空调系统热回收技术

一、前言

随着我国空调普及率的逐年提高，其能耗不断增加，建筑能耗在总能耗中所占比重越来越大。在一些欧美国家，建筑能耗中的采暖、通风和空调的耗能占全国总能耗的30％；在我国也达到20％左右，而且在迅速增加。高级民用建筑的中央空调耗能占建筑总耗能的30％～60％。能源的高消耗对我国发展造成了很大的压力，根据发改委能源组提供的材料，从1980年到1985年我们国家GDP的年增长率是10.7%，能源消费的增长率是10.9%，1986—1990年GDP年增长是7.9%，能源消费的增长率9.2%。1991—1995年GDP的年增长率是12%，能源消费的增长率是5.9%。1995—2000 年，GDP开始时8.3%，后来调整为8.6%，能源消费增长率是0.6%。2001—2005年GDP年增长率是9.47%，能源的消费增长是9.93%。其中2003年GDP的增长率是10%，能源是15.3%，2004年GDP是10.1%，能源增长率是16.1%。从这个数字可以看出，我们国家从1980—2005年GDP的增长一直在7.8—12%之前，基本上是这个范围内波动，而能源消耗的波动很大，特别是2003、2004年，能源的消费增长远远高于GDP的增长。和发展国家相比我国每平方米的能耗是他们的3倍，这说明在能源的高消费上必须要引起全社会的重视。目前中国每年竣工建筑面积约为20亿m2，其中公共建筑约有4亿m2。在公共建筑（特别是大型商场、高档旅馆酒店、高档办公楼等）的全年能耗中，大约50%～60%消耗于空调制冷与采暖系统，20%～30%用于照明。而在空调采暖这部分能耗中，大约20%～50%由外围护结构传热所消耗（夏热冬暖地区大约20%，夏热冬冷地区大约35%，寒冷地区大约40%，严寒地区大约50%）。从目前情况分析，这些建筑在围护结构、采暖空调系统，以及照明方面，共有节约能源50%的潜力。采暖空调节能潜力最大，在暖通空调设计方面加以控制就能够有效的节能能源。而新风带来的潜热负荷可以占到空调总负荷的20％－40％，开发节能的新风系统是建筑节能领域的一项重大课题。因此降低空调系统的能耗对降低建筑物耗能、节约能源有重要意义。本文主要对空调系统的热回收技术原理进行分析介绍。

二、空调冷水机组余热回收

中央空调的冷水机组在夏天制冷时，一般机组的排热是通过冷却塔将热量排出。在夏天，利用热回收技术，将该排出的低品位热量有效地利用起来，结合蓄能技术，为用户提供生活热水，达到节约能源的目的。目前，酒店、医院、办公大楼的主要能耗是中央空调系统的耗电及热水锅炉的耗油消耗。利用中央空调的余热回收装置全部或部分取代锅炉供应热水，将会使中央空调系统能源得到全面的综合利用，从而使用户的能耗大幅下降。通常，该热回收一般有部分热回收和全部热回收。

1、部分热回收

部分热回收将中央空调在冷凝（水冷或风冷）时排放到大气中的热量，采用一套高效的热交换装置对热量进行回收，制成热水供需要使用热水的地方使用，如图1所示。由于回收的热量较大，它可以完全替代燃油燃气锅炉生产热水，节省大量的燃油燃气。同时，减轻了制冷主机（压缩机）的冷凝负荷，可使主机耗电降低10~20%。此外冷却水泵的负荷大大地减轻，冷却水泵的节电效果将会大幅度提高，其节能率可提高到50~70%。

图 1 中央空调机组部分热回收系统原理

2、全部热回收

全部热回收主要是将冷却水的排热全部利用，如图2所示。但一般冷水机组的冷却水设计温度为出水37℃、回水32℃，属低品位热源，采用一般的热交换不能充分回收这部分热能，所以在设计时要考虑提高冷凝压力，或将冷却水与高温源热泵或其他辅助热源结合，充分回收这部分热量，系统简单可靠。

图 2 中央空调机组全部热回收系统原理

三、排风和空气处理能量回收

在建筑物的空调负荷中，新风负荷所占比例比较大，一般占空调总负荷的20％～30％。为保证室内环境卫生，空调运行时要排走室内部分空气，必然会带走部分能量，而同时又要投入能量对新风进行处理。如果在系统中安装能量回收装置，用排风中的能量来处理新风，就可减少处理新风所需的能量，降低机组

负荷，提高空调系统的经济性。目前热回收设备主要有两类：间接式，如热泵等；直接式，它利用热回收换热器回收能量。下面对能量的直接回收技术原理简单描述。

排风能量回收原理

对于全空气中央空调系统，一般新风比15%或以上，其全空气系统＋排风能量回收方案如图3所示。图中的热交换器是能量回收设备。通常，空气能量回收设备有两类：一类是显热回收型，一类是全热回收型。显热回收的能量体现在新风和排风的温差上所含的能量；全热回收体现在新风和排风的焓差上所含的能量。

图 3 中央空调系统排风能量回收系统原理

2、空气处理过程中的能量回收

中央空调系统空气处理过程中的能量具有很高的回收潜力。以一次回风中央空调系统为例，采用热管热交换器的空调器能量回收系统如图3所示。在该热回收装置中，热管中的蒸发器部分和冷凝器部分分别用于冷却回风和加热送风。室内空气状态4下的回风经过热管中的蒸发器部分被冷却到状态6。状态6下的回风部分作为排风，而大部分回风与室外新风混合，混合后在状态1的空气经表冷器冷却去湿到饱和状态2，饱和状态2下的湿空气经热毛细动力循环热管中的冷凝器部分加热到要求的送风状态3送入室内。与传统一次回风空调器系统相比，空调系统制冷量由热管中的蒸发器部分的交换冷量和表冷器部分的冷量组成。从而有效地节省了空调能耗。

图 4 中央空调系统空气处理中能量回收系统原理

3、能量回收用换热器简介

空调排风或空气处理中地能量回收地关键设备是能量回收换热器。该装置有多种，常用的回收装置有：

金属壁换热器、热管换热器、转轮式换热器、静止型板翅式换热器等。其中金属壁换热器和热管换热器只能回收显热，转轮式换热器、静止型板翅式换热器不仅能回收显热，还能回收潜热，因此效率较高。但转轮式换热器存在新风和排风混合的问题。而静止型板翅式换热器没有运动部件，可靠性高，混风率低。

板翅式热交换器: 具有换热系数高，结构紧凑，经济性好等优点，是广泛使用的换热器之一。近年来已用于回收空调排风中的能量，具有良好的效果。一般热交换器的效率可达70％左右。是一种空气与空气直接换热式的换热器，它没有转动部件，因此也被称作固定式换热器，是一种比较理想的能量回收设备。静止型板翅式换热器采用多孔纤维材料为基材，对表面进行特殊处理后制成单元体；单元体的波纹板交叉叠积，并用胶使其峰谷与隔板粘结而成，两股气流呈交叉形流过换热器。显热换热器的隔板是非透过性的、具有良好导热特性的材料，一般多为铝质材料；全热换热器是一种透过型的空气----空气热交换器，隔板是由经过处理的、具有较好传热透湿特性的材料构成。显热的换热机制是介质两侧流过不同温度的空气时，热量通过传导的方式进行换热。全热换热器中潜热的换热通过下述两种机制进行。一是通过介质两侧水蒸气分压差进行湿度交换；二是高湿侧的水蒸气被吸湿剂吸收,通过纸纤维的毛细管作用向低湿侧释放。当隔板两侧存在温差和水蒸气分压力差时，两者就产生传热和传质进程，从而来进行显热和全热的换热。

在板翅式换热器中，波状翅片既起辅助传热的作用，又起支撑和导流作用。根据翅片所形成的流道和气流方向的不同，板翅式换热器可分为叉流式、逆流式和顺流式。

转轮式换热器：是一种蓄热能量回收设备。分为显热回收和全热回收两种。显热回收转轮的材质一般为铝箔，全热回收转轮材质为具有吸湿表面的铝箔材料或其他蓄热吸湿材料。转轮作为蓄热芯体，新风通过转轮的一个半圆，而同时排风通过转轮的另一半圆，新风和排风以相反的方向交替流过转轮。新风和排风间存在着温度差和湿度差，转轮不断地在高温高湿侧吸收热量和水分，并在低温低湿侧释放，来完成全热交换。转轮在电动机的驱动下以10r/min的速度旋转，排风从热交换器的上侧通过转轮排到室外。在这个过程中，排风中的大多数的全热保存在转轮中，而脏空气却被排出。而室外的空气从转轮的下半部分进入，通过转轮，室外的空气吸收转轮保存的能量，然后供应给室内。当转轮低于4r/min的速度旋转时，效率明显下降。转轮换热器的特点是设备结构紧凑、占地面积小，节省空间、热回收效率高、单个转轮的迎风面积大，阻力小。适合于风量较大的空调系统中。

热管换热器：热管由于其具有很高的传热系数，因而近年热管用于空调热回收系统中的研究得到很大的发展。热管由于热传递速度快、传递温降小、结构简单和易控制等特点，因而将被广泛用于空调系统的热回收和热控制。

四、结论

中央空调热回收系统能充分利用空调系统的余热和废热，将空调系统中产生的低品位热量有效地利用起来，达到了建筑节能的目的。本文对中央空调余热回收、排风和空气处理中能量回收地技术原理进行了分析介绍。

主要参考文献：

（1）《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005。

（2）陆耀庆等，《实用供暖空调设计手册》，中国建筑工业出版社，1995。

（3）陈沛霖等，《空调与制冷技术手册》，机械工业出版社，1995

（4）陈振乾, 施明恒.热管热回收空调系统的研究. 建筑热能通风空调, 19卷4期，9-11页，2000.