热回收技术在风冷热泵中的应用

热回收技术在风冷热泵中的应用
金云林
【摘要】本文通过制冷原理与实际产品相结合,介绍了热回收技术及其在风冷热泵系统中应用的特点,以及热回收技术的工作原理和工作模式,并结合工程案例,分析了热回收技术的经济性.
【期刊名称】《建筑热能通风空调》
【年(卷),期】2019(038)008
【总页数】4页(P72-74,27)
【关键词】部分热回收;全部热回收;风冷热泵;冷凝热
【作者】金云林
【作者单位】克莱门特捷联制冷设备有限公司
【正文语种】中文
常规空调系统在制冷工况下，由冷凝器散发的大量冷凝热未经利用，直接排入大气中，不但造成较大的能源浪费，且这些热量的散发又使周围环境温度升高，阻碍了冷凝器的散热，导致制冷系统冷凝温度上升，制冷量下降，压缩机功耗增加，同时更进一步加剧了环境热污染。

应用热回收技术的空调系统，利用排放的冷凝热来加热生活/生产热水，既减少了热污染，合理利用了能源，又提高了系统性能，一举多得。

1 热回收类型
如图1，压缩机排出的高温高压的制冷剂气体，在冷凝器中的放热过程，依次经过三个阶段：23 过热蒸汽段，3 4 饱和蒸汽和段45 过冷液态段。

23 与45 阶段，
制冷剂气体没有相变而放出的热量，热力学中称之为显热，34 阶段，制冷剂由气
态逐步冷凝至液态，发生相变而放出的热量，称为潜热。

回收23 阶段显热的形式，为部分热回收，回收 25 阶段显热 +潜热的形式，为全部热回收[1]。

图1 制冷剂压-焓图
2 部分热回收
对于部分热回收风冷热泵机组，热回收器安装在压缩机出口与四通换向阀之间，吸收显热，其余的热量由翅片式冷凝器吸收。

为了降低系统的压降，热回收器一般选用压力损失小，而且耐高温的平板式换热器。

回收的热量一般占到总冷凝热的10%左右，出水温度则根据所用冷媒的不同，介于45～60 ℃之间。

图2 为部分热回收风冷热泵机组系统流程图。

制冷时，压缩机排出的制冷剂气体，首先经过部分热回收器，显热被吸收后，进入翅片式冷凝器继续冷凝至过冷液态，再经膨胀阀节流降压后，进入蒸发器气化吸热，最后回到压缩机。

图2 部分热回收风冷热泵机组系统流程图
从流程图中可以看出，带有部分热回收功能的空调系统与普通系统相比，仅仅增加了一个热交换器及相应水泵系统，也无需增加其他电控系统，因此部分热回收系统安装简单，自动化程度高，运行稳定。

缺点就是热回收量相对较少，过度季节不能单独提供热水。

适合安装于以空调为主，热水为辅的中小规模的宾馆、酒店、发廊、餐厅、医院、公共娱乐休闲等场所，对于全年需要热水的情况，可以加装电热水器、燃气热水器、小型锅炉等其他辅助设备，或者考虑使用全部热回收空调机组。

3 全部热回收
全部热回收器通常与空调水侧热交换器并联安装，由于需要吸收系统全部的冷凝热（约为机组制冷量的1.2 倍），因此要求全部热回收器与空调水侧热交换器有着相
近的换热面积及换热效率，对于全部热回收风冷热泵机组，一般存在两个外形相近的热交换器，其中与热力膨胀阀相连的是空调水侧换热器，另一个就是全部热回收器[2]。

夏季运行时，通过控制相应电磁阀的启闭，切换制冷剂在全部热回收器，水侧换热器与空气侧换热器流动顺序，可实现制冷模式、制冷+热回收模式与热回收模式。

冬季运行时，开启空气侧换热器与空调水侧换热器，实现制热模式。

开启空气侧换热器与全部热回收器，实现热回收模式。

制热模式与热回收模式不能同时开启，可通过分时启动控制，先开启热回收模式，待水温达到要求后再开启制热模式。

过渡季节运行时，开启空气侧换热器与全部热回收器，实现热回收模式。

3.1 全部热回收系统流程
图3 为全部热回收风冷热泵机组系统流程图，表1 为机组运行模式与阀门启闭汇总。

图3 全部热回收风冷热泵机组系统流程图
表1 技术控制模式
1）制冷模式。

阀门 1、2、3 关闭，4 开启，空气侧换热器作为冷凝器，空调水
侧换热器作为蒸发器。

此运行模式同普通空调系统一致，仅提供空调用冷水。

2）制冷+热回收模式。

阀门 2、3 关闭，1、4 开启，全部热回收器作为冷凝器，空调水侧换热器作为蒸发器，压缩机排出的制冷剂，先经过全部热回收器冷凝放热，再经热力膨胀阀，节流降压后进入空调水侧换热器气化吸热，最后回到压缩机，完成循环。

此运行模式，在提供空调用冷水的同时，可提供生活/生产热水。

3）热回收模式。

阀门 4 关闭，1、2、3 开启，全部热回收器作为冷凝器，空气侧换热器作为蒸发器，压缩机排出的制冷剂，先经过全部热回收器冷凝放热，再经热力膨胀阀，节流降压后进入空气侧侧换热器气化吸热，最后回到压缩机，完成循环。

此运行模式仅提供生活/生产热水，适用于不开空调的过渡季节。

4）制热模式。

阀门 1、4 关闭，2、3 开启，空调水侧换热器作为冷凝器，空气侧换热器作为蒸发器。

此运行模式同普通空调系统一致，仅提供空调用热水。

冬季时，可以与热回收模式分时启动，以满足空调供热与热水的同时需求。

3.2 全部热回收系统特点
夏季运行制冷 +热回收模式时，可以得到大量的近乎免费的55 ℃左右的热水，系统的综合能效比非常高，可达到7，且不需要用到冷凝风机，大大降低了噪音污染，节能作用相当地明显[3]。

冬季和过度季节运行热回收模式，相当于空气源热泵，能效比可达到 3，效率完全超过锅炉、电（燃气）热水器等传统供热设备，十分节能。

冬季热回收与制热模式分时启动时，系统的热负荷非常大，空气侧换热器很容易结霜，需要良好的除霜控制系统。

4 方案比较
4.1 工程概况
某胸科医院病房楼，设有集中空调系统（夏、冬季运行），和全年性 24 h 生活热水（每天约需 18 m3）供应系统，其空调面积约为 8000 m 2，空调设计冷负荷
约为1024 kW，热负荷约为800 kW。

生活热水需求量：按病房楼热水用量标准（90 L/床），200 床每日使用50 ℃热
水总量为18000 L。

根据冬季最不利情况（自来水温度按5 ℃）计算加热 18 t 生活用水到50 ℃负荷Qd=941.9 kW；夏季自来水温度按20 ℃计算，则夏季热水负荷Qx=627.9 kW。

4.2 方案设备配置
4.2.1 方案一
1）空调冷热源设备[4]。

1 台风冷热泵机组，型号1502，R22 制冷剂，制冷量465.4 kW/耗电功率141.8 kW，制热量504.9 kW/耗电功率129.4 kW。

1 台全
部热回收型风冷热泵机组，型号 2222RY，R134a制冷剂，制冷量557.1 kW/耗
电功率141.7 kW，制热量582.3 kW/耗电功率141.7 kW。

2）生活热水设备。

由全部热回收型风冷热泵机组提供，全部热回收量690.3 kW，耗电功率 141.7 kW，双层保温水箱3 m×3 m×3 m。

3）夏季能源消耗。

空调总功率 283.5 kW，热水总功率0 kW。

4）冬季能源消耗。

空调总功率 271.1 kW，热水总功率141.7 kW。

4.2.2 方案二
1）空调冷热源设备[4]。

2 台风冷热泵机组，型号1522，R22 制冷剂，制冷量515.5 kW/耗电功率155.1 kW，制热量598.8kW/耗电功率153.9 kW。

2）生活热水设备。

4 台热泵热水器，制热量 43 kW，耗电功率 43.52 kW
（10.88 kW×4）。

3 组电辅助加热，耗电功率60 kW（20 kW/组×3 组）。

双
层保温水箱3 m×3 m×3 m。

3）夏季能源消耗。

空调总功率 310.1 kW，热水总功率103.52 kW。

4）冬季能源消耗。

空调总功率 307.8 kW，热水总功率103.52 kW。

4.3 初投资、运行费用、管理维护、优缺点比较
4.3.1 方案一
1）设备初投资。

热泵机组167 万元，双层保温水箱8.6 万元，合计175.6 万元。

2）年运行费用。

年运行费用按空调设计规范采用当量满负荷运行时间法来测算，年供冷的当量满负荷运行时间为1300 h，年供热的当量满负荷运行时间为1050 h。

热水夏季按120 天，冬季按100 天计算。

则夏季空调运行费用为36.86 万元，冬季采暖费用为 28.47万元，冬季热水为 2 万元（夏季热水免费），合计 67.33
万元。

3）方案特点。

采用1 台全部热回收机组制取生活热水（夏季免费获得热水）。

机组采用 R134a 冷媒，可提供55 ℃的生活热水。

4.3.2 方案二
1）设备初投资。

热泵机组 124 万元，热泵热水器28 万元，电辅助加热 0.36 万元，双层保温水箱 8.6 万元，合计161 万元。

2）年运行费用。

年运行费用按空调设计规范采用当量满负荷运行时间法来测算，年供冷的当量满负荷运行时间为1300 h，年供热的当量满负荷运行时间为1050 h。

热水夏季按120 天，冬季按100 天计算。

则夏季空调运行费用为40.34 万元，冬季采暖运行费用为32.32 万元，夏季热水运行费用为 4.6 万元，冬季热水运行
费用为5.7 万元，合计82.96 万元。

3）方案特点。

空调设备和生活热水为两个单独的系统，便于管理。

冬季外界环境温度低于0 ℃时，需采用电辅助加热器对生活热水进行2 次升温。

4.3.3 两方案比较
1）初投资比较：方案一的初投资为175.6 万元，方案二初投资为161 万元，方
案一比方案二多14.6 万。

2）年运行费用比较：方案一的年运行费用为67.33 万元，方案二的年运行费用为82.96 万元，方案一比方案二少了15.63 万/年。

方案一初投资增加的费用，不用
一年时间就可收回投资成本。

5 结论
热回收空调系统进行空气调节的同时可以供给热水，尤其在夏天，效率非常高，优势十分明显，因此强烈建议在宾馆、酒店、医院、游泳馆、体育馆、食品加工厂等对空调和热水同时有大量需求的场所应用热回收技术。

参考文献
【相关文献】
[1]陈沛霖,岳孝方.空调与制冷技术手册[M].上海:同济大学出版社,2006
[2]郑刚.热回收节能在空调系统中的应用[J].能源技术,2005,26(3):124126
[3]荣国华.夏季制冷机冷凝热的回收利用[J].暖通空调,1998,(2):2931
[4]克莱门特风冷热回收热泵机组样本[Z].上海:克莱门特捷联制冷设备有限公司,2018。