热管换热器回收空调余热系统的分析

王慧

（合肥工业大学，安徽宣城 242000）

王慧.热管换热器回收空调余热系统的分析[J].重庆建筑，2019（7）：23-25.

0 引言

在空调的制冷系统中，冷凝器通过做功换热，将高温高压的气态制冷剂与外界的空气做热交换，将其变为低温的液态形式，如果任由这部分热量通过冷凝器排放至冷却介质即自然环境中，会对室外环境造成热污染，加重温室效应[1]。这部分热量也会增加空调冷凝器的热负荷，如果将这部分热量回收起来，可以有效减少环境热污染，也可以减轻空调热负荷，将会带来非常大的环保效益[2]。 若将这部分热量进行再利用，如作为生活用水的热源，还能节约部分用于加热生活用水的能源，带来较为可观的经济效益。

1 热管换热器的优势

现有的热回收装置种类众多，有热管换热器、转轮式换热器和板翅式换热器等，下面对它们一一进行比较。

1.1 热管换热器

热管换热器换热效率较高，设备费用适中，占用空间小，冷热换热对象隔离性能好，不产生交叉污染。而且热管换热器不需要辅助设备，抗冻能力较好，可应用于温度变化较大的环境中。其接管灵活，施工方便简易，对于后期的维修护理较为方便。

1.2 转轮式换热器

转轮换热器由转芯、传动装置及调速装置组成。转芯呈蜂窝状，它是主要工作部件。转芯由金属基体和储热性能良好的添加物组成，目前较为成熟的制作方法是以铝箔为基体，混合有硫酸钠、氯化钠和氯化铿等吸热剂和吸湿剂。换热器的内部设有分隔板，上方通冷风，下方通热风，两者逆向流动。换热器工作时，转芯转动，其上具有吸热储热吸湿功能的涂层吸收热风中的热量与水蒸气，当该部分涂层遇到冷风，在温差与水蒸气分压差的作用下将热量放出，实现了热交换。

转轮式换热器对密封性能要求较高，且换热过程较为缓慢，需要额外的电能使转芯旋转工作，使用成本相较于热管换热器较高。

1.3 板翅式换热器

板翅式换热器的芯体翅片是由多孔纤维材料制成，并作为两换热对象之间的分隔板。分隔板是多孔纤维材料经化学加工后制成波形薄板，薄板彼此交叉堆叠后胶合而成。分隔板具有较强的传热能力，当隔板两侧的流体存在温差时即可进行热交换。但由于芯体翅片对流体的流动有阻碍作用，随着芯体翅片的密度增加，流体的压降也会加大，系统为克服压降将额外做功，当两侧流体的温差不大，回收的能量较少时，将得不偿失。

2 设计系统

2.1 热管换热器工作原理

在热管内的蒸发段，液态工质吸收外界热源热量后，产生汽化潜热，进而发生相变变为液态。产生的蒸汽密度较低，在管内压差的作用下，上升至冷凝段，蒸汽遇到低温壁面及外部冷源后，重新凝结成液体，液化时放出潜热，并通过管壁将热量传递到外部冷液体，而管内液化后的液态工质在重力作用下回流到蒸发段，再次进行吸热蒸发。如此循环反复，实现对外部冷热两种介质的热量传递与交换[3]。

热管换热器分为气-液式、液-液式、液-气式、气-气式等，该系统采用气-液式热管换热器，利用重力使液体介质回流。我们采用热管换热器是由于其效率较高，设备费用适中，易于维护保养，占用空间小，不产生交叉污染，不需要辅助设备，抗冻能力较好，符合我们改造管道的需求，接管灵活，施工起来方便简易。图1、图2为简略的热管换热器的工作原理示意图。

图1 换热装置结构图

图2 热管换热器结构图

2.2 空调冷凝器负荷

空调由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器四个部分组成。冷凝器是空调系统里的高温换热组件。在制冷过程中，高温高压的气态制冷剂从压缩机中传送到冷凝器中进行冷却液化，将吸收的热量与外界的空气进行热交换，但是在实际中冷凝压力由于流动阻力而有所损失，会产生一定的变化，那么冷凝温度由于冷凝压力的变化也发生了一定变化，冷凝温度的变化会导致冷凝器的工作效果不稳定[4]。而冷凝器处冷凝温度过高会增加冷凝器的热负荷，减少冷凝器构件使用寿命，也会降低冷凝效率。如果在冷凝器处加上回收热量装置，可以解决上述问题，对冷凝器起到保护作用。基于此，我们提出了空调余热回收系统。

2.3 余热回收系统工作原理

余热回收系统由空调机组的制冷系统、热回收换热器、储热水罐及与其配套的管路与阀门组成。图3为余热回收系统的工作原理图。

图3 余热回收系统结构图

余热回收系统包括进水管、空调冷凝器、换热装置、出水管及储热水箱。

以夏季空调工作状况为例，夏季空调冷凝器排热携带着大量热量，我们在原有的空调冷凝器外安装一个汽-液热管换热器，以收集这部分热量。待加热的冷水首先从进水口进入，通过管道到达该换热器，利用其液体介质汽化吸热冷凝放热的性质，将空调冷凝器排热中的热量传递到冷水中。冷水直接通入换热器，经过加热后从出水管输出流入储热水罐中储存以供使用。

评价制冷空调系统的性能指标，特别是对于热回收系统，应该建立一个包含有效制冷量和有效热回收量的综合能效比IEER，热回收蓄能空调系统的IEER定义如下：

其中各运行模式下的综合能效比单制冷IEER1、制冷带热回收IEER2分别如下所示：

式中：Qh为热回收量，W；W0为机组耗功量，W；Qe为机组制冷量，W；Qloss为压缩过程其他消耗量，W；h1为压缩机吸气状态下制冷剂的比焓，J/kg；h2为压缩机压缩终点制冷剂的比焓，J/kg；h3为热回收换热器出口状态下制冷剂的比焓，J/kg；h4为采用热回收装置的制冷剂过冷液体的比焓，J/kg。图4为热回收系统热力循环压焓图。

图4 热回收系统热力循环压焓图

由此可见，制冷带热回收的综合能效比比单制冷的综合能效比要高，而且空调放出热量越多，热回收系统效能比越高。

2.4 设计注意事项

热管换热器的安装要严格按照设计要求进行，我们所选的是气液式热管换热器，要垂直放置。换热器分隔板与热管之间不能有空隙，要连接严密，防止气液交叉污染。对热管要进行排查，防止热管换热介质的泄露，污染水源。对于此系统在公共建筑处安装时要注意管道的排布，注意气体顺流。

3 节能环保分析

3.1 空调余热造成的热污染

热污染是指人类在生产或生活中排放的废热所造成的环境污染。热空调就是污染源之一[5]。空调通过制冷装置做功，将室内的热量转移到室外，使室外温度局部升高，当大量空调同时工作时，其产生的大量废热聚集起来，在短时间内无法扩散，这样就造成了热污染。那么，通过热管换热器对空调废热的再回收，就能减少热量排放量，从而降低空调的热污染影响。

3.2 空调余热的回收再利用能有效地节约能量

余热回收系统加持到空调中，将会加强制冷空调冷水机组冷却效果，降低冷凝压力，从而降低冷却机组的电损耗。不仅如此，回收的空调余热可以作为新的热源为其他装置提供热量，不仅可以减少其他装置（如家用热水器、供暖锅炉等）的燃料使用量，还可以减少因使用新的热源而产生的污染废料。

4 应用场合

考虑到热管换热系统的经济性与最大换热效率的工况条件，该系统适用于空调集中化程度高的场合。由于空调集中化程度高，制冷系统也就相对集中，余热排放密集，这就与热管换热器中的冷液体工质存在较大的温度梯度，提高了回收效率。

4.1 热管换热系统回收空调余热加热列车水箱

列车空调产生了大量的余热，回收后，可作为水箱的预热热源。在空调冷凝器外加设换热系统，以回收冷凝器排放的余热，通过换热器将热量传输给水箱，从而达到余热利用的目的。该系统适用于普通列车、高铁、动车等具有空调装备的列车组，对列车进行小型改造便能起到节约电能的作用。

4.2 热管换热系统用于办公楼的空调余热回收

办公楼等人口密集区，多采用大型中央空调，这种制冷系统集中的空调尤为适用余热回收装置。通过该系统对空调余热的回收，对热量进行二次利用，可以用于洗盥用水的加热。对于加热饮用水，使用双加热系统，即空调余热和锅炉或电能共同作为热源将饮用水加热至沸腾，供人饮用。该系统不仅可以用于办公楼，也可用于医院、教学楼和酒店等场所。

5 空调余热回收系统的局限性

尽管该系统具有较高的经济性能，但余热回收系统本身会受到安装场地的直接影响，有时会提高系统的安装难度，甚至提高了经济成本。并且，在热量回收的过程中，包括储热和传热等过程都有一定的热损耗，最终得到的能量较少，如何减少在此过程中的损耗将是十分重要的科研课题。再加上，对收集到的余热再次利用，也只能将其作为辅助性热源，且作为热源的加热效果受到水量多少的影响较大，加热效果不稳定，以上因素均限制了空调余热回收系统的应用。

6 发展前景

兼具良好经济性的环保节能产品有着较强的市场竞争力，此余热回收系统将和普通锅炉或电能共同使用，成为双热源生活热水系统[6]，能够有效减少在用电用水上的开销。再加上该热管换热器回收空调余热系统具备诸多优点，能有效减少换热器初投资，缩短换热器投资回收期[7]，因此，该系统具备良好的应用前景。

基于上述分析，将余热回收系统应用于中央空调系统，只能够应用于具有长期稳定输出的冷负荷公寓以及宾馆等多种大型公共场所。借助该系统在充分满足对于热水使用需求的同时，能够实现资源的节约[8]。