水温度的控制；补充加热器的控制（电锅炉，燃煤锅炉或燃气锅炉）；循环式中热水泵的控制等。
在控制系统中，必须考虑到如下因素：
a 对于生活热水系统，流量的变化范围太大（0～100％），而且没有规律，因此对系统各设备之间的连锁控制必须加以考虑；
b同样，由于冷负荷的变化必然导致供热量的变化，因此对补充加热器的起停控制是很关键的；
c对于风冷机组，在不需要供冷的季节，如设计用热泵模式提供热水，还要考虑与冷冻水之间的切换并要考虑蒸发器的最小水流量的问题

5 投资回收
正如前面的分析，在一些夏热冬暖且冬天不用供热的地区如采用风冷热泵型的热回收机组，如果能省略常规的锅炉热水系统，则其经济效益是非常明显的。但如果还需要锅炉热水系统作为补充或者备用，则就存在投资回收的问题。从一些厂家的计算结果看，热回收的效果是很明显的，但经过分析，在计算过程中，有些方面被有意给忽略了。
a由于供热和供冷在大部分的运行时间内是不一致的，甚至是相反的，因此对机组规格的选取必须要做适当的放大以满足实际需要。
b热回收量以最大值考虑
众所周知，即使在最炎热的夏季，机组也不可能100％时间处于最大供冷状态。如果将最大的热回收量作为分析依据，那么很显然是不客观的。即使是在多台机组中有一台加热回收系统，当联合运行的时候，由于负荷的降低而导致回水温度的降低（这里仅简单分析定流量系统，变流量系统的分析结果与定流量是一样的），那么该机组也同样处于部分负荷状态。或许有人考虑将该机组始终运行在满载工况，但实际是不可能的。这是因为，当回水温度降低的时候，要保证该机组处于100％负荷点，根据Q=CM△T，就必须使△T恒定，也就意味要降低机组的出水温度，很显然，这样会导致两种后果，一是机组的效率降低，二是不能保证热水温度。
c没有考虑系统设备和控制的增加费用
如果仅考虑冷水机组的增加费用是很低的，其回收期也相当短。但实际上，当采用热回收的时候，其管路系统，特别是控制系统，也相应变得复杂，其投资不容忽视。
而且，正如前面提到的，在一些系统中，出于安全考虑，即使采用热回收，其补充加热器的规格跟常规是一样的，也就是说，它并不能减少系统其它设备的投资。

6结语
1 热回收是一个比较好的而且比较容易实现的节能方式，但同时对系统的设计，控制和操作有更高的要求；
2 在夏热冬暖地区，夏季采用热回收，冬季采用热泵是一个比较好的模式，可以减小锅炉规格，甚至可以取消，但需要考虑外界环境温度，冷水进水温度和流量对机组性能的影响；
3 在做投资分析的时候应该考虑冷负荷变化对供热的影响。

参考文献
1 日立公司样本
2 靳宏业余热回收在商用空调机组中的应用，应用能源技术，2001，3