复合太阳能的空调冷凝热回收技术

上海海事大学商船学院 ■ 刘家林 郑学林

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，是经济社会发展的重要支撑，也是世界各国面临的大问题[1]。我国能源总量供不应求，供需差距越来越大，供需矛盾日益突出。同时由于粗放型增长的经济模式，能源利用效率低，污染和浪费现象严重，我国的能源利用率仅为33%。因此，节约与合理的利用能源已经成为我国的一大热点问题。暖通空调工程作为主要用能技术之一，必须立足于能源的合理利用和有效的节能措施。

一 冷凝热回收的意义

空调的冷凝热是空调系统制冷量与制冷机输入功率之和。空调设计中一般取冷负荷指标为100～150W/m2，压缩式的冷凝热量一般为冷负荷的1.3倍左右，吸收式的冷凝热量一般为冷负荷的2.5倍[2]，可见，制冷机的冷凝热是相当庞大的。通常情况下，空调冷凝热直接排入到大气，造成能量巨大浪费[3]，直接加剧了室外大气的热污染和城市的“热岛效应”[4]。

冷凝热回收，一方面可减轻大气环境污染，改善生态环境[5]；另一方面，对于水冷冷水机组而言，可减少冷却塔的散热量，节省系统冷却塔风机的耗电量[4]。

目前，在一些特殊场所，例如瑞典的一些大型商场，食品的储藏间需要制冷，而经营场所往往却需要加热。这时，常常把回收的冷凝热用于加热经营场所的空气，可为人员提供舒适的工作条件[6]。但冷凝热回收主要用于提供生活热水和再生除湿干燥剂。宾馆、医院、学校等公共场所，每天需要大量的生活热水。通过回收的冷凝热对水进行预热或加热，可降低煤气、电能、煤等高品位能源或化石能源的消耗，从而达到节能和可持续发展的目的。

在干燥工业以及房间除湿领域中，常常需要移除干燥剂吸收的水分，即实现干燥剂的再生，从而能够使干燥剂连续不断进行除湿。利用回收的冷凝热再生除湿干燥剂，同样可达到节约其他能源的目的。

近年来对冷凝热的回收越来越多，但复合太阳能的冷凝热回收技术研究较少。在这种情况下，提出了一种复合太阳能的冷凝热回收技术，以期达到更好地充分利用低品位能源的目的。

二 空调冷凝热回收系统

1 冷凝热热回收的分类

冷凝热利用方式主要可分为直接式和间接式。直接式是指制冷剂从压缩机出来后进入热回收器直接与自来水换热制备生活热水。间接式是指利用常规空调的冷凝器侧排出的高温空气或37℃的水来加热制备生活用水。间接式由于要增加的设备比较多，换热效率比较低，所以该技术不易推广。

直接式又可分为两类：一种是只利用压缩机出口蒸汽显热，蒸汽显热一般占全部冷凝热的15%左右，按照热水的需求量和显热量计算得出热回收器的片数，其他冷凝热在冷凝器中被冷却水带走；另一种是利用全部的冷凝热。由于前者只利用蒸汽显热，热回收器的压降比较小，使得冷凝器中压力比较稳定，对制冷影响比较小。

2 空调冷凝热热回收技术的研究现状及进展

随着我国国民经济的发展和人们生活水平的提高，我国空调的普及率迅猛增长。同时，由于人们生活习惯的改变和对清洁卫生要求的提高，住宅建筑越来越重视卫生生活热水的供应。而目前国内家庭日常生活中所需要的热水供应大部分通过专门的热水加热器来提供。近年来，我国对空调系统冷凝排热热回收制备生活热水等的研究越来越多。我国近年来研究应用的冷凝热热回收形式主要有以下几种：

(1)双冷凝器热回收技术

龚七彩、常世钧等人[6～9]从实用的角度分析了冷凝热热回收，并提出了双冷凝器热回收技术，如图1所示。双冷凝器热回收技术是在压缩机和冷凝器之间加置一个热回收器(冷凝器)回收冷凝热，从热交换器流出的汽－液状或气态的制冷剂，由后面的冷凝器吸收其余热量。该技术可根据要求直接回收制冷机组的制冷剂蒸汽显热，或显热与部分潜热相结合来一次性加热或循环加热到水的指定温度。该形式主要应用于中央空调冷水机组。

家用空调器在我国应用广泛，数量多，是热回收的重要方向之一。林宏[10]对家用空调冷凝热的回收利用进行了探讨。之后，江辉民等[11]提出了家用空调器常用的热回收技术(图2)。该技术是将空调器中压缩机排出的高温高压的制冷剂蒸汽注入到热水换热设备中进行热交换，加热生活热水。若换热器的换热能力能独立承担所有的冷凝热量，则无需使用风冷冷凝器，反之就要同时使用风冷和水冷冷凝器来承担所有的冷凝负荷。

(2)热泵回收技术

余颖俊、王梦云[12]就冷凝热的回收途径及可行性进行了探讨。由于空调制冷中冷却水温度一般在30～38℃，属低品位热能。要充分回收需要热泵技术，需要由制冷机与热泵机组联合运行构成一套热回收装置。该装置把热泵的蒸发器并接到制冷机冷却水回路，比较适合在现有的空调冷却水系统中进行改造，控制也比较容易实现。

尹应德等人[13]提出了典型的间接冷凝热热回收形式。当冷水机组和热泵同时工作时，可通过控制冷却塔风机的启停来控制冷却水回水温度。通过电动三通阀控制冷却塔的冷却水流量和热泵蒸发器的流量比例，使热泵的蒸发器出水温度低于32℃，以保证冷水机组的正常运行。该方式是在原系统并联一套热泵机组，把冷凝热作为热泵热源来制备热水。

热泵回收冷凝热技术比较适合在现有的空调系统改造中应用，但投资较大，运行费用高。由于控制复杂，应用时容易出现问题，热水温度往往达不到设计温度，影响利用效果。

(3)利用相变材料回收空调冷凝热

西安交通大学的刘红娟等人[14]提出利用相变材料回收空调冷凝热热回收形式。热回收用蓄热器代替双冷凝器热回收技术中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。热回收用蓄热器中相变材料的温度受冷凝温度影响。开始时，常规风冷冷凝器(或冷却塔回路)关闭，热回收蓄热器利用制冷剂过热段的显热和冷凝潜热对相变材料进行加热，此时冷凝压力随热回收蓄热器中相变材料温度的升高而升高。当系统冷凝压力达到限定值时，开启风冷冷凝器以释放多余的制冷剂冷凝潜热，降低系统的冷凝压力。此时热回收蓄热器仍能利用蓄热器管内流过的气态制冷剂过热段的显热放热加热相变材料，进一步提高相变材料的温度。当相变材料温度达到某一设定值后(可利用相变材料温度自动调节器测得)，系统恢复原冷凝器(冷却塔)冷凝运行模式。

目前相变材料回收空调冷凝热应用中还存在着一些问题：首先，相变材料回收空调冷凝热技术中的蓄热器在国外已广泛应用，在我国也逐渐发展起来，但对高效率、低成本的相变蓄热器的设计计算尚无统一的方法，因此，对蓄热器的设计也处于摸索阶段；其次，我国对蓄热材料的开发有待进一步加强。对蓄热物质的要求是：热容量大、蓄热能力强，化学稳定性好，熔点低，对人体、动植物无害、价格低廉；最后， 应尽可能使制冷装置在较低的冷凝温度下运行。在设计中选取的冷凝温度是定值，而实际运行中的冷凝温度是变化的。冷凝温度与环境温度有关，不仅随季节变化，且每天昼夜也在不断变化。因此，在设计时应充分考虑各种不利因素，选择适当的冷凝温度，保证制冷装置在高效率下节能运行。

三 复合太阳能的空调冷凝热回收技术

1 复合太阳能的空调冷凝热回收热水供应系统

由于单靠回收冷凝热加热生活用水，难以保证生活热水供应的可靠性，必须有其他的辅助热源，并在冷凝热回收系统中匹配一定容量的蓄热水槽。通常的辅助热源为电能、燃油、燃气、生物质燃料等。在我国南部地区，通过对空调冷凝热的回收，全年可提供约70%的生活热水，但仍有约30%的热水需要其他能源来获得。

近年来，太阳能产业迅速发展，我国已成为太阳能热水器生产和安装数量的最大国，但普及率比发达国家较低。单靠太阳能全年能够保证55%的生活热水供应量。太阳能热泵供水系统以其独特的优越性受到人们越来越多的关注。而太阳能冷凝热回收系统的研究相对较少。若能把太阳能和冷凝热联合起来加热生活用水，必会更进一步减少能源的消耗，并且提高水温。

鉴于目前我国大多数安装空调的地方，也安装有太阳能热水器，只需对其管路进行改造，其经济效益与生态效益会十分显著。

(1)普通太阳能热水系统

太阳能热水系统可分为分体式系统、紧凑式系统和整体式系统等。由于对太阳能和建筑结合提出了新的要求，因此分体式太阳能热水系统应用越来越广泛。而分体式太阳能热水系统恰恰更易与空调冷凝热回收系统联合。图3为分体式太阳能热水系统的原理图。若管路中加泵，可把水箱放置在室内等其他较低的位置。

(2)复合太阳能的冷凝热回收生活热水系统

从图4所示的分体式太阳能热水系统原理图可以看出，在水箱与集热器之间有一段上循环管和一段下循环管，倘若把这两段管中的一段与空调冷凝热回收系统中的热回收冷凝器进行换热，就可充分利用太阳能和冷凝热来共同加热热水，降低辅助加热器的能量消耗。由于下循环管与热回收器的传热温差较大，因此把热回收器与下循环管路换热。

与单纯的冷凝热回收系统相比，复合太阳能的冷凝热回收虽能够减少其他高品位、化石能源的消耗量，但仍避免不了采用辅助能源。这是因为：一方面，在早晨用水时，一般空调未工作，且此时太阳能利用最弱；另一方面，在阴雨天气也存在类似的问题。因此，必须设置辅助能源，且能够满足满负荷热水供应。如果配备保温性能良好的蓄热水箱，把多余的热量储藏的热量转移到早晨使用，会在一定程度上解决需水与供水的不同步问题。

由于存在上述问题，冷凝热回收系统无法简化，但在冬季，可使下循环管不经过热回收冷凝器，设置旁路使水经过水箱直接进入到集热器。此时，系统将成为两套互不干涉的热泵系统和太阳能热水供应系统。

2 复合太阳能的冷凝热回收再生干燥剂的除湿系统

(1)太阳能－除湿机联合干燥系统

在上世纪80、90年代，通过利用直晒式太阳能再生装置和间晒式太阳能再生装置，用于再生固定干燥剂(硅胶)，可对芳香挥发性物料进行干燥。福建省林业科学研究所通过太阳能－除湿机联合装置对木材进行干燥，获得了良好的节能效果。

(2)复合太阳能的冷凝热回收再生干燥剂的房间空调除湿系统

在热带国家，例如泰国，为维持家庭房间的舒适性，空调消耗的电能占家庭总用电量的70%，用于除去房间的显热和潜热。为减少潜热，可在传统的空调系统中加入除湿过程。而除湿系统中干燥剂的再生过程，必须有额外的能量输入。通常用回收的冷凝热对干燥剂进行再生，考虑到太阳能资源的优越性，可通过联合太阳能和冷凝热来共同再生干燥剂。

图5为一套复合太阳能的空调冷凝热回收再生干燥剂系统，该系统中主要由房间、除湿和再生机组、空气混合机组、空调系统和太阳能光伏/热空气热聚集器五部分组成。该系统把太阳能聚集的热量和冷凝器中回收的热量进行混合用于再生干燥剂，可降低18%的空调系统耗电量。通过不断移除集热器上面的热量，能够使太阳电池在较低稳定的温度下工作，提高了电能的输出，增加6%的电能。

该系统具备的优势：太阳能丰富时，空调工作，冷凝热和太阳能共同提供再生热量，能够完成干燥剂的再生，而不需要其他辅助能源。

3 复合太阳能－热泵热回收技术的最新研究进展

太阳能－热泵是一种把太阳能作为低温热源的特殊热泵。在太阳能热泵中，太阳能技术和热泵技术相结合，弥补了两种系统各自的缺点，并以其节能、高效等诸多优点备受各国研究人员的注意和研究。

(1)国内对复合太阳能－热泵技术的研究情况

国内关于太阳能热泵方面的研究起步较晚，但在短短的十几年时间内，上海交通大学、天津大学、青岛理工大学、上海交通大学等在此方面的研究取得了丰硕的成果。

天津大学的赵军等人对串联式太阳能热泵供热水系统分别进行了实验研究和理论分析，结果表明，其所建立的实验系统一年四季均能可靠运行，能够稳定地向用户提供50℃生活热水，COP达到2.64～2.85(冬季)，2.61～3.5(夏季)。

青岛建筑工程学院实验设计开发了单层盖板的平板集热器并进行了实验研究，在整个供暖测试期间，尽管室外温度在-10～4℃变化，室内温度仍能保持在16～22℃，平均为19.32℃。经过计算得到，平均集热效率高达67.2%。

上海交通大学建立了直膨式太阳能－热泵供热水系统实验台，结果表明该系统在各种天气情况下均能可靠地生产50℃的生活热水(热水平均温升达30℃以上，日均耗电量为1.68kWh，平均COP达到3.1)，说明其热性能较为稳定，且具有明显的节能效果。同时做出了直膨式太阳能－热泵热水器实验样机，在室内模拟光源0～1000W/m2下，可得出热水平均加热功率为1.04kW，热泵平均COP为4.18。

2006年上海交通大学李郁武等人针对自行设计、建造的“直膨式太阳能－热泵热水器”实验样机进行了春季运行工况的实验研究。结果表明，在环境温度均值20.6℃、太阳辐射强度均值在954.59W/m2的室外气象条件下，将150L水从13.4℃加热到50.5℃只需94min，热泵供热性能系数达到6.61。

哈尔滨工业大学的余延顺等人针对太阳能－热泵系统的各种不同运行工况进行了分析研究，得出动态运行工况下总集热量和集热效率较静态运行工况分别提高23.1%和22.7%的结论。

上海水产大学自行设计、建立了直接膨胀式太阳能－热泵系统实验装置，并进行了春季运行工况下的实验研究。结果表明，在空气温度为22～24℃，太阳能辐照度为700～1000W/m2的室外环境下，该系统的热泵性能系数COP达到了2.50～3.35。根据典型实验数据，讨论了太阳能辐照度、环境温度、冷凝温度等各参数对系统的热泵性能系数和集热效率的影响。并利用平衡均相理论建立了太阳能集热器的数学模型。根据测定的环境参数对该系统进行了模拟计算。结果显示，裸板式太阳能集热器所在系统的COP可达5.0～5.8；认为若要改善此直膨式太阳能热泵系统的COP，可采用加装透明盖板和背面设保温结构的太阳能集热器及太阳能集热器多组并联的型式。

(2)国外对太阳能－热泵的研究情况

国外有学者对带储热罐的太阳能－热泵系统进行了一些理论和实验研究。O.Camakh等人利用实验数据建立了带热储罐的太阳能－热泵的热力学模型，通过模拟计算发现储能罐内的水量以及水与相变材料的接触面积对储存在罐中的热量种类(显热或潜热)的作用正相反。Viovel Badescu给出了用于空间加热的太阳能－热泵的显热储热罐的建模方法。他的初步研究结果表明：小型热储罐单位时间内可向热泵蒸发器提供更多的热通量，使得小型热储罐可在负荷高的时段快速放热；而对较大的储热罐，虽热通量逐渐减少，但可长时间放热；随着储热罐尺寸的增大，热泵的COP值和放射效率降低，同时每月的储热罐储热量和热泵能耗都要增加。M.N.A.Hawlader等人在研究中发现，压缩机转速、太阳辐射、集热器面积和储罐容量对系统的性能影响很大，且保证集热器/蒸发器负荷同压缩机转速之间的匹配也很重要。R.Yumrutas等介绍了一种太阳能－土壤耦合式热泵系统。该系统由平板式太阳能集热器、热泵、位于地下的半球形季节性表面储能罐和住宅构成；研究人员使用分析计算的方法对该系统一年中的运行情况进行了追踪和分析，发现土壤类型对年能量损耗的影响很小，但对储热的瞬时温度和热泵的年COP值影响很大。R.Yumrutas等人提出，对于承担100栋住宅负荷的系统，当储热罐半径超过25m后，继续增大储罐半径没有意义；并且在该项研究中，位于地面1m以下的表面式储罐继续增大埋深对系统年性能影响很小。

(3)复合太阳能－热泵技术的应用

复合太阳能－热泵系统集热成本低、 系统结构紧凑、 能耗比高、应用范围广，国内外学者对其进行了大量的应用研究和推广工作。

近年来，日本、美国、瑞典、澳大利亚等发达国家实施了多项太阳能热泵示范工程，将太阳能热泵技术应用于宾馆、住宅、学校、医院、图书馆以及游泳馆等，都取得了一定的经济效益和良好的社会效益。一些公司在太阳能－热泵产品的产业化发展方面取得了成功，例如美国的Solar King系列太阳能－热泵供热设备以及澳大利亚的Quantum系列太阳能－热泵热水器等就是比较典型的产品范例。

在我国，许多学者在多个领域对复合太阳能－热泵技术的应用进行了深入研究。近些年来取得的研究成果不仅充实了太阳能－热泵理论，而且也为太阳能－热泵系统的设计和研究提供了有益的指导经验。

目前，我国复合太阳能－热泵技术主要应用在公共建筑物上，例如，北京奥运村和奥运场馆的生活热水和加热的能量都采用太阳能－热泵供热系统。西藏驻军某医院也利用这种系统为医院手术室和病房提供热水，效果良好。

四 结论

通过分析可知，与普通的冷凝热回收系统相比，复合太阳能的冷凝热回收热水供应系统具有明显节能和较高能源利用率的特点。同时，也给在暖通空调节能方面的研究指明了方向。鉴于太阳能资源的优势，日益倡导的环保和节能理念，人民群众对于高品质生活的追求，相信复合太阳能的冷凝热回收系统会越来越成熟，越来越广泛地应用在我们的生活中。特别是低品位能源、余热利用型热泵技术及太阳能技术的结合，将对降低我国建筑能耗和采暖空调能耗问题产生深远的影响。

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