复合冷凝技术在建筑冷热源的应用
1 复合冷凝技术
基本原理
建筑冷热源通常为冷水机组或热泵机组。冷水机组和热泵机组的工作通常通过工质循环完成,工质循环过程中释放的冷凝热很丰富[1、2],但是当前建筑冷热源的冷凝热往往得不到利用,造成了能源的浪费。
热泵是一种效率很高的热能机械,热效率>1[3~5],热泵热水装置即利用热泵制备生活热水的热水设备。热泵热水装置中热水吸收的热量大于热泵消耗的高品位能量,而传统的热水设备——锅炉,其热效率<1[6~13]。热泵热水装置的造价较高,因此我们将热泵热水装置与冷凝热回收装置结合[14~16],共用一部分基本设备,不但能提高设备的利用率,降低造价,而且能发挥热泵热水装置的节能性,冷凝热回收装置的优点也将更加明显[17~27]。
在综合热泵热水装置与冷凝热回收装置的基础上,并充分考虑到冷热源中基础设备的公用性,提出了一种新型的建筑冷热源冷凝热利用技术——复合冷凝技术。复合冷凝技术是在冷热源机组压缩机的冷凝端采用风冷+水冷或水冷+水冷的冷凝技术,取代建筑冷热源传统单一的水冷、风冷的冷凝方式。即在制冷工况下,采用水冷+水冷或风冷+水冷的复合冷凝方式,有效利用部分冷凝热制备生活热水;在制热工况下,采用水冷+水冷或风冷+水冷的复合冷凝方式,利用冷凝热供暖和制备生活热水。采用复合冷凝技术的建筑冷热源既具有冷凝热回收的优点,又可提升热泵的节能性,使冷凝热得到充分利用。
水冷+水冷复合冷凝模式
采用水冷+水冷复合冷凝模式的水冷式冷水机组系统流程见图1。采用水冷+水冷复合冷凝模式的水冷式冷水机组拥有2台冷凝器组成的水冷+水冷的复合冷凝模块,它可以灵活地根据生活热水负荷全部或部分回收冷凝热。水冷+水冷复合冷凝模式既能够满足用户对生活热水的弹性需求,又不影响冷水机组的性能。
压缩机出口的工质温度一般高于65 ℃。如果在压缩机与原冷凝器(冷凝器2)间加设一台换热器作为生活热水的加热器(冷凝器1),就可利用冷凝热制备生活热水。一般情况下,冷凝器1出口的工质为气液混合物,气液混合物在冷凝器2中进一步冷凝至液态。冷凝器1对工质的冷凝焓降进行了再分配[9]。
由于采用水冷+水冷复合冷凝模式,热源机组的冷凝能力提高,工质的过冷度增大,冷热源机组的输入功率、制冷量及蒸发器负荷会上升。为保证热泵机组在设计工况下运行,合理分配两台冷凝器的冷凝负荷就成为水冷+水冷复合冷凝技术的关键。既要使冷凝器1得到足够的换热量以满足生活热水负荷的需求,又必须给予压缩机出口工质适度的冷凝,避免由于冷凝不足而引起的压缩机排气温度过高或由于过冷而发生压缩机湿压缩现象。其中,存在一个最优的工况点能够在最小寿命周期成本和最优机组性能之间达到平衡
采用水冷+水冷的复合冷凝模式的优点为:制备生活热水时不另外耗能,在夏季时可以停开或少开热水锅炉,降低了运行成本;由于水冷式冷水机组的压缩机排气温度通常都在65 ℃以上,经冷凝器1加热的生活热水温度通常能满足用户要求,冷凝器经优化设计后,生活热水的进出水温差可高于30 ℃;提高了冷水机组的制冷性能系数,能效比也得到了提高;改造后各类活塞式、螺杆式、离心式水冷冷水机组运行稳定,特别是大容量高速离心(单级)制冷机组,改造后压缩机运行平稳,运行时不再发出尖啸声。
风冷+水冷复合冷凝模式
风冷+水冷复合冷凝模式是在冷热源机组压缩机的冷凝侧采用风冷+水冷的冷凝方式,这种方式主要用于对原来采取风冷的冷热源机组的改造,例如风冷热泵机组等。采用风冷+水冷复合冷凝模式的风冷热泵机组系统流程。
采用风冷+水冷复合冷凝技术的风冷热泵机组可按照生活热水负荷,通过水冷式冷凝换热器1回收冷凝热加热生活热水,运行工况为:
a. 制冷+生活热水工况
此工况适用于建筑物内同时有供冷和生活热水需求,循环泵及截止阀1、2开启。冷凝器2冷却风扇的启停通过生活热水水温控制,当生活热水水温较低时,冷凝器2冷却风扇关闭,冷凝器1起主要冷凝作用,冷凝热主要用于加热生活热水;当生活热水水温较高时,冷凝热不能全部被生活热水带走,冷凝器2冷却风扇开启,冷凝器1、2同时工作。
b. 制冷工况
截止阀1和循环泵关闭,截止阀2、冷凝器2冷却风扇开启,采用单一风冷模式。
c. 制热工况
四通阀换向变为制热循环流程,截止阀1和循环泵关闭,截止阀2、冷凝器2冷却风扇开启。
d. 生活热水工况
此工况多用于过渡季节或冬、夏季的部分时间,当建筑内不需要开启空调设备进行供暖或制冷,而又有生活热水的需求时,热泵机组可以充分利用冷凝热加热生活热水。四通阀换向变为制热循环流程,截止阀1、循环泵及冷凝器2冷却风扇开启,截止阀2关闭。在冬、夏季部分时间不开空调时,可以采用这种方式来加热生活热水,使机组的运行模式更加灵活,特别是在过渡季节采用这种方式加热生活热水,节能效果显著。
采用风冷+水冷复合冷凝模式的优点为:热泵机组集制冷、供暖、供生活热水功能于一身,可常年根据建筑物内不同冷热负荷的要求,实现冷凝热的充分利用,在各个工况下运行能效比高,建筑冷热源机组的全年运行能耗大大降低,节能效果显著;由于热泵机组的功能实现了一体化,使冷热源设备的造价降低,能耗的节约使年运行费也大幅降低;缓解了冷热源对环境的热污染和城市的热岛效应,环境保护和社会意义深远。
2 复合冷凝技术的试验研究
采用复合冷凝技术的风冷热泵机组
采用复合冷凝技术的风冷热泵机组的试验系统见图2,压缩机额定输入功率为2.6 kW,工质为R22,储水箱的净容积为100 L。受压缩机排气温度和排气压力上限的限制,夏季制冷+生活热水工况和过渡季节生活热水工况的生活热水最高温度设定为60 ℃,冬季生活热水工况的生活热水最高温度设定为50 ℃。
采用复合冷凝技术的水冷冷水机组
采用复合冷凝技术的水冷式冷水机组的试验系统见图1。我们选择长沙市某四星级饭店的活塞式水冷冷水机组为试验对象,工质为R22,于2001年对其进行了改造。改造前由热水锅炉全年供应生活热水。改造后热水锅炉夏季关闭,通过回收冷凝热单位时间生产温度为50 ℃的热水6 t/h。改造前制冷性能系数为1.5~2.3,改造后为2.0~3.2,这说明改造后冷水机组的性能得到较大改善。