（市政工程专业论文）中央空调系统热源开发利用的可行性研究.pdf

摘要 能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。但是由于不断增加的能 源消耗，现代世界能源日趋缺乏，矿物燃料日益减少，能源供应严重不足。根 据文献分析，未来若干年，我国经济能否保持持续稳定增长，一个重要的先决 条件就是能源供应是否充足。因此，节能问题己经成了关系国计民生的问题。 然而，随着经济的发展，我国的建筑规模日渐扩大导致建筑耗能不断增加，空 调和热水供应成为建筑的主要能源消耗方式。但是空调和热水器都是用高位能 来换取同等数量的低位能，这不符合现代节能的原则。因此，空调余热回收成 为一种新的节能方式而逐渐被人们研究利用。 本文通过对仙桃市第一人民医院的热水供应系统和空调系统分别进行计 算，得出以下结论：( 1 ) 分析了医院热水供应系统与空调系统存在的能源浪费、 运行费用浪费以及大气环境污染等问题，提出将两常规系统合二为一，即将空 调运行中产生的余热进行回收制备生活热水的可行性。( 2 ) 对理论工况下的离 心式和螺杆式制冷机组的热回收能力进行推导，指出其中可利用部分仅为少量 的高温气态显热，但其理论计算量能满足热水系统正常运行时所需部分热量。 ( 3 ) 对空调余热回收方式的经济效益进行了分析，得知其运行费用相对于常规 系统，节省的量相当可观。其初期投资由于系统中增加了换热器，故初期投资 费用增加。但是初期投资的回收期短，四个月即可回收初期增加的投资费用。 ( 4 ) 用模糊数学理论对空调余热加热方式从经济指标、技术指标以及社会环境 指标中的九个方面进行模糊综合评价，其计算结果显示通过这种评价方法，余 热回收方式得分最高，效果优，所以应该被积极推广运用。 关键词：节能 空调余热热回收 a b s t r a c t e n e r g yr e s o u r c e sa r et h er e l i a b l ea n di n d i s p e n s a b l ee l e m e n tf o rh u m a nb e i n g a st h ei n c r e a s i n gc o n s u m p t i o no ft h ee n e r g yr e s o u r c e s ，t h ew h o l ew o r l di sl a c ko fi t t h em i n e r a lf u e li sd e c r e a s i n g ，w h i l et h ee n e r g ys u p p l yi sm u c hl e s st h a nt h ea c t u a l n e e d e d i nt h ef u t u r e ，a c c o r d i n gt oal i t e r a t u r e ；ak e ye l e m e n tf o ro u rc o u n t r yt o m a i n t a i nt h er a p i dd e v e l o p m e n ti st h ea b u n d a n c eo fe n e r g yr e s o u r c e s t h e r e f o r e ，t h e p r o b l e mo ft h ee n e r g yr e s o u r c e si sb e c o m i n gt h ei s s u ew h i c hw i l la f f e c tt h ef u t u r eo f o u rc o u n t r y h o w e v e r , a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y , t h es c a l eo ft h e c o n s t r u c t i o n a l i n d u s t r y i s e x p a n d i n g ，a s t h e e n e r g y t h a tc o n s u m e di nt h e c o n s t r u c t i o n a li n d u s t r yi si n c r e a s i n g t h ea i rc o n d i t i o n e ra n dt h eh o tw a t e rs u p p l y i n g s y s t e mc o n s u m eal a r g ea m o u n to fe n e r g y b u tt h ea i rc o n d i t i o n e ra n dt h ew a t e r h e a t e ra r ee x c h a n g i n gt h es a m ee n e r g yf r o mt h eh i g l l o r d e re n e r g yt ot h el o w - o r d e r e n e r g y t h a ti sn o tc o m p l i a n tw i t ht h ep r i n c i p l eo fs a v i n ge n e r g y s o ，t h ee x c e s sh e a t f r o mt h ea i rc o n d i t i o n e ri sb e c o m i n gm o r ei m p o r t a n ta n dm o r ep e o p l eb e g i nt os t u d y o nj t f r o mt h i sa r t i c l e ，b yc a l c u l a t i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h ea i rc o n d i t i o n e r s y s t e ma n dt h eh o tw a t e rs u p p l y i n gs y s t e ms e p a r a t e l yi nx i a nt a on o 1h o s p i t a l ， t h ew r i t e re d u c e st h ec o n c l u s i o na sf o l l o w s ：( 1 ) b ya n a l y z i n gt h ew a s t ea n dp o l l u t i o n p r o b l e m st h a tc a u s e db yt h eh o tw a t e rs u p p l y i n gs y s t e ma n dt h ea i rc o n d i t i o n e r s y s t e m ，p r e s e n tt h ei d e at h a tc o m b i n et h et w os y s t e mi n t oo n es y s t e m t h a tm e a n s u s i n gt h ee x c e s sh e a tf r o mt h ea i rc o n d i t i o n e r st om a k i n gh o tw a t e r ( 2 ) b ya n a l y z i n g t h ea b i l i t yo ft h ec e n t r i f u g a lr e f r i g e r a t i n gs y s t e ma n dt h eh e l i c a lr e f r i g e r a t i n gs y s t e m i na c a d e m i cs t a t e ，f i n do u tt h a tt h eu s a b l ee n e r g yi so n l yal i t t l eh i g ht e m p e r a t u r eo f g a s e i t ys e n s i b l eh e a t ，b u ti t i se n o u g hf o rt h eo r d i n a r yu s e ( 3 ) b y a n a l y z i n gt h e e c o n o m yb e n e f i to ft h ee x c e s sh e a tf r o mt h ea i rc o n d i t i o n e r , f i n do u tt h a tt h e f u n c t i o nc h a r g ec a ns a v eal a r g ea m o u n to fm o n e yt h a nt h eo r d i n a r ys y s t e m t h e a d d e dh e a te x c h a n g em a k e st h ea d d e dc h a r g eo fe a r l yi n v e s t ( 4 ) b yu s i n gt h ef u z z y m a t h e m a t i ct h e o r y , t h ew r i t e re s t i m a t e st h es y s t e mf r o me c o n o m i c g u i d el i n e ， t e c h n i c a lg u i d el i n ea n dt h ee n v i r o n m e n t a lg u i d el i n e ，t h er e s u l ts h o w st h es y s t e mi s e x c e l l e n t ，i ts h a l lb ee x t e n d e da n dw i d e l yu s e d k e yw o r d s ：e n e r g yc o n s e r v a t i o n e x c e e dh e a tf r o ma i rc o n d i t i o n e r h e a tr e c l a m a t i o n i i i 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：痉醴日期塑望：! ：兰! 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：迸导师c 签名) ：二基蔓筠i 一日期辈 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理工大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 能源现状和节能意义 1 1 1 能源现状 能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历 史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的丌发利用 极大地推进了世界经济和人类社会的发展。过去1 0 0 多年里，发达国家先后完 成了工业化，消耗了地球上大量的自然资源，特别是能源资源。当前，一些发 展中国家萨在步入工业化阶段，能源消费增加是经济社会发展的客观必然。 随着中国经济的较快发展和工业化、城镇化进程的加快，能源需求不断增 长，但是现代世界能源日趋缺乏，矿物燃料同益减少，能源供应严重不足，尤 其是近年来甚至出现了电荒、煤荒和油荒，很多地区不得不进行拉闸限电。在 我国当前的能源消费结构中，煤炭仍然占全国能耗总量的7 5 以上，火电占全国 总发电量的7 0 以上，而全国一次能源的总热效率只有不到4 0 ，比发达国家低 1 0 左右，能源利用率低。据预测，地球上现有的常规能源储藏量只够人类消费 几十年。预计到2 0 1 0 年中国缺能约8 ，到2 0 4 0 年将缺2 4 左右，能源安全问 题日益突出。1 1 j 1 1 2 节能意义 根据文献分析，未来若干年，我国经济能否保持持续稳定增长，一个重要 的先决条件就是能源供应是否充足。因此，节能问题己经成了关系国计民生的 问题，节约能源已是全世界共同关心的问题，也是我国的基本国策。我国长期 以来坚持“能源开发与节约并重，把节约放在首位”的能源方针，并取得了显著 成绩。为了配合缓解能源紧张的现状，我国相关部门陆续制定了一系列标准对 建筑的能耗做出限制。如1 9 8 6 年颁发了民用建筑节能设计标准；1 9 9 5 年1 2 月建设部批准了标准的修订稿，即民用建筑节能设计标准：2 0 0 1 年颁发了 武汉理t 人学硕j ：学位论文 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准；2 0 0 3 年颁发了夏热冬暖地区居住 建筑节能设计标准；2 0 0 5 年4 月4 同建设部与国家质量监督检验检疫总局联 合发布了公共建筑节能设计标准。1 2 l 1 2 我国的建筑能耗现状 1 2 1 建筑能耗现状概述 我国建筑规模巨大，发展迅速，截止到2 0 0 3 年为止，全国城市房屋总建 筑面积达1 4 0 9 1 亿平方米。p i 持续增加的建筑，导致建筑能耗也不断增加。建筑能耗在全球能源的消耗 中占有相当大的份额，在一些发达国家其比例有的已达到4 0 。1 4 】我国作为一 个发展中国家，近年来建筑能耗所占的比重也越来越大，业已占全国总能耗的 近3 0 。【5 j 我国城镇住宅用电( 包括照明、家电、空调，及长江流域及长江以南 区域的分散采暖用电) 耗电量为2 0 0 0 亿度年，占我国发电总量约1 0 ；平均 用电量达到1 5 - - - - 3 0 度平方米年( 目前发达国家住宅用电量为6 0 - 1 0 0 度 平方米年) 。一般性非住宅建筑( 包括一般的办公室、教室、商店、营房等) 的 非采暖用电( 包括照明、办公用电设备、饮水设备、空调等) 的电耗为1 6 0 0 亿 度年，占我国总发电量约8 ，平均用电量为2 0 6 0 度平方米年。大型公 共建筑用电如高档办公楼、宾馆、大型购物中心、综合商厦、交通枢纽等的年 耗电总量约为1 0 0 0 亿度年，占我国总发电量约5 ，平均用电量为1 0 0 3 0 0 度平方米年。i j j 1 2 2 空调系统和热水系统能耗 随着经济的发展，人民生活水平的提高，人们对居住、生活、办公环境的 要求越来越高，很多公共建筑、办公建筑、医疗建筑、商业服务建筑甚至居住 建筑等都设置了集中制冷和采暖的中央空调系统。同时，我国家用空调在城市 中也同益普及，家用空调拥有率以惊人的速度增长。全国城市居民每百户空调 器拥有量2 0 0 3 年底平均已达6 1 8 台，其中北京为1 1 9 3 1 台，上海为1 3 5 8 0 2 武汉理- 丁人学硕 ：学位论文 台，重庆为1 2 6 6 7 台。1 5 j 随着空调如此快的普及，空调系统作为耗能大户的地 位也日益突出。有资料表明，现代化办公楼的空调和照明的能耗占整个建筑能 耗的6 0 ，- - - 7 0 。1 6 】 同时，热水供应也成为现代人生活环境中不可缺少的环节。这些热水器的 使用要消耗大量的一次能源，据估计，在发达国家家用热水供应的能耗将成为 继室内供暖空调之后的第二大能耗。【7 j 在美国，热水器要消耗美国居住总能源 的1 7 。f 8 i 而我国建筑能耗中生活热水占到了1 5 的比重。1 9 】 空调和热水器都有是用高位能来换取同等数量的低位能，不符合现代节能 的原则。由空调的运行原理可知，制冷的过程实际上是通过消耗一定的外界能 量( 如电能、热能、太阳能等) ，把热量从低温热源转移到高温热源的过程。【1 0 】 这样，制冷机组在空调工况下运行的同时势必要向外界排放大量的余热。通常， 空调系统的余热往往直接排放到大气中未加以利用，制冷机组在空调工况下向 大气环境排放的余热量为制冷量的( i + c o p ) 倍( c o p 为制冷机的性能系数) ，它可 达制冷量的1 1 5 , - - - , 1 3 倍。l l l j 大量的余热直接排入大气，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。 同时，在生活和生产等方面又需要利用热能加热。 1 3 解决办法回收利用空调余热 空调系统余热为在空调冷水机组制冷运行过程中产生的，在冷凝器中被冷 却塔带走的热量。也称为冷凝热。包括去除过热的显热冷却阶段、饱和蒸气冷 凝为饱和液体的潜热交换阶段和冷凝液的过冷阶段所释放的热量。其中余热量 可达制冷量的1 1 5 1 3 倍。 如果在不影响正常的制冷功能的自订提下，将这些热量回收，用于加热生活 热水或作为辅助加热热源，就可以在夏季时少开或停开用于制备热水的锅炉。 大大降低整个生活和生产过程的运行费用。而且可降低冷凝器周围环境的温度， 冷凝温度也随之下降。在蒸发温度不变的条件下，降低冷凝温度可减少压缩机 的能耗，这相当于在制冷量不变的情况下，提高了压缩机的性能系数。同时可 以减少向大气中排放的废热，减轻大气污染，改善生态环境。因此回收利用空 调余热不但可节约生活热水能耗，而且可降低空调机组的能耗，并减少了对大 3 武汉理v t 大学硕i ：学位论文 气环境的热污染。因此对空调余热的回收是十分必要的。 4 武汉理t 火学硕士学位论文 第2 章中央空调系统余热回收利用 2 1 国内外研究现状综述 2 1 1 国外研究现状与应用 国外对该问题的研究起步较早。1 9 6 5 年，h e a l y 和w e t h e r i n g t o n 就提出了对 居住建筑空调余热作为免费的热源进行热水供应的可行性，随后用实验装置验 证了他们的计算结果，发现热回收系统平均每年可节约7 0 的生活用热水所需 的加热量，其中在5 月到1 0 月之间可节约9 0 的生活用热水所需的加热量。 1 2 1 m a s o n 等人在1 9 7 7 年对一个有代表性的家庭进行了热回收系统的研究，结果显 示，在保证家用空调器正常工作的同时，所回收的余热量均可满足家用热水量 的需求。b s l b o n g t y 、w m y i n g 和k c t o h ，将研究的重点集中在对制冷压缩系 统中的显热进行回收的技术上。他们分别对于家用空调余热回收技术做了实验 和模拟分析。结果表明：热回收对空调的性能影响不大，新设备的综合能源利 用系数有很大提高，回收的余热基本上可以满足家用热水供应的需要。【1 4 1 6 l g o l d s c h m i d t 和l e e 等人研究了回收的余热数量、机组的出水量及综合能源利用 系数等。 1 7 - - 1 8 j 国外各大空调制造厂商为了很好地利用余热回收以达到节能的目 的，纷纷在他们研究的机组上进行改进，推出新一代的节能产品。1 9 8 0 年，美 国c a r r i e r 公司就有关于余热回收系统的工程指导。l ”】美国一些公司生产的1 9 d e 系列的热回收式双管束冷凝器热泵机组、风冷式热回收式双管束冷凝器制冷机 组、离心式热回收冷水机组及三级压缩离心式热回收冷水机组等都是余热回收 的产品。1 2 0 j 夏威夷地区从1 9 8 0 年起就有约2 0 0 幢建筑，超过2 5 0 0 0 个用户以及1 5 家 旅馆对窄调系统进行了改造，充分利用了制冷机组的余热量进行了热水供应，运 行结果显示，回收系统比原有的燃气热水器节约花销至少5 0 以上。【2 1 】在意大利 经济发展委员会办公大楼的空调系统中，将空调余热用于生活热水供应，实测 表明，最热月里可以节省常规系统1 0 0 的燃料费用，在其他月可节省7 0 以上的 费用。【2 2 l 5 武汉理t 大学硕j ：学位论文 2 1 2 国内研究现状 我国在这方面的研究起步较晚。近年来，主要针对中高档旅馆、星级酒店等 大型集中空调系统的余热回收用于生活热水供应进行了研究，通过分析制冷机 余热与生活热水耗量的匹配关系，并经过实际的工程论证，认为利用空调余热来 加热生活热水是可行的，具有很好的节能和经济价值。 2 3 2 9 1 江青春、姜宝成等针对宾馆空调余热回收中余热和热水供应规律之间的不 匹配性问题，提出了单、双台水一水热泵及辅助设备方案，他们通过系统数值 模拟，发现采用双台热泵系统能满足热水需求，解决了余热排热不匹配的问题。 【1 1 】江辉民等用实验证明了带热水供应的节能型家用空系统的可行性和可靠性。1 3 0 j 王伟，马最良通过计算机模拟，对常规热水供应系统和空调余热回收热水供应系 统作出对比，显示其能量节省量、费用节约量、污染物降低量以及空调期内系 统逐周热污染减排率。1 3 1 】广东中山怡景假日酒店和燕岭大厦通过对原有冷水机 组的改造，回收余热量用于生活热水的制备，工程投资可在6 - - - 8 个月收回。p 2 l 2 2 余热回收的条件和等级 任何一种余热，若要有利用价值，其自身必须具有以下三个要素：1 3 3 l 1 、余热的数量相对较大； 2 、余热的排放较集中，或能通过某种系统集中起来； 3 、余热排放在相当长的时间内要稳定。 任何一种余热具备了以上三个内在要素之后，要使其在工程中可能得到实 际使用，必须具备以下三个外部条件： 1 、能就近找到大量使用低品位( 温度) 热能的场所与用途； 2 、所需热量的品位与余热的品位应接近； 3 、余热产生的时间与所需求的时间尽可能同步。 在夏季空调工况下，释放的余热量约为制冷量的1 1 5 1 3 倍。很明显， 空调的余热的排放量是很大的。空调余热的排放都是通过冷凝器较为集中地排 放，在空调运行期间，余热在排放的相当长时间内较为稳定。故空调系统余热 基本满足以上三个内部条件，具有一定的回收价值。同时家用生活热水的品位 6 武汉理丁人学硕t = 学位论文 和余热的品位大致相同，同常人们用水温度的要求不是很高( 一般在4 0 c 左右) ， 而空调余热温度可以达到4 0 c 以上，因此，两者具有较好的匹配。虽然在余热 的排放时间与用户使用的时间上可能存在不一致的情况，但是完全可利用蓄热 水箱或蓄热水池等来解决这一矛盾。所以利用空调余热来加热生活热水是可行 的，在建筑节能工程中大有可为。 2 3 余热回收的原理 2 3 1 空调制冷系统原理 空调系统的制冷机组是由四大件组成：压缩机、冷凝器、蒸发器与膨胀阀。 制冷理论循环压饴图见图2 1 所示。图中，过程线1 - - - - 2 表示制冷剂蒸汽在压 缩机中由饱和蒸气被压缩成高温、高压的蒸汽的等熵压缩过程，压力由蒸发压 力p 。升高到冷凝压力p ：，由于压缩过程中外界对制冷剂作功，使制冷剂温度增加； 过程线2 3 表示高温高压的制冷剂蒸气进入冷凝器中被常温的冷却水或空气等 压冷却和冷凝过程，凝结成高压液体；过程线3 - - 4 表示制冷剂通过膨胀阀时的 节流过程，在这一过程中，制冷剂的压力由p 。降n p 。，并进入两相区，高压制冷 剂变成低温低压含少量气体的气液混合物：过程线4 - - - 1 表示制冷剂在蒸发器中 的汽化过程，利用制冷剂在低温低压时的汽化过程，吸收被冷却物体的热量， 蒸发成蒸汽。从而达到制冷的目的。最后产生的低压气态制冷剂再次被压缩机 吸入，如此周而复始，不断循环。 7 武汉理t 人学硕i j 学位论文 焓k j k g 图2 1理论制冷循环压一焓图 2 3 2 余热回收系统运行原理 从上述原理可知，要获得制冷循环4 1 所产生的冷量( q ：) ，必须同时把制 冷循环2 ，- - 3 所产生的热量( q 。) 带走。假设制冷过程所消耗的外功为w ，从能量守 恒原则可知：q 。= q ：+ w ，即q 。 q ：。因此，需要带走的热量，大于可获得的制冷量。 实践证明，压缩式制冷机组的余热量约为制冷量的1 3 倍，吸收式制冷机组的余 热量约为制冷量的2 5 倍。m j 在常规空调系统中，都是由冷却塔通过冷凝器将热量带走的。而余热回收 系统就是在压缩机和冷凝器之间加一个热回收器( 冷凝器) 回收部分或全部余 热，从热回收器中流出的制冷剂，再由后面的冷凝器吸收其余热量由冷却塔带 走。其运行原理见图2 2 。热回收器将空调系统的压缩机在制冷运行中排出的 高温高压蒸气产生的热量，与循环于换热器和生活蓄热水箱之间的水媒体交换 热量，将压缩机在制冷过程中排出的热量转化为生活热水的热量。热回收器将 排出来的高温高压制冷剂蒸气( 6 0 , - - , 8 0 ) 进行第一次冷却，同时生产出高品位 ( 温度) 的生活热水；空调系统的冷凝器再将经过第一次冷却的冷制剂蒸气进 行冷凝，保障机组正常运行。 8 武汉理t 大学硕士学位论文 膨胀阀( i 厂一 l 一鍪垄兰 一 图2 2 空调余热回收运行原理图 2 4 常规系统与空调余热回收系统的比较 2 4 1 常规系统 f1 f f 压缩机 常规系统是指在建筑中通常存在的空调系统与热水供应系统。其运行如图 2 3 所示。 热损失tl 消耗燃料 tt 消耗室外新风 电功率 图2 3 常规系统运行方式 9 武汉理工人学硕上学位论文 常规系统在运行中存在的问题： 1 、空调余热的直接排放造成的能量浪费问题： 空调余热是空调系统制冷量与制冷机指示功率之和。夏季输入建筑的能量 大部分以余热的形式排出，其中包括围护结构传热量、新风热量、太阳辐射得 热量( 属于外扰) ，照明、空调用电、人体散热等( 属于内扰) 。1 3 5 】在通常情况下， 空调余热是通过冷却塔排入大气，其中作为热量携带的载体冷却水，温度 一般在2 8 3 7 之间。因此，余热直接排入大气势必造成大量宝贵能源的浪费。 2 、常规系统中的能耗问题 由于现代生活水平的提高，人们对热量的需求越来越大。如生活热水供应、 洗衣房用热水、厨房洗涤用热水以及室内游泳池加热等过程，这些用热场所的 水温一般都不高于6 0 ，为了满足这部分用热量的需求，在建筑中又要求设有 燃煤( 燃油、燃气) 锅炉或电锅炉供热系统，无疑又要输入一次能源。据调查， 在以上场所消耗的能量达到3 0 3 5 k g 标准煤m 2 ，约占建筑总能耗的8 左右。 另外，将空调余热排放至大气仍然要消耗能量，一般的水冷式系统主要包括冷 却水泵及冷却塔两个主要设备，其能耗总和将占到宾馆空调系统总能耗的1 0 左右，折合耗电量约为6 5 k w h m 2 。1 3 6 j 3 、热水供应系统运行费用的问题 在建筑中，由于能量的需求，以燃气、燃油、电锅炉为热源的供热系统逐 年增多，而伴随其来的又是高额的运行费用。一般来讲，燃油、燃气锅炉供热 系统的运行费用将达到燃煤锅炉房的2 5 - - - - 3 倍，而电锅炉供热系统将达到燃煤 锅炉房的3 5 倍左右。因此，热水供应的能耗费用问题已经直接影响到各个建 筑的经济效益。1 3 3 l 4 、常规系统对环境的影响 夏季建筑中常规热水供应系统与空调系统所造成的环境污染主要有两方面 因素。其一，燃料燃烧排出大量的c o ：、s 0 ：和粉尘等有害物，会导致生态环境 的破坏( 如全球温暖化、酸雨等) ；其二，近年来，随着工业化社会的加剧，在 夏季另种环境问题越来越引起了人们的注意，那就是所谓的“热岛效应 。排 放到自然界水中和空气中的热量，通常被称作“热污染”。水被加热后降低了水 体溶解气体的能力，包括像氧气这样的对水生物极其重要的气体。如果水温超 过3 5 ，其中氧气的含量对维持水中的生命来说太低了，而温水中的水生物生 长速度通常会加快，这更加剧了水中缺氧。而排放到空气中的热量又大大加剧 1 0 武汉理工人学硕1 ：学位论文 了城市中的“热岛”效应。据调查，世界大、中城市市区与郊外存在着温度差， 市区内被较高温度的大气层笼罩着，温度差别年平均可达0 6 1 1 ，发达国 家中的热岛效应更加明显，日本东京市繁华中心区与郊区的差可达8 。c 。f 3 7 】由 于环境温度的升高，还恶化了分体式空调机组和窗机的工作环境，导致系统c o p 值下降，空调能耗增加。随着气温每升高1 ，相应空调系统的设备容量增加 6 ，而制冷机余热与锅炉房废热的直接排放是造成这种污染现象的主要因素之 2 4 2 空调余热回收系统 回收空调余热用于热水供应，是在不降低建筑物使用功能和舒适性标准的 前提下，将两个常规的独立的系统，改造成一个整体性、可循环性系统。在夏 季，由于省去了常规锅炉房热水供应系统，取而代之的是空调余热回收系统进 行热水供应。运行方式如图2 叫所示： 热损失t _ 消耗室外新风 电功率 图2 4 空调余热回收系统运行方式 该系统主要具有以下几方面优点： 1 、空调余热可以给热水供应系统提供部分或者全部热量，节省了原来设置 武汉理t 人学硕卜学位论文 锅炉房热水供应系统的能源消耗，对于改造后的空调系统，输人相同的电能， 不仅可以为建筑物提供空调用能，而且也提供了热水供应能源，大幅提高了空 调系统的能源利用率，一举两得。 2 、减少燃煤( 燃油、燃气) 锅炉使用的时问和用量，从而减少了热水供应系 统消耗一次能源而引起的环境污染。 3 、回收了一部分有价值的空调余热，降低了原系统中的能源浪费的问题， 减少了空调余热直接排放所造成的环境热污染。 4 、降低了原空调系统中冷却塔中冷却水系统的运行费用。 5 、当空调余热不能全部或者部分满足生活所需热量时，可设置热水锅炉， 以保证热水供应系统的稳定性。生活热水的循环回水和补水系统混合进入热交 换器后，再进入热水锅炉加热。余热的利用减少了锅炉的耗热量，降低了锅炉 的型号和使用时间。 6 、由于有郊的回收了部分余热，使得冷却塔散热容量的减小，从而减小了 能源输入和冷却塔风机常开造成的噪声，有效的保护了环境。 缺点：空调余热回收系统同时具有单位时间内产水量不高、水温有限和季 节性等缺点，所以通常需要辅助热源，而且适用场合也要受到一定的限制。 2 5 余热回收的分类 余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高温热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 般占全部余热的1 5 左右，按照热水的需求量的显热量计算得出热回收器的片 数，其它的冷凝器中被冷却水带走；另一种是利用全部的余热。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。 1 2 武汉理丁大学硕一卜学位论文 2 6 本文研究内容 通过阅读分析国内外的研究现状，可以看出全世界范围内对于空调余热回 收系统的研究工作已经取得了很大的进步。但是目前，大部分研究只是从理论 上进行研究和认证，在实际工程中运用不足。在实际工程中有少量运用，也只 是针对宾馆、酒店等建筑的大、中型集中式空调系统。针对这种情况，本文提 出了以下主要任务和工作： ( 1 ) 通过对仙桃市第一人民医院热水系统和中央空调系统的选择与计算， 推导出空调系统可利用余热量。分析空调余热回收利用的可行性和经济性。 ( 2 ) 通过与其他加热方式的比较，为空调余热系统的开发和利用提供理论 依据。 ( 3 ) 运用模糊数学理论，通过建立数学模型，对空调余热回收利用方式进 行计算和评估，论证其与其他加热方式相比较的优劣性。 1 3 武汉理工大学硕l 学位论文 第3 章综合医院热水系统和空调系统余热量计算 3 1 项目简介 仙桃市第一人民医院为一类综合医院。仙桃市第一人民医院门诊住院综合 大楼位于仙桃市沔阳大道与健康路交界处，建筑高度9 9 9 m ，建筑面积约为6 万 平方米。包括门诊、手术室和住院部等。其中地下一层为水池、泵房、变配电 房、空调机组等设备用房，地上一至六层为门诊、医技用房，七八层为手术 室、产房等，九二十四层为住院部病房。该医院住院部床位数9 7 4 床，门诊部 平均每天3 0 0 0 人，医院医务人员、工作人员人数：每天三班，每班1 0 0 人。洗衣 房平均每天洗衣量为1 6 0 0 千克。 3 2 热水系统耗热量计算 医院的，活热水系统设计参数按照建筑给水排水设计规范g b 5 0 0 1 5 - - 2 0 0 3 选用。 3 2 1 热水系统介绍 本建筑热水系统采用集中热水供应系统，即把建筑物内热水系统的加热设 备及循环水泵集中设置在地下一层加热间，加热设备的冷水由地下水池和生活 变频调速水泵供给，加热后的热水通过热水管网送往各分区系统使用。这种集 中加压热水供水系统，设备集中设置在地下室或底层，维护管理方便，对隔音 防振有利，热媒管道较短，可以减小管路噪音。但高区加热设备承受静水压力 大，对高区加热设备承压要求高，设备造价相对较高。 管网热水采用上行下给的热水供应方式。热水横干管设在管网的上部，回 水横干管设在管网的下部，即热水流经系统上部横干管并向下对各立管配水。 这种系统广泛应用于高层宾馆建筑，医院及高级公寓中，该系统构造简单，阻 力小，节省材料，但配水干管与回水干管分散布置，增加了建筑对管道的装饰 1 4 武汉理t 人学硕f ：学位论文 要求，适用于热水立管较多的建筑。这种系统一般适用于水温标准要求高、热 水用水量大而不均匀的高层建筑，这种系统的缺点是耗用管材多，造价高，系 统阻力大。如图3 一l 所示。 图3 1 热水供应系统图 武汉理_ t 人学硕 ：学位论文 3 2 2 热水量和耗热量的计算 医院热水供应耗热量包括住院部、门诊部、洗衣房和医务人员用热水所需 的热量。则各用水场所用热量指标如下表所示： l 、查阅建筑给水排水设计规范g b s 0 0 1 5 - - 2 0 0 3 得到： 表3 1建筑热水定额表 单位最高同热水使用时间热水小时 定额( l ) ( h ) 变化系数k 。 住院部l 床d 1 1 0 2 0 02 42 5 2 0 门诊部 l 人次 7 1 381 8 1 5 洗衣房 l 公斤干农1 5 3 0 81 5 1 2 医务人员l 人班 7 0 - - 1 3 082 0 1 5 注：热水定额中，热水温度按6 0 。c 计算。 2 、医院最高日用热水量计算公式为： q d 2 m q ， q d 最高日用热水量( l d ) i 卜用水计算单位数 q r 热水用水定额( l ) 3 、医院最大小时用热水量计算公式为： q h = k 。譬 q 。最大小时热水用量( l h ) q 。最高同用热水量( l d ) t 热水供应时间( h ) k 小时变化系数 4 、耗热量计算公式为： w = c m ( t 2 一) 卜耗热量( k j d ) c 水的比热，c - - 4 1 8 7 ( k j k g ) 1 6 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 武汉理t 犬学硕 ：学位论文 卜最高日热水用量( k g d ) t ，热水温度( ) t 冷水温度( ) 5 、仙桃医院用热水量和耗热量计算如下，见表3 2 ： 表3 2 热水量计算表 用水热水用水使用热水小时最高日用最大小时最高日平均 单位数定额时间变化系数热水量用热水量小时用水量 ( h )k h( m 3 d )( m 3 h )( m 3 h ) 住院部9 7 4 床1 5 0 l 床天 2 42 2 31 4 6 11 3 5 86 1 门诊部3 0 0 0 人1 2 l 人次 81 83 68 14 5 洗衣房 1 6 0 0 公斤3 0 l 公斤干衣 81 54 896 医务人员3 1 0 0 人 1 2 0 l 人班 81 53 66 7 54 5 合计 2 6 6 13 7 4 31 1 1 由以上数据可计算得到最高同耗热量，最高f l 平均小时耗热量以及最高日 耗热功率。见表3 3 。 表3 3 耗热量计算表 名目最高同用最大小时最高同平均最高日耗最高日平均最高同耗 热水量用热水量小时用水量热量小时耗热量热功率 单位( m 3 d )( m 3 h )( m 3 h )( k j d )( k j h ) ( k w ) 数值 2 6 6 13 7 4 31 1 15 5 7 1 0 62 3x1 0 66 4 5 注：热水温度按6 0 ，冷水温度按i o c 计算。 6 、考虑到医院用热水时变化系数较大，为均衡小时用水量，减少设备投 资，设计考虑设置热水蓄热水箱。生活蓄热水箱容积根据规范取1 5 倍的小时 热水量并考虑一定的有效容积，所以v = 3 7 4 3 x1 5 ：5 6 m 3 ，取6 0 m 3 。 3 3 医院空调系统 3 3 1 仙桃市气候分析 仙桃市地处长江中游，属于副热带季风气候，冬季盛行干冷的西北季风， 1 7 武汉理工火学顾十学位论文 夏季盛行暖湿的东南季风。全年气候温和，雨量充沛，日照充足，四季分明。 四季的划分从气候的角度而言，是以平均气温低于1 0 为冬季，高于2 2 为夏 季，在1 0 - - 一2 2 。c 之间为春秋两季。按此标准，各季起止时问大致为3 月中旬至 5 月中旬为春季( 约7 0 天) ，5 月下旬至9 月中旬为夏季( 约1 2 0 天) ，9 月下 旬至1 1 月中旬为秋季( 约6 5 天) ，1 1 月下旬至次年3 月上旬为冬季( 约1 1 0 天) 。即仙桃市年均有9 个月时间人们处在非舒适性建筑热环境中，是典型的夏 热冬冷地区，最大的特点是冬夏空气潮湿难耐。1 3 8 j 3 3 2 空调负荷计算 这争采用空调系统负荷简化计算法。它是以外围护结构和室内人员两部分 为基础，把建筑物看成是一个整体大空间，根据朝向、外墙面积、窗墙比及建 筑面积来计算，并把结果乘以新风负荷系数即为建筑物的总负荷。这里可根据 在实际工作中积累的空调负荷概算指标，即折算到建筑物中每1 m 2 空调面积所需 提供的冷负荷值做粗略估算。【3 5 l 查表得医院的空调冷负荷概算指标为1 0 5 一- - 1 3 0 w m 2 ， 3 s j 计算取中间值 1 2 0 w m 2 ，由于建筑面积约为6 0 0 0 0 平方米，所以根据估算法，医院夏季空调冷 负荷为：0 = 1 2 0 6 0 0 0 0 = 7 2 0 0 k w 3 3 3 空调系统的制冷机组 由于空调冷负荷为7 2 0 0 k w ，所以空调制冷机组采用2 台3 0 0 0 k w 离心式冷 水机组和l 台1 2 0 0 k w 螺杆式冷水机组。制冷剂采用r 2 2 。空调水设计温度为： 冷冻供水7 ，冷冻回水1 2 。c ；冷却水进水为3 2 。c ，冷却水出水为3 7 。c 。 1 8 武汉理工人学硕l ：学位论文 表3 4 空调机组选型表 设备名称主要参数 数值备注 离心式电机功率5 3 7 k w 美的 冷水机组 名义制冷量 3 1 6 5 k w l b s 系列 冷却水流量5 4 4 m 3 h2 台 螺杆式电机功率2 1 5 7 k w 美的 冷水机组 名义制冷量 1 2 2 8 k wc 系列 冷却水流量1 9 5 m 3 h 1 台 说明：由表中看出，名义制冷量由于所选机组的不同，实际为3 1 6 5 x 2 + 1 2 2 8 = 7 5 5 8 k w 。 3 4 空调系统余热计算 为了使推导过程更为明朗，在计算上做了简化，具体如下： 1 、制冷循坏为在设计工况下的理论循环； 2 、假设外在参数不发生变化，即制冷循环也不发生变化； 3 、压缩机中进气阀、排气阀没有阻力； 4 、压缩机进行绝热压缩； 3 4 1 离心式冷水机组制冷余热量 离心式冷水机组理论制冷压焓图如图3 2 所示： 1 9 武汉理t 人学硕十：学位论文 pt k p a l 5 5 0 5 5 一一 上 ， l 2 4 2一- 一一- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 4 1 0 4 4 0 焓k j k g 图3 2 离心式冷水机组的理论制冷循环p _ - h 图 ( 1 ) 计算蒸发温度t ： 一般情况下，蒸发温度t ，比设计冷冻水进水温度t 。低3 - - 一4 ，这罩取4 ， 并假定蒸发温度始终是一个定值，由于设计冷冻水进水温度为7 c ，则： t ：= t o 一4 = 7 4 = 3 ( 2 ) 计算冷凝温度t 。 一般情况下，在设计工况下冷凝温度t 。比供给的冷却水出口温度t 。高3 - - - 4 ，这里取3 ，并假定冷凝温度始终是一个定值，由于循环冷却水出口温度 为3 7 ，则： t l - t k + 3 = 3 7 + 3 = 4 0 ( 3 ) 确定过冷温度t 。： 由于该离心式冷水机组中设置有过冷器，在冷却塔循环冷却散热的情况下， 液体过冷温度为7 8 。c ，计算取7 。则过冷温度t 。为： t 。= t l 一7 = 4 0 7 = 3 3 ( 4 ) 在p - - h 图上确定膨胀过程前、后状态点： 根据冷凝温度t l = 4 0 ，过冷温度t 。= 3 3 ，查p h 图得该点的焓值为 h 3 = 2 4 2 k j k g ，压力为p 3 = 1 5 5 m p a 。 根据h 。= h 。= 2 4 2 k j k g 和蒸发温度t ：= 3 ，查p