80 给水排水 Vol .35 N o .2 2009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。
关键词 循环冷却水系统 余热利用 间接利用 直接利用 冷凝热回收 节能 建筑节能是现代建筑设计的要求,循环冷却水系统中的余热利用有利于达到节能减排的目的。
统计数据表明,我国建筑能耗的总量逐年上升,在能源消费总量中所占比例已从20世纪70年代末的10%上升到近年的27.8%。
建筑最大的耗能是采暖和空调,据统计我国在采暖和空调上的能耗约占建筑总能耗的55%,而宾馆中循环冷却水系统的能耗约占空调系统总能耗的10%。
因此,探讨循环冷却水系统中的余热利用有重要的现实意义。
1 目的和可行性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。
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 )。
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DOI :10.13789/j .cn ki .w we1964.2009.02.028给水排水 Vol .35 N o .2 200981 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。
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。
为了提高水冷冷水机组的热回收量和热水水温,对于排气热回收的冷水机组,推荐采用热水回水温度控制方案。
提高余热利用水温的途径还有利用相变材料回收空调冷凝热热回收形式和热回收用蓄热器形式。
热回收用蓄热器可代替双冷凝器热回收技术中的压缩机出口的冷凝器,与常规风冷冷凝器(或冷却塔)采用串联连接,利用冷却塔排除热回收系统不能储存的剩余热量。
3.4 减排与投资从减排总量上看,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82 给水排水 Vol .35 N o .2 2009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1h 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。
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 循环冷却水管路上增设热交换器 冷水机组中冷凝器后增设热回收冷凝器 对冷冻机组COP 的影响无有节能总量和效率较高高节能投资较低高余热利用的温度低高辅助加热设备需要可不需要系统的控制简单复杂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。
Q r =Q c C (t 1-t 2)ρr /3600(1)式中Q r ———循环冷却水的余热利用量,W ;Q c ———循环冷却流量,m 3/h ;C ———水的平均比热,C =4187J /(kg ·℃);t 1———热交换器中冷却水的进水温度,℃;t 2———热交换器中冷却水的出水温度,℃;ρr ———热水密度,kg /m 3。
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。
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(1)循环冷却水余热利用可分为直接式和间接式。
循环冷却水的余热利用具有重要工程实用价值,可以达到节能减排的目的。
(2)直接式在充分满足冷冻机组冷却效果功能的前提下采取了有效的节能措施,空调季节利用的节能效果好,余热的利用较充分,系统较经济。
其缺点是余热利用的出水温度不够高,热水利用系统不能独立运行。
该方式适用于空调季节较长,且热水负荷相对于空调负荷很小的场所。
(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。
(4)循环冷却水余热利用的实际节能效果和经济效益还与气象条件、建筑特点及使用功能等因素有很大关系,特别是气候的影响最为关键,并不一定是所有的热回收系统在实际工程中都能实现良好的节能效果和经济效益[2,3]。
同时,任何节能措施不能以牺牲系统功能、安全和服务质量为代价。
参考文献1 郑晓娟,魏玉林,王永翔,等.螺杆式冷水(热泵)机组废热回收开发应用.制冷,2005,24(1):81～832 孙慧琳.浅谈我国的空调冷凝热热回收.http ://w w w .863p .com /warmer /H otKtzl /200611/17268.h tm l3 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。