循环冷却水系统中的余热利用探讨

1、 35N 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

2、 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

3、. 151. 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

4、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

5、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 (H RWH 。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 给水排水 Vol. N 2 2009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

6、。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

7、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

8、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3038 , 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

9、。 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

10、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

11、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 35N 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

12、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 r /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 , ;r 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

13、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

14、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

15、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 3742 。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 :81832 孙慧 琳