循环冷却水系统中的余热利用探讨_杨琦

DO I :10.13789/j .cnki .wwe1964.2009.02.028
循环冷却水系统中的余热利用探讨
杨 琦
(华东建筑设计 研究院有限公司 , 上海 200002)
摘要 明确了循环冷却水系统余热利用的目的 , 介绍了冷却水余热利用的两种主要方法 。对余 热利用的形式进行了比较和分析 , 从综合的角度提出了间接利用方式较直接利用方式更有优势 。
两种方式的比较见表 1 。两种系统控制不尽相 同 , 需要根据应用的需求进行节能预测和合理评价 。
表 1 循环冷却水余热利用方法的比较
余热利用方式
直接式
间接式
主要特点
对冷冻机组 CO P 的影响 节能总量和效率 节能投资 余热利用的温度 辅助加热设备 系统的控制
循环冷却水管路 上增设热交换器
无
从减排总量上看 , 间接式对环境的影响较小 , 但 与热水的供应量有一定的关系 。 直接式利用了部分 热量 , 还有部分热量需要排放到大气中 , 其利用量与 热交换器的设置 数量有关 。 热交换 器设置数 量增 加 , 减排量减少 , 投资增加 。
从投资的角度看 , 间接式的热回收器须选用专用 的高性能换热器 , 需防止处于高压和高温状态的冷冻 剂渗漏 , 热回收冷凝器还必须有较低的阻力 , 不影响 制冷机原有工况 。 间接式是利用冷凝器制冷循环过
循环冷却水系统中余热利用的目的是在满足空 调系统正常运行的情况下 , 充分利用系统的多余热 量 , 起到节能减排的作用 。 节能减排是在保证使用 功能基础上提出的 , 因此 , 系统的余热利用应以满足 空调系统功能为前提 。
循环冷却水的余热利用也是空调水冷冷水机组 中冷凝热回收利用的一种方式 。 在空调系统中 , 通 常水冷冷水机 组冷凝热可达 制冷量 的 1 .15 ～ 1 .3 倍 。大量的冷凝热未加以利用通过冷却塔直接排入 大气 , 不仅造成了巨大的能量浪费而且对环境造成 了热污染 。这部分热量对空调系统本身而言是需要 释放的 , 而建筑在空调状态下还是有系统需要热量 供应的 。因此 , 利用循环冷却水的余热是可行的 。 2 冷却水余热利用的方法
方式不但耗电量大 , 运行成本高 , 而且电热管容易损 坏 ;常规用燃油锅 炉加热的方式 , 由于燃油 的价格 高 , 产生的效能并不高 。 3 .2 余热利用的效率
两种余热利用方式的总量基本是一致的 。间接 式虽然可提供较多的热量 , 但一部分是牺牲冷水机 组的制冷量产生的 。
从利用效率来看 , 由于循环冷却水温度一般在 30 ～ 38 ℃, 属低品位热能 , 故直接式热交换的水温 较低 , 余热利用的效率也较低 , 特别是当热交换的冷 水温度较高的情况更是如此 。直接式不可能提供可 直接使用的热水温度 , 必须辅 助必要的加热 设备 。 要想充分回收余热 , 间接式需要热泵技术 , 余热利用 的效率较高 , 可以提供较高的热水温度 , 也不一定要 增加辅助加热设备 。 3 .3 系统和控制
循环冷却水余热利用的直接式是在保证原有冷 冻机组 COP 的情况下进行的 ;而间接式因提供热水 的温度提高 , 对 COP 有一定的降低 。 但从热水制备 的角度出发 , 间接式(热回收空调技术)在节能方面 的效果还是显著的 , 特别是在夏季制冷时所产生的 热水是完全免费的 。这是因为整个空调系统是以电 能来驱动工作 , 而非电能来制热 。用电直接制热的
图 1 循环冷却水的直接利用方式运行示意
2 .2 间接式 冷却水余热利用的间接方法是从冷凝器中分出
一路制冷剂 , 一部分通过循环冷却水系统冷却 , 一部 分通过热回收器直接与自来 水换热制备生 活热水 (见图 2)。 它需要增加专用的热回收冷凝器(又称 排气热回收的冷水机组), 在冷凝器中增加热回收管 束以及在排气管上增加换热器 。 从压缩机排出的高 温 、高压制冷剂气体优先进入热回收冷凝器中 , 将热 量释放给被预热的水 , 冷凝器的作用是将多余的热 量通过冷却水释放到环境中 , 也称为双冷凝器热回收 技术 。间接式在余热利用中可产生温度较高的热水 , 常称为空调冷凝热免费热水供应系统(HRWH)。
3 张震 , 周光辉 , 王慧 , 等 .我国的空调冷凝热热回收的研究现状 .中 原工学院学报 , 2006 , (4):46 ～ 48, 71
▲通讯处 :200002 上海市四川中路 321 号 17 楼 电话 :(021)63217420 E-mail:qi yang @ecadi .co m 收稿日期 :2008-03-28
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程产生的热量 , 不可能像蒸汽加热器或热水炉那样短 时间内提供大量热水 , 只能小流量连续制备热水 。 其 系统宜配备一定容量的热水箱 , 可取 1 h 的最大用水 量 。而直接式是根据需要利用的余热量考虑设置板 式热交换器的 , 因此 ,间接式的投资要较直接式的大 。
Hale Waihona Puke 4 .2 应注意的问题直接式利用热量的多少需要由热交换器数量来
确定 , 余热利用量增加 , 设备的初期投资相应增加 。
由于直接利用方式提供的热水温度较低 , 因此需要
保留原有的部分加热设备 。
间接式利用方式主要存在两个问题 :一是空调
系统运行时段与热水使用时段的时间差问题 ;二是
生活热水的用量与冷凝热量之间也存在着不同步问
(3)间接式在节能的同时可提供相对独立的热 水系统 , 其利用热水温度可提高到 37 ～ 42 ℃。其缺 点是几种不同负荷的热品位和不同运行时间的同步 性需要综合平衡 , 特别是它对冷冻机组的 COP 值将 有一定的降低 ;设备的投资增加 , 经济性相对较差 。 该运行方式适用于有较大空调负荷 , 且能解决空调 负荷与热水负荷在高峰时间不一致问题的场所 。
从冷却水利用的角度出发 , 其利用的方法主要 可分为直接式和间接式两种 。从空调冷凝热的回收 角度出发 , 有冷却水热回收与排气热回收两种方式 。 余热利用的热量可用于制备生活热水 。 2 .1 直接式
冷却水余热利用的直接方法是在循环冷却水系
统中增 设热交 换器将 冷却水 的热 量交换 出来(见 图 1)。直接式从冷却水出水中回收了部分热量 , 其 利用的热水出水温度小于冷却水的出水温度 , 但冷 水机组的制冷量与 COP 基本不变 , 换热效率较低 。 对冷凝热回收而言 , 利用的是空调冷凝器侧排出的 37 ℃高温水 , 来加热制备生活热水 , 属于间接利用 冷凝器的热量 。
对冷凝热回收而言 , 这种方法属于直接利用热 量 , 又可分为两种 , 一种是只利用压缩机出口蒸汽显
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图 2 循环冷却水的间接利用方式运行示意
热 , 蒸汽显热一般占全部冷凝热的 15 %左右[ 1] , 按 照显热量和热水需求量计算出热回收器的数量 , 其 他的冷凝热由冷却水带走 ;另一种是利用全部的冷 凝热 。 利用蒸汽显热方式的热回收器 , 其压降比较 小 、压力较稳定 , 对制冷影响较小 。值得注意的是热 水的出水温度越高 , 冷水机组的效率就越低 , 制冷量 也会相应减少 。 3 形式比较 3 .1 评定标准的确定
较高 较低 低 需要 简单
冷水机 组中冷凝 器 后增设热回收冷凝器
有
高 高 高 可不需要 复杂
4 系统的设计
4 .1 余热利用的计算
循环冷却水的最大余热利用量可按式(1)确定 。
Qr =QcC(t1 -t2 )ρr /3 600
(1)
式中 Qr ———循环冷却水的余热利用量 , W ;
Qc ———循环冷却流量 , m 3/ h ;
C———水的平均比热 , C =4 187 J/ (kg · ℃);
t1 ———热交换器中冷却水的进水温度 , ℃;
t2 ———热交换器中冷却水的出水温度 , ℃;
ρr ———热水密度 , kg/ m3 。
实际利用的余热量需要考虑一个折减系数 。 直
接式余热利用的热量还与实际交换的循环冷却水量
和利用温差有紧密的关系 。
题 。因此该方式需要设置储热装置 , 用以调节空调
满负荷时产生的热水来补充空调低负荷时产水量的
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不足 。 国内已开展对该系统运行的计算机动态模拟 研究 , 以优化整机的匹配关系 。 循环冷却水余热回 收的目的是从节能和环保的角度考虑回收余热 , 而 不能本末倒置为了获取热量 去随意改变空 调的工 况 。对于仅夏季运行空调系统的冷冻机组 , 在间接 式热回收系统中设置辅助热源也是必要的 。 5 小结
在空调系统中 , 能效比(EER)是指在额定工况 和规定条件下 , 空调器进行制冷运行时 , 制冷量与有 效输入功率之比 。 这是一个综合性指标 , 反映了单 位输入功率在空调运行过程中转换成的制冷量 。 空 调能效比越大 , 在制冷量相等时节省的电能就越多 。 性能系数(COP)是指制热量或制 冷量与输入功 率 (W)的比值 。COP 值越大说明系统的效率越高 , 越 节能。 此外, 也可采用综合计 算负荷性能系 数 ICLV 为依据来评价冷水机组能效等级 。 从系统节 能的角度出发 , EER 与 COP 是衡量空调系统节 能 的重要指标 。 循环冷却水的余热利用仅是空调系统 中的一部分 , 余热的利用应以满足空调系统的功能 为前提 , 因此 , 余热的利用不应很大程度地降低这两 个指标 。
参考文献
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直接式的系统较简单 , 控制方便 、稳定 , 因为其 出发点是尽量利用余 热 , 辅助 需要其他加热 设备 。 而间接式在系统中需要增加专用的冷凝器 , 其出发 点已不仅是余热的利用 , 系统还承担免费热水供应 。 因此 , 间接式在控制上较复杂 , 系统需要调节供冷和 热水利用之间的平衡 。