空调余热回收系统设计与研究.pdf

设备管理与维修2023 翼9（下）0引言为实现“双碳”目标，研究新建建筑的低碳、零碳建造和运营是需要持续投入的重要课题，但针对存量巨大的现有建筑，在其漫长的剩余使用寿命中，如何通过较低的投入完成运营能耗的有效降低，也是极具研究价值的课题。通过技术改造，降低现有建筑的运营能耗，同样能够有效帮助社会整体减少碳足迹。余热回收是降低建筑中暖通设备运营能耗、减少碳排放的一条重要路径。空调在现有暖通设备中占有重要地位，其排放的余热是一个存量巨大的优质热源。据统计，截至 2021 年全球家用空调保有量为 16 亿台，其中中国的保有量为 5.4 亿台。但由于家用空调过于分散，导致其余热不利于集中回收。现有研究大多针对大型暖通设备进行余热回收，其采用的方法具有可借鉴意义，但并未针对广阔的家用空调设备市场进行相应的研究和数据验算1-2。有学者提出了增加套管换热器的方式回收空调冷凝余热，但是存在需要对原有空调管路改动较大的问题3-4。本文结合现有研究成果，提出一种利用翅片换热器强迫对流换热的新型空调余热回收系统，通过回收家用空调室外机的排风余热加热市政自来水，增温制取生活热水。本系统不需要对既有设备进行较大改动，使用方便简单、经济性高效。1建立数学模型余热回收系统的换热器采用翅片换热器。为了对换热器和流程参数进行设计，需要建立传热模型来进行计算5。换热器换热量可表示为：Q=cm|tin-tout|（1）Q=K驻tmA（2）式中c比热容，J/（kg K）m质量流量，kg/stin换热器进口流体温度，Ktout换热器出口流体温度，KA翅片管换热面积，m2K翅片换热器综合传热系数tm对数平均温差，K在本设计中，换热方式属于叉流换热，可以通过逆流换热计算得到对数平均温差再乘修正系数 0.95 得到，逆流对数平均温差 驻tm的计算公式为：驻tm=驻t1-驻t2ln驻t1驻t2（3）驻t1=T1-t2（4）驻t2=T2-t1（5）式中T1热流进口温度，益T2热流出口温度，益t1冷流进口温度，益t2冷流出口温度，益翅片换热器综合传热系数 K 为：K=11h1+啄姿+1h2茁浊（6）式中h1水侧表面传热系数，W/（m2 K）h2气体侧表面传热系数，W/（m2 K）茁肋化系数，本文取 25浊肋壁总效率，本文取 95%啄换热器厚度，m翅片管换热面积A为：A=仔dL（7）式中L翅片管长度，md翅片管直径，m表面对流传热系数可以通过努塞尔数 Nu 求得，其计算方法为：Nu=hd姿（8）式中h表面对流传热系数，W/（m2 K）d内径，平板式换热器中表示横流宽度，m姿热导率，W/（m K）雷诺数 Re 用来判定流动状态，其计算方法为：Re=udv（9）式中u平均流速，m/sd内径，平板式换热器中表示横流宽度，m摘要：设计一种利用翅片换热器强迫对流换热的新型空调余热回收系统，通过建立传热模型对系统进行参数设计，并开展系统节能率和经济性计算与验证。通过实验验证和物理模型计算证明，空调余热回收系统在现有的设备基础上增加 1 台换热器和少量连接管路，投入成本低、节能率高，具有使用方式简单、成本回收期短的特点。关键词：空调；余热回收；传热；系统设计中图分类号：TM925.12文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.09D.88空调余热回收系统设计与研究冯煜旸（北京师范大学附属实验中学，北京100032）骳髐髖设备管理与维修2023 翼9（下）淄运动黏度，m2/s当圆管内 Re 大于 2300 时，可以认为是紊流，小于 2300 时认为是层流。在层流状态下，Nu 可以认为是定值。2系统设计2.1系统介绍空调余热回收系统的原理如图 1 所示，其主要由空调余热回收器和连接管路组成。在空调室外机侧加设空调余热回收器，余热回收器选择翅片换热器，其具有换热面积大、传热系数高的特点。换热器进水口与市政水管路直接相连，出水口与电热水器相连。15 益的市政水进入空调余热回收器后与空调室外机排放出的 50 益热空气换热，加热升温，可用于生活热水。换热过程中，冷水被加热、热空气被冷却，实现空调余热回收。系统通过设计旁通管，在空调余热回收器不工作时市政水通过旁通进入热水器。整个系统仅在原有设备结构上增加了换热器和少量管路即可与空调与电热水器完成功能整合，可以经济、有效地实现余热回收。2.2参数计算居民日平均热水用量约 120 L/（户 天）。空调余热回收器日运行时间假设为 5 h，则流量为 12 L/h。空调余热回收器选择翅片管换热器，其工作参数如图 1 所示。翅片管管径 D=7 mm，则管内流速 u=0.173 m/s。通过式（9）计算可以得到 Re 为 1203，小于 2300，可以认为是层流，Nu 可以取 4.36。由式（8）可以求得 h水为 373 W/（m2 K），h空气取经验值60 W/（m2 K），忽略导热翅片管导热热阻，通过式（6）可以求得翅片换热器综合传热系数为 295.6。按照图 2 中的参数，通过式（3）求得对数平均温差为 19.3 K，联立式（1）、（2）可以计算出需要的翅片管换热面积为 0.122 5 m2，通过式（7）计算可以得到翅片管长5.57 m。设计翅片管为 12 排，则每排长度为 0.46 m。按照普通家用空调室外机的工作参数校核换热量。空调室外机风速取 1.03 m/s，迎风面积取 0.4伊0.7=0.28 m2，通过式（1）计算得到空气换热量为 711 W，水侧换热量为 699 W，误差 1.7%，满足设计要求。空调余热回收器设计参数见表 1。3节能率与经济性分析通过上述计算，加装该系统后电热水器节能率为。以家庭为单位进行计算，日节电量约 3.5 kW h，按电费0.51 元/（kW h），年运行时间 120 d，则该系统每户每年节省电费约 213.8元。余热回收器初投资约 400 元，静态回收期为 1.87年。4实验验证4.1实验设计根据数学模型的建构与数据计算，基于实际家用空调的工作条件加工制作余热回收器实验平台，收集空调室外机余热，并测量进、出水温度（图 3）。该实验平台主要由家用空调室外机（格力KFR-72LW/N8ZH B1 型）、余热回收器、进水箱、流速调节阀、出水箱及相应管路组成，并设有进水测点、出水测点、环境测点、余热回收器前测点、余热回收器后测点，共 5 个温度测量点。4.2数据分析通过数学模型的数据计算，结合空调外机实际工况，设计了3 组对比实验，分别测量管内流速为 0.10 m3/h、0.15 m3/h 和0.20 m3/h 工况下的实际进、出水温度（表 2）。表 2实验数据实际测得的进、出水温度及流速数据与传热模型计算数据相比较，数据基本相符，误差在 10%以内，可以证明建立的传热模型符合实际。5结论本文通过建立数学模型、数据计算和实验验证的方法，提出一种新型空调余热回收系统。本系统通过在现有空调室外机上图 1系统原理图 2空调余热回收器进出口温度参数名称设计值尺寸/（m伊m）0.4伊0.8管径/mm7管内流速/（m/s）0.173翅片管排数12每排长度/m0.47迎风面流速/（m/s）1.03换热量/W699进风温度/益50出风温度/益48.1表 1空调余热回收器设计参数图 3实验模型系统管道流量/（m3/h）环境温度0.1024.023.641.751.148.00.1524.023.638.151.048.00.2024.023.637.551.248.1回收器进水温度出水温度入风温度出风温度益骳髐髗设备管理与维修2023 翼9（下）0引言在国民经济整体获得长足发展的同时，对能源的需求也日渐增大，如空调系统在建筑结构中损耗了大量的能源，其能耗占建筑总能耗的 40%耀60%。制冷机组的运行一般处于部分负荷下，这不仅造成了机组的运转速率大幅降低，也导致机组资源过度损耗，影响其正常运转，因此需对传统的制冷机房开展节能改造。1项目概况某制药有限公司所占面积约 18 万平方米，主要负责营养物品和医疗器械的产出，还与生产车间、办公楼以及附属性建筑物等有密切关系。该公司机房配置了 5 项冷水机组（开利活塞机和开利离心机均为 2 台、特灵离心机为 1 台）作为制冷来源，一般为二期工艺空调体系供冷（负荷起伏较大）。鉴于使用机房的时长较长，某些机组的运转时间高达 20 年，其性能和运转效率明显降低，且该系统和管道实况较为繁杂，管道内均存有较大阻力。基础内主要通过二次泵体系来引入冷却水与冷冻水，这意味着冷冻水应经由一次泵重复流动在机组之内，再以二次泵将其加压输送至管路最末的部位。由一次泵把冷却水运至水箱后，再分别以冷机冷凝器械或有关施工工艺来再次冷却。基于节能层面的考量，机房改造完备后，其 COP（水泵和冷却塔也在内）均应在预设值 0.7 kW/RT 附近轻微浮动1。2制药厂房空调系统主要特点2.1温度、湿度要求严鉴于生产药品环境通常有着较为严苛的标准，与日常生活环境存在较大差异，因此在开展药品生产作业时，必须确保其湿度和温度能够符合工程标准。制药厂房净化空调系统必须高度精准地控制生产湿度和温度，这就要求系统具备多功能段的同时，也应该具备特殊的控制措施。净化空调系统和舒适性空调系统相比，后者在冬夏季开展室内参数计算时波动幅度较大。根据现有文献可知，当室内温度为 20耀26 益、相对湿度的变化在40%耀80%时，人体舒适性不会出现明显的差异2。2.2洁净度要求高生产药品时需保持较高的洁净度，随着我国持续改进药品生产实地环境的相关施工规定，也应为各类最新研发的药品生产性能配置更高规格的洁净度。其中制药企业应注重打造生产洁净度更佳的药品环境，若未能符合预设要求便会影响产品品质，但舒适性空调系统无需考虑上述工艺要求。2.3新风量需求不同制药厂房净化空调系统通常比舒适性空调系统的新风量要高，前者的新风量在符合室内人员舒适性要求的同时，还必须符合排风和正压的要求。而舒适性空调系统在调整新风量之时，主要参照 GB 501892005 公共建筑节能设计标准 规定为 10耀50 m3/（h 人）；GB/T 18832002 室内空气质量标准 确定室内新风量为 30 m3/（h 人）。3制冷机组系统节能潜力分析在整体分析节能潜力后，才能更好地推动检测和调研作业的开展，在工厂内部以用能系统和设施开展了检测作业和数据收集作业，并在施工现场勘察管道的分布状况，最后的技术交流活动与机组运转过程中的维护作业有关。经研究可知，该厂的中央空调系统在设计和实际运营过程中存有的节能潜力为：（1）鉴于制冷机组效率较低，运转所需时间较长且 COP 显著低于预设额定值，其能效也得到明显提升。此外，改造前选用的摘要：制药厂制冷机组多数时段均处于部分负荷下运转，这不仅降低了机组的运行效率，同时也导致能源过度损耗，影响机组的平稳运行。从具体工程实例出发，介绍制药厂房空调系统主要特点，阐述冷冻机房自控改造节能技术。改造前机房整体能效水平为1.28 kW/RT 左右，节能改造后为 0.73 kW/RT 左右。关键词：制药厂；机房能效；温度；湿度；新风量；节能改造中图分类号：TB66文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.09D.89制药厂冷冻机房自控改造节能措施赵树勇（深圳市卫光生物制品股份有限公司，广东深圳518107）增加 1 台翅片换热器和少量连接管路即可实现空调余热回收，简单高效、经济可行，为节能减排，实现“双碳”目标提供了一种新的解决方案，具有极高推广使用价值。参考文献1崔科，赵进良，付晓飞.数据中心空调冷却及余热回收系统技术分析 J.节能技术，2020，38（4）：379-384.2陈生春.中央空调余热回收在酒店的应用 J.能源与环境，2020（2）：90-91.3邸泓源，李恒凡.空调余热回收利用系统设计分析 J.低温与特气，2021，39（4）：24-28，38.4杨玉晶，何晓晖.空调余热回收改造研究与应用 J.中国新通信，2021，23（12）：150-151.5杨世铭，陶文铨.传热学（第 4 版）M.北京：高等教育出版社，2006.编辑张韵骳髐髙