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1、冷凝热回收技术研究现状及应用湖南大学 龚光彩 张晓恒 冯启辉 彭劲摘 要 本文回顾了国内外冷凝热回收技术的发展过程，指出了其未能在市场上推广的一些原因；指出了国内的发展概况及近年来冷凝热回收已引起了人们的广泛关注。本文对国内外的冷凝热回收技术成果及专利作了总结并由此对冷凝热回收的类型进行了分类，并对所分类的三种热回收技术分别在概念、原理以及进一步的分类方面作了全面的阐述。并指出了每一类热回收技术相对应取得的技术成果。在此基础之上，提出了近年来的新型热回收冷凝器和研究冷凝热回收的新方法，并介绍了该领域的典型技术成果。给出了几种典型冷热源方式的经济比较，指出了目前冷凝热回收技术存在的问题及发展方向
2、。关键词 冷凝热回收技术 单冷机组 热泵机组 节能 1. 背景 冷凝热回收技术是将空调排放的废热予以回收利用，用来制取卫生热水或生产工艺热水，不仅变废为宝，减少大气环境热污染，而且可以降低热水供应系统运行费用，同时也提高了空调的运行效率，是节能的重要措施之一。对于冷凝热回收技术的研究国外起步比较早，早在1965年就有Healy等人首先提出对于居住建筑空调冷凝热作为免费的热源进行热水供应的设想1，70年代以后，Stuij,Douglas等人对热回收热泵的可行性进行了实验研究2-3，新加坡南洋理工大学的W.M.Ying指出通过回收冷凝热加热生活热水对空调器的性能影响并不大4，Goldschmidt
3、5和Lee6 等人研究了回收的冷凝热数量、机组的出水量及综合能源利用系数等。随着计算机技术的发展和普及，在实验研究的基础上人们开始用数值模拟的方法对冷凝热回收技术进行分析，以Mason7，K.C.Toh8，Bong9和Baxter10等人为代表，对冷凝热回收系统的性能和运行特性进行了相关研究和分析，并在夏威夷对其进行了大规模推广，研究和推广结果显示其节能性非常显著。虽然CARRIER和TRANE公司都开发了双管束冷凝器热回收技术，但由于该技术原理上存在着根本缺陷，热回收效率有限，因此未能在市场上广泛推广。我国在20世纪60年代就有回收制冷机冷凝废热的设想，但发展较慢，90年代后期我国开始有关冷
4、凝热回收技术方面的研究。近年来电力供应紧张和电力需求不断增加的矛盾，使节能成为焦点问题，冷凝热回收技术引起了人们的广泛关注。2. 冷凝热回收的分类及主要技术成果目前国内外关于冷凝热回收技术的成果及专利已有不少，已获得的专利成果有60余项，其中发明专利17项，实用新型44项，主要集中在两大方面：一方面是单冷机组的冷凝热回收技术，其中发明专利7项，实用新型19项；另一方面是关于热泵装置的冷凝热回收技术，又分为两类，一类是能实现空-水冷灵活转换的复合冷凝热回收技术，其中发明专利1项，实用新型6项，另一类是涉及专有的换热技术或装置的冷凝热回收技术，其中发明专利8项，实用新型13项。除上述两个方面，另外
5、还有利用相变材料回收冷凝热以及其他有关新型热回收冷凝器和研究冷凝热回收技术的新方法，包括发明专利4项，实用新型6项。2.1 单冷机组冷凝热回收技术单冷机组的冷凝热回收根据冷凝热回收的形式主要分为直接式（图1，3，4）和间接式（图2）。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，包括单冷凝器型（图1）11和双冷凝器型（图3，4）12，前者存在着明显的不足，冬天制备生活热水时供热要停止，目前一般不采用；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。其中直接式可又分为循环式（
6、如图3）和直流式 (如图4)，直流式是指自来水一次性经过热回收器之后就可获得较高温度的生活热水以供用户使用。由于直流式的水流量小，往往不能满足用户需求，同时要求热回收器的具很高的换热效率，且成本高，故目前多不采用此项技术。循环式是指自来水经过热回收器之后进入蓄热水箱，然后通过热水泵循环经过热回收器进行热交换后来获得较高的生活热水温度，最后由蓄热水箱提供生活热水到用户。循环式对热回收器的要求比直流式低，可根据用户需求提供生活热水，易于控制且可靠性强。 图1 直接式单冷凝器型空调冷 图2 间接式空调冷凝热热回收系统原理图凝热热回收系统原理图 图3 循环式空调冷凝热热回收系统原理图 图4 直流式空调
7、冷凝热热回收系统原理图目前对单冷机组的冷凝热回收一般采用直接循环式（图3），国内对此项技术的研究较多，国外也在90年代中期开始应用，典型的技术成果有：一种电脑自动控制利用余热制热水节能设备13、离心式节能制冷装置14、容积式节能热水机组15、螺杆式冷水机组制热水节能设备16，带热回收式水冷冷水机组 17等。此类技术成果在热回收工艺上基本是一致的，主要差别仍在换热回收即传热装置上。2.2 热泵机组冷凝热回收技术 热泵机组的冷凝热回收原理同单冷机组基本一致，目前也多采用直接循环回收冷凝热的方式（图3），与单冷机组不同是，热泵机组增加了四通换向阀，这就要求在加热回收器时考虑四通阀的正常工作，保障机组
8、的稳定运行。现有热泵机组的冷凝热回收技术大致可分为两类，一类是在压缩机与四通阀之间增加热回收器通过增加多个控制阀的方式实现热回收或直接在四通阀与冷凝器之间加热回收器的方式来实现部分热回收。其典型技术成果有：多功能风冷冷热水机组18，空气热能热泵式热水炉19， 一种四季节能冷暖空调热水三用机 20（如图5） 、一种多功能冷暖空调热水机21等。 图5 四季节能冷暖空调热水三用机原理图以上成果都能实现冷凝热回收，但在冷热工况转换时影响换向阀的正常工作（只有在回收热量较少时才不致于影响换向阀）；或者存在着制冷流程改造复杂，元器件更换频繁，不利于生产和加工等缺点；这样易出现机组运行不稳定，冷凝力度不够或
9、产生过冷现象，导致制冷循环偏离正常工况较多，影响空调效果，且大都回收冷凝余热量较少等。另一类是在四通阀与压缩机之间增加热回收器，采用基于流体旁路气动控制的复合冷凝技术。此项技术国外目前无相关专利，我国在该领域取得了重大突破性的成果，典型的技术成果有：热水热泵空调装置22， 一种联动屏蔽复合冷凝热水热泵空调装置23等，此类技术的特点是增加的旁路控制管一端与压缩机出口直接联通,另一端与四通阀气动控制管入口或其高压侧入口联通，空冷和水冷能进行灵活转换，既可实现部分热回收也可实现全热回收，且不影响四通阀的正常工作，只需增加少量控制阀，又能保障机组的稳定运行。2.3 相变材料回收空调冷凝热利用相变材料回
10、收空调冷凝热（如图6）指用蓄热器代替双冷凝器热回收技术中压缩机出口的冷凝器，并与常规风冷冷凝器(或冷却塔)采用串联连接，利用蓄热材料的相变过程将冷凝热回收并制取热水24。 典型的技术成果有：带相变蓄热水箱的热泵热水器25， 一种用于回收空调冷凝热的复合相变蓄热器26等。目前利用的相变材料回收冷凝热的形式在国外已广泛采用，我国也取得了很大的进展，但对于如何能利用高效、低成本的相变蓄热器来实现冷凝热回收仍有待进一步的探究。图6 相变材料回收空调冷凝热系统原理图2.4 新型热回收冷凝器和研究冷凝热回收的新方法随着对冷凝热回收技术研究的不断深入，其研究成果不仅体现在热回收形式上，还有一些新型热回收冷凝
11、器和研究冷凝热回收技术的新方法，为冷凝热回收技术的进一步研究及应用提供了条件。其典型技术成果有：一种可热回收的管式冷凝器27，一种热回收式冷凝器装置28，带冷凝热回收的蒸气压缩式制冷循环多功能教学实验台 29，一种基于产品成本冷热源优化设计软件30等。3 采用冷凝热回收技术与常规冷热源方式的比较（见表1）表1 单位热量的冷热水能源消费量及费用(发配电效率为35%)冷热源方式驱动能源Cop/效率（季节平均值）一次能源消费量（kw/kw）热值单位能源单价(元)每kwh热量的燃料消费量费用(元)冷水空气源热泵（风冷冷水机组）电3.19221kwh/度0.60.320.19地源热泵(土壤源冷水机组)电
12、4.76081kwh/度0.60.210.13水源热泵(水冷冷水机组)电5.45291kwh/度0.60.190.11冷热水复合冷凝风冷热泵（带热回收风冷冷水机组）冷热水同时利用电6.74261kwh/度0.60.150.09带热回收水冷冷水机组（水源热泵）带热回收水XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
13、XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX冷热水同时全部利用电9.72941kwh/度0.60.100.06带热回收水冷冷水机组利用全部冷水和部分热水电5.49.72945291kwh/度0.60.100.190.060.11带热回收水
14、冷冷水机组利用全部热水和部分冷水电4.39.72946641kwh/度0.60.100.230.060.14热水燃煤锅炉煤0.616677000kcal/kg0.50.200.10燃油锅炉柴油0.8125010300kcal/kg4.740.100.47燃气锅炉燃气0.8511769000kcal/Nm33.00.110.33电锅炉电0.9530071kwh/度0.61.050.63空气源热泵机组电3.28931kwh/度0.60.310.19地源热泵机组电4.07141kwh/度0.60.250.15水源热泵机组（带热回收水冷冷水机组）电4.36641kwh/度0.60.230.14复合冷凝风冷热泵（带热回收风冷冷水机组）电3.67941kwh/度0.60.280.174 典型应用利用冷凝热回收技术不仅可以有效的节约能源，变废为宝，减少城市热污染，而且还可以带来巨大的经济效益，现以某宾馆集中式空调系统改造后回收冷凝热为例。此宾馆有300个床位，人均每日用水量200L/（人d），卫生热水温度为60，经计算可得每日总用水量6104L/d。设定夏季水温平均温度为18，经计算可得每天制备卫生热水所需的总热量为1058104kJ/d。
