空调的冷凝热热回收技术
摘要： 介绍了近年来我国空调冷凝热热回收的研究现状，就空调冷凝热热回收的可行性，回收分类，回收的形式，应用中存在的问题等方面进行了综述，提出了今后空调冷凝热热回收的研究发展方向。
关键词： 冷凝热 热回收
1 前言
能源是人类赖以生存的五大要素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物资。经济的快速发展必须以能源特别是电力的保障供应作为基础。我国能源结构中原煤所占比例较大，达 75%，我国燃煤消费量占世界煤炭消费总量的 27%，是全世界唯一的以煤炭为主的能源消费大国，大量使用燃煤并缺乏有效治理造成了严重的环境污染。能源利用率较低，我国能源利用率目前仍比先进工业国家要低 10 多个百分点，单位国民生产总值能耗比先进国家高 6～10 倍，生产单位产品的能耗比国外高出 50%～100%[1]。能源的结构和低效率使用不仅影响到我国的经济建设和发展,也影响到我们赖以生存的周边环境。暖通空调工程作为主要用能技术之一，必须立足于能源的合理利用和有效的节能措施。
2 空调冷凝热热回收的可行性
常规空调系统主要由制冷剂循环、冷却水循环、冷冻水循环和空气循环组成。
在制冷剂循环中，气态的制冷剂在压缩机内被压缩，温度升高、压力增大；通过排气管，高压的气态制冷剂进入冷凝器中被冷却水冷却，变成高压液体；通过节流阀，压力降低，高压制冷剂变成低压含少量气体的气液混合物；其后制冷剂在蒸发器内定压（低压）下吸收大量蒸发器里冷冻水的热量，蒸发变成低压的气态制冷剂；气态制冷剂通过吸气管路再回到压缩机内。
在冷却水循环中，冷却水在冷凝器中吸收了制冷剂的热量后，由泵送到冷却塔的上部喷下，与逆流（上升）的空气进行热湿交换，冷却水温度降低。冷却水再泵送到冷凝器与制冷剂进行热交换，温度升高，如此循环。 空调房间的冷负荷（即热量）通过蒸发器进入制冷剂循环，变成冷凝排热的一部分，再通过冷却水循环排到大气中去[2]。因此，对于常规空调制冷机，其主要作用是空气调节，空调系统的冷凝热直接排放到大气中未加以利用。制冷机组在空调工况下运行时向大气环境排放大量的冷凝热，通常冷凝热可达制冷量的 1.15～1.3 倍[3]。大量的冷凝热直接排入大气，白白散失掉，造成较大的能源浪费，这些热量的散发又使周围环境温度升高，造成严重的环境热污染。若将制冷机放出的冷凝热予以回收用来加热生活热水和生产工艺热水，不但可以减少冷凝热对环境造成的污染，而且还是一种变废为宝的节能方法。近年来，对空调系统冷凝排热热回收的研究也越来越多。
3 我国空调冷凝热热回收现状
随着我国国民经济的发展和人们生活水平的提高，我国空调的普及率迅猛增长；同时，由于人们生活习惯的改变和对清洁卫生要求的提高，住宅建筑越来越重视卫生生活热水的供应。而目前国内家庭日常生活中所需要的热水供应大部分是通过专门的热水加热器来提供。这进一步加剧了世界范围内的能源紧缺和环境污染问题，引起了各个国家的高度重视。因此，近年来我国对空调系统冷凝排热热回收制备生活热水等的研究越来越多。
3.1 冷凝热热回收的分类
冷凝热利用方式主要可分为直接式和间接式。直接式是指制冷剂从压缩机出来后进入热回收器直接与自来水换热制备生活热水。间接式是指利用常规空调的冷凝器侧排出的高温空气或37度的水来加热制备生活热水。间接式由于要增加的设备比较多，换热效率比较低，所以该技术不易推广。
直接式又可以分为两类，一种是只利用压缩机出口蒸汽显热，蒸汽显热一般占全部冷凝热的15﹪左右[4][5]，按照热水的需求量和显热量计算得出热回收器的片数，其它的冷凝热在冷凝器中被冷却水带走；另一种是利用全部的冷凝热。这两种比较由于前者只利用蒸汽显热，热回收器的压降比较小，使得冷凝器中压力比较稳定对制冷影响比较小。
3.2 冷凝热热回收的形式
我国近年来研究应用的冷凝热热回收形式主要有以下几种：
3.2.1 双冷凝器热回收技术
荣国华[6]提出：夏季利用制冷机冷凝器加热自来水可以提供热水，降低能耗。要利用制冷机加热自来水，应采用具有水冷冷凝器的制冷机。用自来水做冷却水时，其水量应与建筑的冷负荷及制冷机的冷却水量相匹配，保证制冷机安全正常运行。但是各类建筑的冷负荷与冷却水量的变化规律与其自来水用水量的变化规律不尽相同，要做到最佳匹配比较困难。
为解决这个问题，孙志高、李舒宏[7]在空调系统能量回收节能分析中设想采用蓄热装置调配冷凝热、冷却水量、热水用量的不平衡。
吴献忠等[8]针对蒸汽压缩制冷装置的特点，提出了直接将满足热水用量的自来水送入热回收换热器，利用压缩机的排气显热和部分冷凝潜热对其进行加热，高温热水储存在储水箱内以供使用。
龚七彩，常世钧等人[9]结合前面的研究基础上又从火用的角度分析了冷凝热热回收并提出了双冷凝器热回收技术（如图1），在压缩机和冷凝器之间加一个热回收器（冷凝器）回收冷凝热,从这个外加的热交换器出来的制冷剂的状态是汽一液混合物或气态,由后面的冷凝器吸收其余热量。该
关键词： 冷凝热 热回收
1 前言
能源是人类赖以生存的五大要素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物资。经济的快速发展必须以能源特别是电力的保障供应作为基础。我国能源结构中原煤所占比例较大，达 75%，我国燃煤消费量占世界煤炭消费总量的 27%，是全世界唯一的以煤炭为主的能源消费大国，大量使用燃煤并缺乏有效治理造成了严重的环境污染。能源利用率较低，我国能源利用率目前仍比先进工业国家要低 10 多个百分点，单位国民生产总值能耗比先进国家高 6～10 倍，生产单位产品的能耗比国外高出 50%～100%[1]。能源的结构和低效率使用不仅影响到我国的经济建设和发展,也影响到我们赖以生存的周边环境。暖通空调工程作为主要用能技术之一，必须立足于能源的合理利用和有效的节能措施。
2 空调冷凝热热回收的可行性
常规空调系统主要由制冷剂循环、冷却水循环、冷冻水循环和空气循环组成。
在制冷剂循环中，气态的制冷剂在压缩机内被压缩，温度升高、压力增大；通过排气管，高压的气态制冷剂进入冷凝器中被冷却水冷却，变成高压液体；通过节流阀，压力降低，高压制冷剂变成低压含少量气体的气液混合物；其后制冷剂在蒸发器内定压（低压）下吸收大量蒸发器里冷冻水的热量，蒸发变成低压的气态制冷剂；气态制冷剂通过吸气管路再回到压缩机内。
在冷却水循环中，冷却水在冷凝器中吸收了制冷剂的热量后，由泵送到冷却塔的上部喷下，与逆流（上升）的空气进行热湿交换，冷却水温度降低。冷却水再泵送到冷凝器与制冷剂进行热交换，温度升高，如此循环。 空调房间的冷负荷（即热量）通过蒸发器进入制冷剂循环，变成冷凝排热的一部分，再通过冷却水循环排到大气中去[2]。因此，对于常规空调制冷机，其主要作用是空气调节，空调系统的冷凝热直接排放到大气中未加以利用。制冷机组在空调工况下运行时向大气环境排放大量的冷凝热，通常冷凝热可达制冷量的 1.15～1.3 倍[3]。大量的冷凝热直接排入大气，白白散失掉，造成较大的能源浪费，这些热量的散发又使周围环境温度升高，造成严重的环境热污染。若将制冷机放出的冷凝热予以回收用来加热生活热水和生产工艺热水，不但可以减少冷凝热对环境造成的污染，而且还是一种变废为宝的节能方法。近年来，对空调系统冷凝排热热回收的研究也越来越多。
3 我国空调冷凝热热回收现状
随着我国国民经济的发展和人们生活水平的提高，我国空调的普及率迅猛增长；同时，由于人们生活习惯的改变和对清洁卫生要求的提高，住宅建筑越来越重视卫生生活热水的供应。而目前国内家庭日常生活中所需要的热水供应大部分是通过专门的热水加热器来提供。这进一步加剧了世界范围内的能源紧缺和环境污染问题，引起了各个国家的高度重视。因此，近年来我国对空调系统冷凝排热热回收制备生活热水等的研究越来越多。
3.1 冷凝热热回收的分类
冷凝热利用方式主要可分为直接式和间接式。直接式是指制冷剂从压缩机出来后进入热回收器直接与自来水换热制备生活热水。间接式是指利用常规空调的冷凝器侧排出的高温空气或37度的水来加热制备生活热水。间接式由于要增加的设备比较多，换热效率比较低，所以该技术不易推广。
直接式又可以分为两类，一种是只利用压缩机出口蒸汽显热，蒸汽显热一般占全部冷凝热的15﹪左右[4][5]，按照热水的需求量和显热量计算得出热回收器的片数，其它的冷凝热在冷凝器中被冷却水带走；另一种是利用全部的冷凝热。这两种比较由于前者只利用蒸汽显热，热回收器的压降比较小，使得冷凝器中压力比较稳定对制冷影响比较小。
3.2 冷凝热热回收的形式
我国近年来研究应用的冷凝热热回收形式主要有以下几种：
3.2.1 双冷凝器热回收技术
荣国华[6]提出：夏季利用制冷机冷凝器加热自来水可以提供热水，降低能耗。要利用制冷机加热自来水，应采用具有水冷冷凝器的制冷机。用自来水做冷却水时，其水量应与建筑的冷负荷及制冷机的冷却水量相匹配，保证制冷机安全正常运行。但是各类建筑的冷负荷与冷却水量的变化规律与其自来水用水量的变化规律不尽相同，要做到最佳匹配比较困难。
为解决这个问题，孙志高、李舒宏[7]在空调系统能量回收节能分析中设想采用蓄热装置调配冷凝热、冷却水量、热水用量的不平衡。
吴献忠等[8]针对蒸汽压缩制冷装置的特点，提出了直接将满足热水用量的自来水送入热回收换热器，利用压缩机的排气显热和部分冷凝潜热对其进行加热，高温热水储存在储水箱内以供使用。
龚七彩，常世钧等人[9]结合前面的研究基础上又从火用的角度分析了冷凝热热回收并提出了双冷凝器热回收技术（如图1），在压缩机和冷凝器之间加一个热回收器（冷凝器）回收冷凝热,从这个外加的热交换器出来的制冷剂的状态是汽一液混合物或气态,由后面的冷凝器吸收其余热量。该
技术可以根据要求直接回收制冷机组的蒸汽显热或是显热加部分潜热来一次性加热或循环加热到水的指定温度。该形式主要应用于中央空调冷水机组。
3.2.2 家用空调器常用的热回收形式
家用空调器在我国应用广泛，而且数量多，是热回收的重要方向之一。林宏[10]对家用空调冷凝热的回收利用进行了探讨，并指出：家用空调冷凝热回收系统作为回收低品位能的有效方法，可广泛适用于普通家用空调系统的改造上，其应用及节能前景可观。
哈尔滨工业大学的江辉民，王洋等[11]，在研究中提出了自己的为家用空调器常用的热回收形式（图2）。该形式是将空调器中压缩机排出的高温高压的制冷剂蒸汽注入到热水换热设备中进行热交换，加热生活热水。若热水换热器的换热能力能够独立承担所有的冷凝热量，则无需使用风冷冷凝器，反之就要同时使用风冷和水冷冷凝器来承担所有的冷凝负荷。
3.2.3 热泵回收技术
余颖俊、王梦云[12]就冷凝热的回收途径及可行性进行了探讨。由于空调制冷中冷却水温度一般在 30～38℃，属低品位热能，要想充分回收需要热泵技术，由制冷机与热泵机组联合运行构成一套热回收装置。该装置把热泵的蒸发器并接到制冷机冷却水回路上，比较适合在现有的空调冷却水系统中进行改造，控制也比较容易实现。
尹应德，张泠等人[13]在这之后提出了这种典型的间接冷凝热热回收形式（图3）。当冷水机组和热泵同时工作时，可以通过控制冷却塔风机的启停来控制冷却水回水温度。通过电动三通阀控制冷却塔的冷却水流量和热泵蒸发器的流量比例，使热泵的蒸发器出水温度低于32℃ ，以保证冷水机组的正常运行。该种方式是在原系统并联一套热泵机组，把冷凝热作为热泵热源来制备热水。
图3 利用热泵的一种热回收原理图
3.2.4 相变材料回收空调冷凝热
西安交通大学的刘红娟，顾兆林[14]提出利用相变材料回收空调冷凝热热回收形式。热回收用蓄热器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。热回收用蓄热器中相变材料的温度是随冷凝温度的变化而变化的。开始时，常规风冷冷凝器(或冷却塔回路)关闭，热回收蓄热器利用制冷剂过热段的显热和冷凝潜热对相变材料进行加热，此时冷凝压力随热回收蓄热器中相变材料温度的升高而升高。当系统冷凝压力达到限定值时，开启风冷冷凝器以释放多余的制冷剂冷凝潜热，降低系统的冷凝压力。此时热回收蓄热器仍能利用蓄热器管内流过的气态制冷剂过热段的显热放热加热相变材料，进一步提高相变材料的温度。当相变材料温度达到某一设定值后(可利用相变材料温度自动调节器测得)，系统恢复原冷凝器(冷却塔)冷凝运行模式。
图4 水源热泵的一种热回收原理图
另外，山东省生建机械厂的韩慧民提出一种水源热泵的热回收形式[15]（图4），这种形式存在着明显的不足，冬天制备生活热水是供热要停止。杨小林[16]提出制冷机冷凝器采用双束或双筒冷凝器，但是但热交换效率较低。
3.3 冷凝热热回收技术应用中存在的问题
3.3.1 双冷凝器热回收技术和家用空调器常用的热回收形式在应用时存在的问题：
1.热回收器须选用专用的高性能换热器。由于氟利昂具有强渗透性，而且安装在冷凝器前，该点位置在氟利昂处于高压(1．44Mpa)和高温过热(约75℃)状态，更易产生渗漏。因此，对换热器的材质和制造工艺都有特殊要求，如有不慎，不但达不到节能效果，反而损坏制冷机组。
2.换热器除了保证有与所改造机头的功率相适应的换热面积外，还必须有较低的阻力不会影响制冷机原有工况，否则会降低出力。
3.由于它利用的是制冷循环过程产生的热量，传热量差远小于原热水系统，只能小流量连续制备热水，不可能象蒸气加热器或热水炉那样短时间内提供大量热水，因此，系统要配备足够容量的热水箱。通常可以按具体系统的1小时量大用水量计算[17]。
3.3.2 相变材料回收空调冷凝热应用中存在的问题：
1. 目前，蓄热器在国外已广泛应用，在我国也逐渐发展起来。余热和太阳能等资源的有效利用，迫切需要设计和发展高效率、低成本的相变蓄热器。但对蓄热器的设计计算尚无统一的方法，因此，对蓄热器的设计也处于摸索阶段。
2.对蓄热物质的要求是：热容量大、蓄热能力强，化学稳定性好，熔点低，对人体、动植物无害、价格低廉。我国对蓄热材料的开发有待进一步加强。
3.，应该尽可能使制冷装置在较低的冷凝温度下运行。在设计中选取的冷凝温度是定值，而实际运行中的冷凝温度是变化的。冷凝温度与环境温度有关，不仅随季节变化，而且每天昼夜也在不断变化。因此在设计时应充分考虑各种不利因素，选择适当的冷凝温度，保证制冷装置在高效率下节能运行。
3.3.3 我国空调冷凝热热回收发展趋势
为实现“可持续发展”战略，我国制定一系列能源及环境政策。节能和环保已成为当前空调领域中最重要的研究课题之一。目前，我国暖通学者已逐渐认识到了余热回收系统应用的重要性，一些开发商也对此项目产生了一定的兴趣，现在在北京[18]，广州[19][20]，上海[21]，东北等地的一些宾馆和人工冰场与游泳池联合工作的地方[22]都有应用并且节能效果很好。
我国对于冷凝排热热回收系统的研究现在仅限于理论的分析，且处于初步探讨阶段，缺乏实际的、深入的系统研究。从国内的研究状况来看，还存在着一系列的问题。在直接加热自来水的回收系统中存在以下问题：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的问题。因此，设置储热装置十分必要，它可存储中午空调满负荷时产生的热水用以补充傍晚空调低负荷时产水量的不足。目前国内研究存在蓄热水池较大的问题，蓄热装置在系统运行中的动态模拟以及系统形式等问题也是我们在今后工作中要解决的。
冷凝排热热回收取决于主要设备的工作情况，有时可能得不到预期的效果。就冷凝热回收来讲，其效果取决于空调系统的运行工况，其目的也只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。因此受空调运行时间(一般只夏季运行)的影响，在热回收系统中辅助热源在大多数空况下是必要的。
我国在热回收设备的开发中，还缺乏对于整个设备部件进行优化匹配设计，进行计算机模拟这方面的研究。通过同实验研究的结果进行对比，以优化整机的匹配关系。
另外，对系统本身及控制系统进行优化，减少设备的初投资，并对该产品在我国的应用前景进行预测和评价也是研究的重要方向之一。