带热水供应的空调冷凝热回收系统研究现状.pdf

87VResJournalofBEEHV&ACNo.8 in 2023(Total Vol.51.No.390)暖通空调2023年第8 期（总第51卷第39 0 期）建筑节能（中英文doi:10.3969/j.issn.2096-9422.2023.08.014带热水供应的空调冷凝热回收系统研究现状陈凤玺，刘俊红（山东建筑大学热能工程学院，济南250101)摘要：回收空调系统冷凝热制备热水是一项解决冷热双利用、实现节能减排的重要建筑节能技术。按照系统结构将常见的冷凝热回收系统分成6 种，分别介绍其原理、性能及适用范围，并对比分析各系统在热水温度、温升对空调系统性能影响、热回收量、初始投资、热水水质、设备控制、气候适应性、负荷特性适应性八方面的差异。介绍了热回收系统中常见的水蓄热、相变蓄热方式及研究方向；总结归纳了国内外近五年冷凝热回收制备热水的研究和应用趋势。热回收系统性能逐渐成熟，工程应用增长已是大势所趋，其中串联型、并联型和双级热回收系统性能好，是当前研究热点，目前被广泛应用。相变蓄热成为研究热点，推进其实际的工程应用是今后发展的重点。关键词：冷凝热回收；空调；热水；英建筑节能；相变蓄热中图分类号：TU83文献标志码：A文章编号：2096-9422(2023)08-0087-07earchofAirConditioningCondensingHeatRec/stemwithHotWaterSupplCHEN Fengxi,LIU Junhong(School of Thermal Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,ChinaAbstract:Recovery of condensing heat from air conditioning systems for hot water production is anenergy-saving building technology that solves the double utilization of cold and heat,and achieves energysaving and emission reduction.The common condensing heat recovery systems are divided into six typesaccording to the system structure,and their principle,performance and application are introducedrespectively.The differences between each system in eight aspects are compared and analyzed:hot watertemperature,temperature rise impact on air conditioning system performance,heat recovery capacity,initial investment,hot water quality,equipment control,climate adaptability,and load characteristicadaptability.The common water heat storage and phase change heat storage methods and researchdirections in heat recovery systems are introduced.The research and application trends of condensing heatrecovery for hot water in the past five years at home and abroad are summarized.It is found that theperformance of heat recovery system is gradually improving,and the cases in engineering application areincreasing.Series type,parallel type and two-stage heat recovery system have excellent performance,which are the current research hotspots and widely used at present.In addition,phase change heat storagehas become a research highlight,and promoting its practical engineering application is the focus of futuredevelopment.Keywords:condensing heat recovery;air conditioning;hot water;building energy saving;phasechange heat storage0引言目前，建筑能耗约占全球能源消耗总量的30%40%，在经历快速城市化的过程中发展中国家占比尤收稿日期：2 0 2 3-0 4-12；修回日期：2 0 2 3-0 8-19为突出，中国每年建筑能耗占全国总能耗的44.7%同时，中国已经发展成为全球最大的制冷空调设备的生产国和消费国 2,暖通空调能耗约占建筑能耗的40%50%3,因此制冷空调行业的节能工作刻不容缓。88陈风玺，等：带热水供应的空调冷凝热回收系统研究现状常规的压缩式制冷空调在向室内提供冷量时会将约1.15 1.3倍的冷凝热排放至室外 4，造成巨大的能源浪费，加剧城市的“热岛效应”。同时7 1.5%的热水通过电、天然气、煤等能源供应 5。若能将冷凝热全部或部分回收并用于加热热水，便能极大提高能源利用率，实现节能减排。早在19 6 5年,Healy等人就首次证明了冷凝热回收系统制备热水的可行性 6。对国内外近五年以“冷凝热回收”为关键词的39 5篇开放文献进行调查，其中有12 9 篇（占32.6 6%）是针对回收空调系统的冷凝热以制备热水，大量的研究已经证实和记录了回收冷凝热制备热水的可行性，本文综合了现有的文献并增加了新的视角对热回收系统进行分类并一一介绍，对比各系统在热水温度、温升对空调系统性能影响、热回收量、初始投资、热水水质、设备控制、气候适应性、负荷特性适应性8 个方面的表现。因建筑冷热需求与气候紧密相关 7，尤其是夏热冬暖地区夏季供冷周期长、冷负荷大 8,部分场所甚至需要全年供冷 9，制冷能耗占空调总能耗的8 0%以上 10,这为回收空调系统冷凝热提供了巨大的条件。而其他气候区供冷周期较短、冷负荷较小,因此主要对比各热回收系统在夏热冬暖地区的气候适应性。蓄热可有效解决热量供需用量、时间不平衡的问题，故对冷凝热回收系统中常用的蓄热方式介绍，最后对回收制冷系统的冷凝热用于制备热水文章进行详细分析，总结了近五年国内外的研究趋势，为促进“双碳”目标下空调冷凝热的合理利用提供参考。冷凝热回收系统的分类现有冷凝热回收系统的分类方法有多种，但各类之间又有重合，尚未见统一的标准，因此本文按系统结构对常见的热回收系统进行分类。1.1直接热回收直接热回收是高温高压的制冷剂直接进人热回收器与水进行换热 12,效率高且结构简单。根据系统冷凝侧换热器的数量分为单冷凝器热回收、双冷凝器热回收甚至三冷凝器热回收，因为三冷凝器与双冷凝器系统原理相似并且研究与应用较少，所以本文主要对前两种系统进行讨论1.1.1单冷凝器热回收单冷凝器热回收系统主要出现在水冷式空调中，冷凝器既承担冷凝降温的作用又承担热回收的作用，热回收率较高，热水温度一般为35 45 13,按自来水状态分为静态型和循环型（1）静态型。静态型是将冷凝器盘管浸没在水中，冷凝热直接加热水箱中的水，结构简单，系统如图1所示。水箱冷凝器（热回收器）膨胀阀压缩机蒸发器图1静态型直接热回收系统Fig.1 Static direct heat recovery system随着水箱中水温升高，制冷剂与水温差减小，换热效率降低，导致冷凝热不能及时排出，冷凝温度不断升高。实验证明蒸发温度不变时，冷凝温度每升高1，制冷量下降约1%2%，能耗增加约2.5%，系统性能系数下降约3%141。因此为保证系统持续正常运行,需要不断更换热水箱中的水 15将高温高压的制冷剂盘管直接置于水箱中，也存在换热器破损造成水污染的风险 16，因此静态型不适于实际应用（2）循环型。循环型多是利用逆流管壳型换热器，水盘管与制冷剂盘管置于同一冷凝器内，通过水泵实现水循环，使水不断升温，系统如图2 所示。水箱水泵冷凝器（热回收器）膨胀阀压缩机蒸发器图2循环性直接热回收系统Fig.2 Circulating direct heat recovery system因为冷凝器内进行强制对流换热，水温上升速率、系统性能均优于静态型 17，还可根据实际冷负荷的要求控制水流量，流量越大冷凝器热量被带走的越快,系统性能越好 18 实验发现在相同工况下，随着水温增加，静态型和循环型系统的热回收率在运行时间内都将衰减35%40%，因此在室内冷负荷较大的夏热冬暖地区，单冷凝器热回收系统冷凝热无法及时排出，冷凝温度不断升高,制冷性能恶化,应用范围较小 19 O1.1.2双冷凝器热回收双冷凝器热回收系统是在压缩机与冷凝器之间增加一个热回收器，既可应用于水冷式空调又可应用89CHEN Fengxi,et al.Research of Air ConditioningCondensing Heat RecoverySystem with Hot Water Supply于风冷式空调，热回收量与热水温度的调节范围广，适用多种负荷机组，应用最广泛。按热回收器与冷凝器的连接关系分为串联型与并联型。（1)串联型。串联型即部分热回收系统 2 0,热回收器与冷凝器串联，系统如图3所示。压缩机出口的高温气体依次流经热回收器、冷凝器，自来水逆向流经热回收器，吸收压缩机全部显热和部分冷凝潜热，剩余热量通过冷凝器排到外界环境中。随着水温升高，冷凝潜热的回收量逐渐减少，最后主要利用高温显热继续加热，一般可制得6 0 6 5热水。水箱水泵冷凝器热回收器膨胀阀压缩机蒸发器图3串联型直接热回收系统Fig.3Series direct heat recovery system热回收的量不仅取决于热回收器的尺寸，还取决于整个系统的运行工况，如水流量、进水温度、出水温度等 2 1。一般可回收15%2 5%的冷凝热，仅适用于热水需求量远小于制冷量的工程 2 Sunu等人对比了巴厘岛热带气候下有无热回收的家用空调系统性能 2 3,发现带热回收的空调系统平均性能系数提高46.1%53.8%，热力性能良好。此外串联型对冷凝潜热回收较少，热回收器的压降较小,冷凝压力稳定，热回收对制冷系统影响较小 2 4。所以串联型是目前研究与应用的重点，主要针对系统性能的优化与冷凝热的充分利用。Roomi等人设计了一种螺旋盘管-壳式换热器 2 5，并沿着螺旋线圈插人了强化翅片，增加了换热器的表面积，从而提高了热回收系统性能系数。裴秀英等人提出了一种组合式热回收系统 2 6，除回收压缩机排出的制冷剂全部显热、部分潜热外还回收了油冷却器中润滑油热量，进一步提高了热水温度，实现了对高温热量的充分利用。（2)并联型。并联型即全热回收系统，并联一个与冷凝器相同尺寸的热回收器，制冷时可以回收全部的冷凝热，设备利用率高，系统如图4所示。全热回收时平均制冷功率不受影响，又可获“免费 热水,系统节能效果显著 2 7。但随着热水温度升高，冷凝压力升高，系统性能下降,所以热水温度不能过高,应该综合考虑热回收性能与系统总性能确定合适的出水温度 2 8。如浦东美术馆采用一台全热回收型螺杆式水冷冷水机组，热回收侧设计供回水温度50 /45 2 9 水箱水泵热回收器截至阀截至阀冷凝器膨胀阀压缩机蒸发器图4并联型直接热回收系统Fig.4 Parallel direct heat recovery system并联型与循环型系统的区别在于当热回收器无法承担全部热负荷时，并联型可通过截止阀控制通人热回收器与冷凝器的流量，保证系统正常运行，但涉及高温高压气体分流，系统控制难度大 30。目前在对水温要求不高的场所 31或对热水进行预热 32 时应用较多。双冷凝器热回收系统相当于增加了冷凝器面积，夏季负荷较大时可分担冷凝器热负荷，增强了散热效果，冬季制冷工况下又可增加冷凝侧温度避免结露，同时提高冷凝压力，避免制冷系统压比过小 33，气候适应性好。1.2间接热回收间接热回收是指空调冷凝热首先传给外界空气或冷却水，再利用热回收器或热泵回收空气或冷却水中的热量加热热水 12，可用于大负荷机组，由于采取二次换热，换热效率低。根据热回收设备不同分为单级热回收与双级热回收1.2.1单级热回收单级热回收主要应用于水冷式空调，在冷却水回路中串联一个热回收器，系统简单如图5所示。冷却水首先经过冷凝器吸收热量，然后在热回收器中与自来水换热，当自来水水温升高不能全部吸收冷凝热时还要到冷却塔中进一步散热西安某五星级酒店通过在冷却水回路中增设板式换热器回收冷凝热用于预热生活热水，理论上可加热热水至37，但在实际应用中，由于西安地区夏季空调运行时间短，且实际空调负荷变化导致机组所得热水温度仅为32,系统节能效果不佳 34。夏热冬暖地区冬季冷负荷较少，冷却水人口温度低，经冷凝90陈风玺，等：带热水供应的空调冷凝热回收系统研究现状器、热回收器两次换热，热水升温效果差。因此该系统多用于对水温要求不高的工程 35冷却塔水泵水泵热回收器團水箱冷凝器膨胀阀压缩机蒸发器图5单级间接热回收系统Fig.5 Single stage indirect heat recovery system1.2.2双级热回收双级热回收是在制冷系统上并联一个热泵系统，如图6 所示。热泵系统以制冷系统冷凝热为热源，以增加部分压缩机耗功为代价，获得更高品位的冷凝热，全年均可用来加热生活热水 35。张美玲等人以夏热冬暖地区全年供冷的某酒店为例 8，对比得出双级热回收系统全年均可高效运行，且比串联型热回收系统制备热水温度更高，在设备寿命周期内相当于节省52 0 万元燃气费用，经济性更好。水箱水泵冷凝器膨胀阀压缩机冷凝蒸发器膨胀阀压缩机蒸发器图6 双级间接热回收系统Fig.6 Two-stage indirect heat recovery system双级热回收系统设备复杂、成本高，一般应用于有特殊需求的大型工程。目前的研究趋势是宽温域、高性能，主要通过改变系统参数和系统形式实现。研究证明以制冷系统冷凝热为热源的氨高温热泵系统，在满足-2 3 2 用冷需求时，可提供40 80的热水 36。胡士永等人针对屠宰行业冷热源情况 37，在氨制冷机组上依次并联R134a一级高温热泵和R245fa二级高温热泵，最终可得8 5热水。此外在一级氨高温热泵机组上增设水蒸气热泵，系统可产生12 5蒸汽 38,进一步扩宽系统温度范围。但双级热回收氨制冷系统与直接热回收CO2制冷系统相比 39,虽然满足了更高的温度需求，但其能耗更高,系统性能更低，而且在系统控制、初投资成本、安全性等方面也不占优，所以应该尽可能降低系统能耗，提高系统性能，发挥制备高温热水的优势实验证明蒸发器温度、冷凝器温度、低温回路冷凝温度、冷凝蒸发器温差 40、过冷度 41、压缩机转速 42、频率 43等都对系统性能有较大影响,改变系统参数的方法不仅容易实现而且提高系统性能的效果显著。宁静红等人在压缩机出口串联太阳能集热板 4，使高温高压的制冷剂蒸汽进一步过热，提高了冷热联供系统的整体运行效率。双压冷凝高温热泵系统 45中冷却水依次流经双级热回收系统的低温、高温冷凝器，两次换热，显著降低了冷却水与制冷剂的换热温差，使不可逆损失减小4.2 8%19.35%，系统性能系数提高了3.37%9.34%，虽然上述两种新型系统主要从理论分析的角度进行研究，但为系统优化提供了方向。1.3热回收系统对比分析冷凝热回收系统具有多种形式，各形式又有各自特点，为更加清晰地揭示各种系统的优缺点，方便更好地选择和设计，对这些系统进行对比。由于实际系统的构成复杂、市场上的价格波动较大，具体计算一些项目费用困难，因此以某夏季空调冷负荷约为2500kW的酒店为例，估算各热回收系统相比常规制冷系统需增设的设备购置费用，涉及初投资设备费用指标如表1所示 45O表1初投资设备费用指标Table 1 Involved indexes of initial investment设备名称压缩式离心冷水机组/（元/kW）水泵/元/(m3/h)闭式冷却塔/元/（m/h）板式换热器/（元/m）水箱/(元/m单位指标90050-1002505002000对反映系统热回收性能的热水温度、温升影响、热回收量，反映系统实用性的新增初始投资估算值、热水水质、设备控制以及反映系统适用范围的夏热冬暖地区的适应性、机组负荷适应性8 项指标进行对91CHEN Fengxi,et al.Research of Air ConditioningCondensingHeatRecoverySystemwithHotWaterSupply比，结果如表2 所示。从表2 可以看出：串联型、并联型与双级的热回收性能较好，循环型、串联型与单级的实用性较好，双冷凝器和双级热回收适应范围更广；除双级外，其他系统的热回收量与热水温度、温升对系统性能影响呈相反趋势，热回收量多，回收的冷凝潜热越多，热水温度越低；热回收量越多，制冷系统越依赖于热回收系统，水温升高即换热环境恶化时，系统受影响越大；双级的热回收系统作用于并联的热泵系统中，对原制冷系统影响小，又可回收全部冷凝热、制备较高温度的热水，热回收性能最好。表2不同热回收系统特点对比Table 2 Comparison of characteristics of different heat recovery systems温升热回新增初投资热水设备夏热冬暖区的机组负荷热水温度影响收量估算值水质控制适应性适应性静态型3545有全部25万差简单不适用低负荷单冷凝器直接热回收循环型3545有全部27万好简单不适用低负荷串联型6065无15%25%40万好简单适用高负荷双冷凝器并联型4045有全部40万好复杂适用高负荷间接热回收单级37有全部40万好简单适用，冬季效果差高负荷双级4080 无全部100万好复杂适用高负荷2热回收系统中的蓄热方式空调冷负荷的分布呈现“单峰特征”，而生活用水量的分布呈现“双峰特征”，既冷凝热的供需侧存在时间不同步问题 46，且冷凝热的回收温度和回收量一直处于波动状态 47,因此在热回收系统中增加蓄热装置十分必要，根据蓄热介质不同分为水蓄热和相变蓄热。2.1水蓄热水作为蓄热材料具有成本低、换热效率高的优点，并且将热回收器与蓄热水箱串联系统简单 48，目前工程应用几乎均为水蓄热 2 8.49.50 1,但水比热小蓄热方式为显热蓄热，因此水箱体积较大且空调负荷与热水需求量处于波动状态,水箱容量的确定也较困难 4。早期容量常按稍大于供需热量的最大差确定 51,但该方法计算较粗略，现在多通过建立模型，利用Hooke-Jeeves等优化算法进行细致求解，可使蓄热容积大大减小 52。此外大量研究集中在优化水箱形状 53、冷水人口流速 54和隔板尺寸 等参数来改善水箱内部的热分层现象、提高蓄热效率。随着水蓄热性能不断改进，在一定时期内仍会是热回收系统主要蓄热方式。2.2相变蓄热相变蓄热是利用相变材料物态变化实现吸放热 56,具有储热密度高、相变时温度波动小等特点，相比水蓄热具有体积小和性能稳定的独特优势，被认为是最具潜力的蓄热技术之二 57 相变热回收器就是在传统热回收器的制冷剂盘管和水盘管之间直接填充相变材料或增加相变盘管 58，可应用于多种热回收系统中，解决热量供需侧不平衡的矛盾。以串联型系统为例（如图7 所示）,压缩机出口的过热蒸汽以潜热的形式储存在相变材料中，当需要热水时水泵开启，水箱中的水循环流动，带走相变材料中的热量。水箱水泵冷凝器相变热回收器膨胀阀压缩机蒸发器图7 带相变热回收器的串联型系统Fig.7 Series system with phase change heat recoverer尽管已经证明相变热回收系统的可行性 59，但开发的相变材料仍面临着相变温度不合适 6 0、热扩散率低 6 1的问题，目前研究重点在制备新型相变材料和优化蓄热装置。从性能系数和热水温度的角度考虑，熔点范围为4548的相变材料具有冷凝热回收的潜力 58,LiMinqi等人的课题组制备了一种相变温度47.8 6 2,且相变潜热高、成本低、性能稳定的新型三水醋酸钠基复合相变材料，之后首次考虑压力条件对固液相变材料蓄放热的影响，对这种新型材料进一步优化 6 3。陈华等人在石蜡中添加泡沫金属铜 6 4.6 5，使复合相变蓄热系统蓄热效率提升6.5%，温差减少44.1%，制冷系数、系统综合性能系数均得到提高。可见制备新型相变储能材料可同时解决相变温度和蓄热效率的问题改变蓄热装置的结构型式也是提高相变蓄热效率的有效对策，目前主要针对翅片及管道结构的优92陈风玺，等：带热水供应的空调冷凝热回收系统研究现状化。可通过改变翅片长度、厚度 6 6 或设置非等高直肋 6 7 改善系统蓄热效果。选用不同半径内管，改变换热管数目、管间距 6 8 和多管束排列方式等 6 9】,均对换热效率造成较大影响。当前关于相变材料和蓄热装置的多数研究仍处于实验室阶段，尚未应用到实际的冷凝热回收工程中，后续应结合热回收系统进一步评估。3趋势与展望对近五年国内外以“冷凝热回收”为关键词的129篇开放性文献进行分析，可以得出如图8 所示结果。从图中可以看出：文献的研究主题分为系统性能研究、工程应用、相变蓄热研究三大领域,其中性能研究比重最高，工程应用位列其次；串联型、并联型、双级在系统性能研究与工程应用中均占比较大，是冷凝热回收研究与应用的重要方向。单级热回收系统虽系统简单，但热回收性能差，发展逐渐停滞，虽有应用但无研究进展。单冷凝器热回收系统因热水温度低、系统性能稳定性差等缺点，应用范围有限，遭到淘汰，近五年已无相关研究和应用；相变蓄热已成为研究热点，但尚未有工程案例，因此推进其在冷凝热回收领域中的应用是今后发展的重点。蓄热装置3.85%串联型14.73%相变材料15.38%单级双级3.87%系统13.78%文献主题性能关联型分布研究7.69%并联型9.36%串联型11.54%换热装置双级制冷剂5.37%11.54%2.81%图：文献主题分布Fig.8 Topic distribution of literature4丝结语通过归纳总结不同系统在冷凝热回收制备热水的研究与应用、热回收系统中的蓄热方式，得出以下结论：（1）各热回收系统的性能各有侧重，应根据实际需求选择合适的方案，更宽的温度范围、更高的综合性能系数是共同追求的目标，可通过优化换热装置、改变系统参数和设计新的系统型式等途径实现。（2)随着冷凝热回收的研究逐渐完善，近五年虽仍以系统性能研究为主，但工程应用同样占比较大，热回收系统性能逐渐成熟，相关的工程应用增长已是大势所趋。其中，串联型、并联型和双级热回收系统热回收性能好，是当前研究热点，目前被广泛应用。(3)在热回收系统中增加蓄热装置十分必要。水蓄热应用广泛，而相变蓄热因稳定和蓄热密度高已成为空调冷凝热回收领域内的研究热点，但目前尚未有相关的工程应用。尽快解决相变温度不合适的问题，提高蓄热率从而推进实际的工程应用是今后发展的重点。参考文献：1 JLiu Z,Zhou Q,Tian Z,et al.A comprehensive analysis on definitions,development,and policies of nearly zero energy buildings in China J.Renewable and Sustainable Energy Reviews,2019,114:109314.2名.制冷空调行业“十四五”规划 J.制冷与空调,2 0 2 1,2 1（4）：1-15.3谢大明，蔡觉先，郭丽婷.双冷凝器热回收技术研究现状及展望 J.能源与环境2 0 15，（6）：2 8-2 9.【4吴献忠，夏波，吕林泉，等.冷凝热热回收机组的开发和应用 J.制冷与空调,2 0 0 1,1(6):2 9-32.5王悦，赵鹏军.我国居民住宅建筑生活能耗差异性调查研究 J.北京大学学报（自然科学版），2 0 18,54（1）：16 2-17 0.6 She X,Cong L,Nie B,et al.Energy-efficient and economicTechnologies for air Conditioning with Vapor Compression Refrigeration:A Comprehensive ReviewJ.Applied Energy,2018,232:157-186.7 Liu Y,Wen 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