冷水机组热回收与热泵热水机组相结合的效益分析

　文章编号 : ISSN1005 - 9180 (2008) 02 - 0072 - 04 Ξ 冷水机组热回收与热泵热水机组 相结合的效益分析 郑　就 ( 广东省水产学校 , 广州 510320 ) [摘要 ] 通过对热泵热水机组的年供热性能系数的计算、对医院热水用量的计算及不同热水机组的产热所 需的费用的计算 , 可以出冷水机组的热回收与热泵热水机组相结合所产生的经济效益是非常大的。 [关键词 ] 冷水机组 , 热回收 , 效益分析 [中图分类号 ] TU831 ; TU833 　　　　　　　　　　　　　　 [文献标识码 ] B Benefit Analysis on Combination of the Water Chiller′s Heat Recovery and Heat Pump Water Heater ZHENGJiu ( Guangdong Province Marine Products School , Guangzhou 510320 ) Abstract : Through the computation of annual hot water heating coefficient of performance of heat pump , hot water demand in hospital and the heating expenses of different water heaters , summarizes the economic benefit which water chiller’s heat recovery in combination with heat pump water heater produces is great1 Keywords : Water chiller , Heat recovery , Benefit analysis 1 　概述 利用制冷主机冷凝器的热回收技术回收原来由 冷却塔带走的热量 , 这样既可得到免费的热水 , 又 减少了冷却塔的排放热量 , 减少城市热岛效应 , 值 得提倡 ; 满足系统制冷的稳定运行是重点 , 如果从 冷凝器回收的热量还是不能满足需要 , 可以通过与 热水机组相结合 , 得到所需的生活或工艺热水。采 用空调系统冷水机组热回收与热水机组相结合技 术 , 在医院、宾馆、酒店、电子厂等将有非常大的 前景。本文重点分析的是冷水机组的热回收与热泵 热水机组相结合所产生的经济效益。 2 　空气源热泵热水机组的性能分析 目前用来制造生活热水的设备有 : 柴油锅炉、 燃气锅炉、电锅炉、太阳能及热泵等。采用燃煤锅 炉、燃气锅炉、电锅炉制备生活热水 , 能源消耗较 高 , 不环保。根据相比较 , 热泵热水机组在能耗、 环保等方面有着不可比拟的优势。 由于热泵运行方向与热机相反 , 因此运行实现 的是从低温热源吸取热量 , 故其可以充分利用环境 中的大量低位能余热及废热 , 提升其品位以供利 用。热泵在运行时虽然消耗了一定的高位能 , 但它 所供给的热量却是所消耗的高位能和汲取的低位能 之和 , 节约能源的效果是显而易见的。 由于热泵热水机组大多采用储水箱式系统设 计 , 储水箱的水温是由低至高变化的 , 故其冷凝温 度也是由低到高变化。而蒸发器所处的外界环境的 温湿度一年四季有较大的变化 , 所以热泵热水机组 总是处于变工况运行状态 , 评价其性能优劣应充分 考虑其变工况运行的特点 , 可以应用热泵热水机组 27　　　　　　　　　　　　REFRIGERATION 　　　　　　　　　　　 No . 2 , 2008 , JuneVol. 27 (Total No . 103 ) Ξ 收稿日期 : 2008 - 4 - 2 　　　作者简介 : 郑就 (1973 - ) , 男 , 师、讲师 , 硕士 , 研究方向 : 制冷与空调工程。E - mail : yizizj95 @sina. com ww w. zh ul on g. co m Administrator 新建图章 的长江以南地区各处环境的温湿度也有较大差别 , 因此拟建立热泵热水机组有关储水箱水温动态特 性、外界环境温湿度变化以及给水温度变化的热泵 热水器变工况性能仿真计算模型 , 计算分析广州地 区的热泵热水机组年供热性能系数。 根据某一热泵热水器的实际性能 , 取机械效率 0192 , 电动机效率 0188 , 则指示效率为 01777。得 出实际供热性能系数与蒸发温度、冷凝温度之间的 关系 : 　　　 COPpr = f pr ( to , tk) (1) 式中 : COPpr - 实际供热系数。 根据计算 , 该热泵热水器的实际供热性能系数 与蒸发温度、冷凝温度之间的关系曲线见图 1。 由图 1 可见 , 在同一蒸发温度下 , 随冷凝温度 的升高 , 实际供热系数显著下降 ; 随蒸发温度的降 低 , 实际供热系数也有明显下降 , 可见运行参数对 热泵热水机组的实际供热性能系数影响显著 , 在进 行经济性分析时必须考虑其影响。 图 1 　热泵供热性能系数与蒸发温度、冷凝温度的关系 3 　广州年供热性能系数的计算 广州年平均给水温度为年平均湿球温度 , 为 1911 ℃, 4 - 10 月年供热性能系数的计算见表 1。 表 1 　广州年供热性能系数的计算 i 1 2 3 4 5 6 合计 湿球温度范围 ( ℃) 316～715 715～1215 1216～1715 1716～2215 2216～2715 2716～3016 平均湿球温度 ( ℃) 614 1012 15 2012 2419 2813 时数 (h) 348 1515 1347 2315 3006 229 8760 所占比例 ( %) ( dτi ) 3197 17129 15138 26143 34132 2161 100 冷水温度 tW1 i ( ℃) 911 12 16 20 24 2617 蒸发温度 ( ℃) - 316 012 5 1012 1419 1813 起始冷凝温度 t c1 i ( ℃) 1411 17 21 25 29 3117 终止冷凝温度 ( ℃) 60 60 60 60 60 60 考虑室外气温不同时的用水量比例系数 112 1115 111 1105 1 0197 考虑水温不同时的用水量比例系数 1171 1157 1138 1119 1 0187 综合用水量比例系数 ki 2105 1181 1152 1125 1 0185 结霜供热性能修正系数 0190 1100 1100 1100 1100 1100 1100 COP 2165 3105 3179 4147 4131 4177 3165 　　广州地区空气源热泵热水机组年供热性能系数 COP达到 3165 , 在全社会面对能源短缺的今天 , 应在降低成本 , 提高性能的同时 , 大量推广使用。 4 　热回收与热泵热水机组的结合 如果从冷水机组冷凝器回收的热量不能满足需 要 , 可以通过与热泵热水机组相结合 , 得到所需的 生活或工艺热水。下面以广州某医院的使用实例进 行分析。 由于冷凝器的放热量与空调负荷变化是同步 的 , 而与生活热水的使用时间却难以达到同步 , 需 加设蓄热水箱 ; 热泵热水机组可以利用谷电制造热 水 , 一般也加设蓄热水箱 ; 另外 , 由于热水的需求 由冷水机组热回收和热泵热水机组来提供 , 因此 , 可以共用一个热水箱 , 并由热泵热水机组的微电脑 37 2 0 0 8 年 6 月 第 27 卷第 2 期 (总 103 期) 　　　　　　　　　　　制 　　冷 　　　　　　　　　　　　　　　　　 ww w. zh ul on g. co m 中央控制来进行定时定温智能控制。 在冷水机组的热回收中 , 由于回收的是冷凝器 的显热 , 热水的温度基本能达到 55 ℃, 可以通过 控制水的流量来控制水的温度 , 水的精确温度靠热 泵热水机组的微电脑中央控制系统来控制。广州某 医院的空调系统及热水系统如图 2 所示。 图 2 　广州某医院的空调系统及热水系统图 　　该医院工作人员等需用热水的共 1600 人 , 病 房 216 床。医院 4 - 10 月的平均湿球温度见表 2。 表 2 　4 - 10 月的平均湿球温度 月份 4 5 6 7 8 9 10 平均湿球 温度 ( ℃) 1817 2011 2214 2218 2218 2018 1418 　　 (1) 小时用水量 (按人数、床位计算) : 　　　Gh = m qt Ki/ T (2) 其中 : qt 表示用水定额 ; m 表示用水人数、床 位 ; T表示用水时间 ; Ki 表示综合用水量比例系数。 (2) 耗热量的计算即所需热水负荷 : 　　　Qh = CGh ( tr - t l) (3) 其中 C 表示水的比热为 4187 J / m3 K; tr 表示热 水温度 , ℃; t l 表示进水温度 , ℃。 (3) 4 - 10 月的冷水温度的曲线拟合 : 表 3 　湿球温度 ( ts ) 和冷水温度 ( tl ) 的关系 ts ( ℃) 15 2012 2419 tl ( ℃) 16 20 24 　　根据曲线拟合的 (线性) 最小二乘法 , 得 : 　　　 t l = 31833 + 0180 ts (4) 根据广州地区的气候条件 , 不同的建筑的热水 额度为 : 每日 , 一般人用水为 40L/ 人 , 病人用水 为 100L/ 人。热水温度按 55 ℃计算 , 每日用水的时 间按 13 小时计算。根据式 (2) 、(3) 、(4) 和表 (1) 、 (2) 、(3)及医院负荷来计算 , 得到冷水温度、热水 耗热量及每日热水耗热量与每日热回收量的差值 , 并计算 4 - 10 月该医院的热回收量及热水耗热量。 图 3 所示的是医院 4 - 10 月的热回收量与热水耗热 量的比较 , 其中曲线 A 所示的是医院 4 - 10 月的日 热水耗热量 ; 曲线 B 是医院 4 - 10 月的热回收量。 由统计可知 , 4 - 10 月的热水耗热量总量为 698314 kW , 4 - 10 月的热回收总量为 413816 kW , 4 - 10 月的热水耗热量总量与热回收总量的差值为 284418 kW。 4 - 10 月的热回收总量占 4 - 10 月的热水耗热 量总量的比例 Kr 为 : 　 Kr = 413816/ 698314 = 5912 % (5) 由此可知 , 4 - 10 月的热回收总量接近 4 - 10 月的热水耗热量总量的六成 , 因此经济效益较大。 若医院的 4 - 10 月的热水耗热量总量采用冷水 机组的热回收与热泵热水机组相结合来提供和其他 采用柴油锅炉、燃气锅炉、电锅炉等热水机组单独 提供的进行比较 , 则有 : 4 - 10 月的热水耗热量总 量为 698314 kW , 若进水温度为 20 ℃, 每小时产生 47　　　　　　　　　　　　REFRIGERATION 　　　　　　　　　　　 No . 2 , 2008 , JuneVol. 27 (Total No . 103 ) ww w. zh ul on g. co m 55 ℃的热水量 : 　　　G1 = Q1/ C ( t2 - t1) = 698314 ×316/ 　　　　　[4187 (55 - 22) ] = 171515 (吨) (6) 按机组每天运行 13 个小时计算 , 4 - 10 月可 产 55 ℃热水的总量 : 171515 ×13 = 2230115 (吨) 由图 3 可知 , 4 - 10 月的热水耗热量总量与热 回收总量的差值为 284418 kW , 若进水温度为 20 ℃, 每小时产 55 ℃的热水量 :　　　G2 = Q2/ C ( t2 - t1) = 284418 ×316　　　　　　/ [4187 (55 - 22) ] = 699 (吨) (7)按机组每天运行 13 个小时计算 , 由 4 - 10 月的热水耗热量总量与热回收总量的差值可产 55 ℃热水的总量 : 699 ×13 = 9087 (吨) 。表 4 是经济效益分析表。 图 3 　4 - 10 月的热回收量与热水耗热量的比较 表 4 　经济效益分析表 燃料方式 燃料价格 理论热值 综合利用率( %) 热水成本 (元/ 吨) 4 - 10 月产热水 的费用 (万元) 维护保养费 用 (万元/ 年) 使用年限 (年/ 台) 柴油锅炉 5139 元/ kg 10200kCal/ kg 80 23112 5116 6 5 - 10 液化石油气锅炉 516 元/ kg 45217kJ/ kg 70 25193 5718 7 4 - 6 热泵热水机组 + 热回收机组 1 元/ kWh 3600kJ/ kWh 300 14129 1819 4 10 - 15 电热水锅炉 1 元/ kWh 3600kJ/ kWh 95 4218 9515 4 3 - 5 　　由表可知 , 采用冷水机组热回收与热泵热水机 组相结合来提供热水 , 可产生非常大的经济效益。 5 　结论 通过对热泵热水机组的年供热性能系数的计 算、对医院热水用量的计算及不同产热所需的费用 的计算 , 可得到以下的结论 : (1) 热泵热水机组供热性能系数较高 , 经济效 益较好 , 应大力推广 , 尤其是在我国南方地区。 (2) 采用冷水机组的热回收与热泵热水机组相 结合来提供热水 , 可产生非常大的经济效益。 6 　参考文献 [1 ] 郑就 1 空调系统冷水机组的热回收与热水机组的耦合 [D] 1 华南理工大学 , 2007 [2 ] 王生软 1 空气源热泵热水器冬季性能实验研究 [J ] 1 制冷 , 2007 , 26 (3) : 15 - 17 [3 ] 胡汉成等 1 浦东大酒店的中央空调冷凝热回收 [J ] 1 上海节能 , 2005 , 4 : 87 - 88 [4 ] 叶卫平等 1Origin 710 科技绘图及数据分析 [M] 1 机 械工业出版社 , 2004 : 56 - 80 [5 ] 郑咸义 1 计算方法 [ M] 1 华南理工大学出版社 , 2003 , 9 (1) : 149 - 171 57 2 0 0 8 年 6 月 第 27 卷第 2 期 (总 103 期) 　　　　　　　　　　　制 　　冷 　　　　　　　　　　　　　　　　　 ww w. zh ul on g. co m Text1: Text2: Text3: Text4: