冷水機組熱回收應用探討

隨著社會節能和意識的日益增強，一些原先被冷落的技術逐漸受到廠家和業主的青睞。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其技術優勢，但同時也對熱水系統設計和運行提出了相應的要求，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），使得該技術在實際應用中受到一定的制約，特別在冬天使用時，一些地區，由于室外溫度的限制，并不能大規模減小常規燃煤燃氣熱水鍋爐或電鍋爐的規格，因此其發揮效益的時間一般在于夏季供冷的周期內。而且由于冷水機組冷負荷的變化，導致其熱回收量也發生變化，這就導致應用此技術的實際回收期比理論的要長！
      雖然熱回收技術不是一個新的技術，但目前系統設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確，本文將從熱水溫度和回收量，系統設計，系統及回收期等四個方面進行探討。
一、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、冷凝器類型和蒸發器類型有關。
   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。
      高溫的冷媒蒸汽在冷凝器中一般要經歷三個階段[2]，如下圖1所示。如果回收過熱段部分的能量，此時蒸汽不發生相變，因此回收的為蒸汽的顯熱，此熱量大約為總排熱量的12～15％[1]。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，對于風冷機組，出水溫度為60℃左右；對于水冷機組，出水溫度在50℃左右。這是因為風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，如果其冷凝器與標準機組一致，由于一部分的熱量被熱水帶走，相應地冷凝器承擔的熱量就減少，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生；
d. 與常規機組相比，成本增加很少。
      如果將過熱度和凝結段的熱量進行回收，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65℃[3][4]；
c. 對冷水機組的性能（COP）影響很大，但一些國內廠家的熱回收機組的COP與其相對應的標準機組的COP完全一致，這就有點匪夷所思了；
d. 與常規機組相比，成本增加較大。
 
   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，對于標準水冷機組，冷卻水進出溫度為32/37℃時，冷凝溫度約為40℃左右，過熱度為21℃左右（R-22），11℃左右（R-134a）（即排氣溫度分別為61℃和51℃左右）。而對于標準風冷機組，當進風溫度為35℃時，冷凝溫度約為46℃左右，過熱度為30℃左右（R-22）（即排氣溫度約為76℃左右）。這就是風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60℃的熱水是比較困難的，除非大幅提高冷凝溫度！
   1.3 蒸發器類型
      雖然粗看上去，熱回收與蒸發器似乎沒有什么關系，但實際上有很大的關系。
目前商用冷水機組一般采用殼管式蒸發器，它又分為兩種，一種是滿液式，冷媒在管外蒸發而載冷劑在管內流動；另外一種是直接蒸發式，也叫干式，冷媒在管內蒸發而載冷劑在管外流動。
      滿液式蒸發器中，冷媒流量在一定的水平以保證銅管不露出液面，因此蒸發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。而對于干式蒸發器，冷媒流量是通過過熱度來調節的，因此吸氣溫度與蒸發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，當蒸發溫度相同時，對于壓縮機而言，干式蒸發器的吸氣溫度顯然比滿液式蒸發器來得高，也就是說，假如用相同的壓縮機，輸入同樣的功率，采用干式蒸發器的機組的排氣溫度可以比滿液式蒸發器為高。
 
      在目前的市場上，美國品牌的機組，出于提高蒸發溫度（提高機組COP）的需要，在大冷量機組上一般采用滿液式蒸發器。而日本品牌和國內的品牌，一般采用干式蒸發器。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。
二、系統設計
      熱回收系統可以是直供式，也可以是循環式。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的入口，加熱后要么直接供應給房間，或者再經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。
 
它具有如下特點：
a. 進水溫度是變化的，因為現在的自來水均為地表水，其溫度與外界環境有直接的關系，這樣對維持出水溫度有不利影響。由于工況變化很大，同樣對機組本身的系統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計有一定的影響。特別是當熱水需求量少的時候（表現為流量減少），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，由于冷媒流量的減少，可能導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，一個特別設計的系統是必要的，否則很可能導致整個系統無法正常運行。
   2.2 循環式
      循環式系統可以用下圖4表示，它可以用于生活熱水系統，也可以用于供熱系統。它的特點是：
 
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，對機組本身的操作有利；
b. 溫差小，流量大，熱回收銅管的回路設計比較容易。
相對而言，循環式系統的就簡單一些。
三、補充加熱器的考慮
      在設計熱水系統的時候，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. 若采用風冷機組，夏季使用熱回收而冬天使用熱泵形式供應熱水，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，還需要考慮冬季熱泵運行時蒸發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，均設計了補充加熱器，若設計不需要，則可以將其省略。如采用電加熱，還可以直接放置在循環熱水箱中。
四、系統
      由于目前的大多數熱回收機組，都是在其標準機組增加一個熱回收裝置而得出來的，其自身的系統沒有任何改動，它只會根據冷負荷的變化調節機組的性能，而不對熱水出水溫度進行。因此，在前面的分析中，無論是直供式還是循環式，一個專門的系統是必要的。對象是熱水流量和溫度，范圍包括：冷卻塔及冷卻水泵的起停；熱水流量（生活熱水）；熱水溫度；補充加熱器（電鍋爐，燃煤鍋爐或燃氣鍋爐）；循環式中熱水泵等。
  在系統中，必須考慮到如下因素：
a. 對于生活熱水系統，流量的變化范圍太大（0～100％），而且沒有規律，因此對系統各設備之間的連鎖必須加以考慮；
b. 同樣，由于冷負荷的變化必然導致供熱量的變化，因此對補充加熱器的起停是很關鍵的；
c. 對于風冷機組，在不需要供冷的季節，如設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器的水流量的問題
 
五、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如采用風冷熱泵型的熱回收機組，如果能省略常規的鍋爐熱水系統，則其經濟效益是非常明顯的。但如果還需要鍋爐熱水系統作為補充或者備用，則就存在回收的問題。從一些廠家的計算結果看，熱回收的效果是很明顯的，但經過分析，在計算過程中，有些方面被有意給忽略了。
a. 由于供熱和供冷在大部分的運行時間內是不一致的，甚至是相反的，因此對機組規格的選取必須要做適當的放大以滿足實際需要。
b. 熱回收量考慮
      眾所周知，即使在炎熱的夏季，機組也不可能100％時間處于供冷狀態。如果將熱回收量作為分析依據，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，當聯合運行的時候，由于負荷的降低而導致回水溫度的降低（這里分析定流量系統，變流量系統的分析結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。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，當回水溫度降低的時候，要保證該機組處于100％負荷點，根據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. 沒有考慮系統設備和增加費用
      如果考慮冷水機組的增加費用是很低的，其回收期也相當短。但實際上，當采用熱回收的時候，其管路系統，特別是系統，也相應變得復雜，其不容忽視。
而且，正如前面提到的，在一些系統中，即使采用熱回收，其補充加熱器的規格跟常規是一樣的。

六、結語
      1. 熱回收是一個比較好的而且比較容易實現的節能方式，但同時對系統的設計和操作有更高的要求；
   2. 在夏熱冬暖地區，夏季采用熱回收，冬季采用熱泵是一個比較好的模式，可以減小鍋爐規格，甚至可以取消，但需要考慮外界環境溫度，冷水進水溫度和流量對機組性能的影響；
3 在做分析的時候應該考慮冷負荷變化對供熱的影響。

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