热回收对水冷冷水机组的影响分析

吴小卫,赵 迅,陈祖铭,唐 磊

(1.华南理工大学 华南理工大学建筑设计研究院有限公司,广东 广州 510000;2.华南理工大学 电力学院,广东 广州 510000)

0 引言

“双碳”战略倡导绿色低碳,将水冷冷水机组排放到大气的冷凝废热全部或部分回收,供给建筑物生活热水之用,是目前日益受到重视的环保节能手段之一[1]。邹立成等人利用Trnsys软件建立模型得出生活热水量相对冷凝热比例越高,采用全热回收系统的热回收量越大,热回收效果越好[2]。崔科等人提出了一种新型数据中心冷却和余热回收方案,并对该方案进行了技术分析,结果表明采用余热回收降低了运行成本,减少了居民对生活热水用热的需求[3]。Cuce等人对当前典型的冷水机组热回收技术,通过针对不同冷水机组热回收技术的理论、实验和模拟以及对冷水机组热回收技术未来前景的探讨,得出冷水机组热回收系统对降低建筑能耗效果明显,可显著减少碳排放[4]。本文基于某型号的水冷冷水机组,量化研究分析热回收过程中各因素对冷水机组能效的影响。

1 水冷冷水机组性能及其热回收温度和热量的理论分析

水冷冷水机组有两种常见的热回收模式,一种是部分热回收,仅回收过热段的热量,也称之为显热回收。另一种是全热回收,回收过热段和凝结段的全部热量,也称之为潜热回收[5]。

1.1 全热回收

对于全热回收,理论上回收热水温度可以无限接近饱和冷凝温度,但实际上会存在一定的换热温差,因此全热回收热水温度(即冷却水温度)通常较饱和冷凝温度低2 ℃左右。全热回收的热量即水冷冷水机组的散热量,故全热回收的回收比为100%。由能量守恒定律可得,全热回收量为[6]

ωa=ωo+Pin

(1)

ta=t-2

(2)

式中ωa——制冷剂通过冷水机组冷凝器时放出的热量即全热回收量/kW;

ωo——制冷量/kW;

Pin——输入功率/kW;

ta——全热回收热水温度/℃;

t——饱和冷凝温度/℃。

1.2 部分热回收

对于部分热回收,理论上回收热水温度可以无限接近排气温度,但实际上显热回收冷媒侧没有相态变化,导致冷媒换热系数较低,因此热水温度一般比排气温度要低10 ℃以上。部分热回收的热量可通过Refprop软件查询得排气温度下冷媒饱和压力及焓值后计算。部分热回收比及回收量计算公式如下所示

ωb=θ(hp-hb)/3 600

(3)

δ=ωb/ωo

(4)

tb=tp-10

(5)

式中ωb——部分热回收热量/kW;

θ——冷媒质量流量/kg·h-1;

hp——排气温度对应焓值/kJ·kg-1;

hb——饱和冷凝温度对应焓值/kJ·kg-1;

δ——热回收回收比;

tb——部分热回收热水温度/℃;

tp——排气温度/℃。

1.3 基本运行参数

首先设定水冷冷水机组的基本运行参数如表1所示。

表1 水冷冷水机组基本运行参数

该运行参数即为水冷冷水机组常规制冷设计工况:冷冻水出水温度为7 ℃(饱和蒸发温度为5 ℃),冷却水出水温度为37 ℃(饱和冷凝温度为39 ℃)。

图1为水冷冷水机组制冷循环示意图。

图1 水冷冷水机组制冷循环示意图

本文仅针对水冷冷水机组满负荷运行工况进行分析,计算得到的热回收温度和热量均为满负荷运行时的最大值。如果水冷冷水机组在室外湿球温度低或部分负荷等情况下运行,则冷媒流量减少,热回收温度及热量会相应降低。受限于篇幅,本文未对部分负荷工况下水冷冷水机组热回收温度和热量进行讨论。

2 水冷冷水机组运行参数对热回收温度、热量以及机组性能的影响

水冷冷水机组的冷媒、饱和冷凝温度、吸气过热度、冷凝过冷度等运行参数均和机组性能及其热回收温度、热量密切相关[7-9],其在影响主机性能的同时也会对热回收温度和热量产生非线性的耦合影响。下文将对上述运行参数逐一进行分析。

2.1 冷媒与水冷冷水机组性能及其热回收温度、热量的关系

根据某专业厂家的在线选型软件得出300Y-38D水冷冷水机组采用不同冷媒时制冷情况如表2所示(按基本参数运行)。

表2 不同冷媒在300Y-38D冷水机组的性能参数

由前文式(1)～(5)可得水冷冷水机组分别采用R134a、R513a及R22冷媒时的热回收温度和热量,计算结果如表3所示。

表3 R134a、R513a及R22的热回收热水温度和热回收热量

表2、表3数据说明:R134a和R513a冷媒的水冷冷水机组COP显著高于R22冷媒的水冷冷水机组。在热回收方面,R22冷媒的水冷冷水机组部分热回收温度较R134a和R513a是最高的,分别是56.9℃、40.4℃、36.3℃;R22冷媒的水冷冷水机组部分热回收热量也较R134a和R513a是最高的,分别是100.1 kW、52.6 kW、40.2 kW,部分热回收回收比分别是15.6%,8.1%,6.0%。

由此可见,不同冷媒对冷水机组的性能及其热回收温度、热量均有着比较大的影响。当前市场上R134a是水冷冷水机组最常用冷媒,因此下文将使用R134a冷媒来进一步分析。

2.2 饱和冷凝温度与水冷冷水机组性能及其热回收温度、热量的关系

根据某专业厂家的在线选型软件得出R134a冷媒的300Y-38D机组在不同饱和冷凝温度下的性能参数如表4所示(除饱和冷凝温度外其它基本运行参数不变)。

表4 不同饱和冷凝温度300Y-38D水冷冷水机组的性能参数

由前文式(1)～(5)可得在不同饱和冷凝温度下的热回收温度和热量,计算结果如表5所示。

表5 不同饱和冷凝温度300Y-38D水冷冷水机组的热回收温度和热量

从上表可得知,水冷冷水机组在其它运行参数相同的情况下,饱和冷凝温度越高,水冷冷水机组的COP越低,变化幅度在3%/℃左右;部分热回收及全热回收的温度跟随饱和冷凝温度同步提高,提高幅度为1 ℃/℃左右;部分热回收回收比也跟着提高。

饱和冷凝温度越高,热回收的效果越好,但与此同时冷水机组的能效会下降,因此在分析水冷冷水机组热回收节能效果时需把制冷系统和热水系统作为一个整体来分析其经济性及运行效率。

该制冷过程在压焓图上的示意如图2所示。

图2 不同饱和冷凝温度压焓图

2.3 吸气过热度与水冷冷水机组性能及其热回收温度、热量的关系

根据某专业厂家的在线选型软件得出R134a冷媒的300Y-38D机组在不同吸气过热度下的性能参数如表6所示(除吸气过热度外其它基本运行参数不变)

表6 不同吸气过热度300Y-38D水冷冷水机组的性能参数

由前文式(1)～(5)可得在不同吸气过热度下的热回收热水温度和热量,计算结果如表7所示。

表7 不同吸气过热度300Y-38D水冷冷水机组的热回收温度和热量

从上表可知,水冷冷水机组在其它运行参数相同的情况下,吸气过热度对机组COP的影响较小,可忽略不计,但吸气过热度对排气温度有比较大的影响,排气温度跟随吸气过热度同步提高,部分热回收热水温度和热量也会随之提高,温度提高幅度为1 ℃/℃左右,部分热回收回收比提高幅度为0.6%/℃左右。

吸气过热度越高,部分热回收的效果越好,但对全热回收效果影响微小。

该制冷过程在压焓图上的示意如图3所示。

图3 不同吸气过热度压焓图

2.4 冷凝过冷度与水冷冷水机组性能及其热回收温度、热量的关系

根据某专业厂家的在线选型软件得出R134a冷媒的300Y-38D机组在不同冷凝过冷度下的性能参数如表8所示(除冷凝过冷度外其它基本运行参数不变)

表8 不同冷凝过冷度300Y-38D水冷冷水机组的性能参数

由前文式(1)～(5)可得在不同冷凝过冷度下的热回收温度和热量如表9所示。

表9 不同冷凝过冷度300Y-38D水冷冷水机组的热回收温度和热量

从上表可知,水冷冷水机组在其它运行参数相同的情况下,冷凝过冷度不同,水冷冷水机组的COP不同,COP随着冷凝过冷度的增大而升高,变化幅度在1%/℃左右。全热回收的热量随着冷凝过冷度的增大而增大,但回收的温度则有所降低;部分热回收的温度和热量不变。

该压缩过程在压焓图上的示意图如图4所示。

图4 不同冷凝过冷度压焓图

3 热回收对水冷冷水机组的影响分析

前文分析了水冷冷水机组运行参数对热回收温度、热量以及机组性能的影响,本节在前文的基础上进一步探讨热回收对水冷冷水机组的影响。

在工程实践中,水冷冷水机组热回收分可分为两种情况,一种是常规制冷工况下的热回收,另一种是为了满足生活热水需要的非常规制冷工况下的热回收。

3.1 常规制冷工况的热回收对水冷冷水机组的影响

选择部分热回收时,水冷冷水机组由于回收了冷媒气态显热,因此水冷冷水机组对应的冷却塔需要排放的热量减少。若此时冷却塔运行台数及风机运行频率不变,则水冷冷水机组冷却水回水(即冷却塔的出水)温度降低,进而可以提升水冷冷水机组的COP[10]。下面通过实例计算分析部分热回收影响水冷冷水机组能效过程。

以一台冷却水进/出温度37 ℃/32 ℃、湿球温度28 ℃工况下流量为500 m3/h的冷却塔为例,在不同散热量及不同湿球温度下获得的冷却水出水温度如图5所示。

图5 不同湿球温度、不同散热量下的冷却水出水温度

由前文可知R134a冷媒的水冷冷水机组在常规制冷工况下,满负荷运行时部分热回收温度为40.4 ℃,回收比为8.1%,因而此时冷却塔需排走的热量为常规制冷工况的91.9%。从图5中查得在湿球温度28 ℃、散热量91.9%的冷却塔的出水温度为31.7 ℃,与没有进行热回收的水冷冷水机组对应的冷却塔的出水温度32 ℃下降了0.3 ℃。

由水冷冷水机组部分热回收时对应的冷却塔出水温度31.7 ℃可知冷水机组的冷却水出水温度为36.7 ℃(冷却水进出水5 ℃温差),即水冷冷水机组的饱和冷凝温度为38.7 ℃。由2.2饱和冷凝温度对机组能效影响分析可知,如果机组的饱和冷凝温度下降0.3 ℃,则冷水机组COP提高0.9%。因此部分热回收会提升水冷冷水机组的能效。

在选择全热回收时,由(1)式可知全热回收是全部回收了水冷冷水机组的散热量。常规制冷工况下按水冷冷水机组的冷却水出水温度进行全热回收,冷水机组COP不变。由于水冷冷水机组的散热量被全部回收供给生活热水使用,所以该水冷冷水机组不用再设置相应的冷却塔,节省了项目工程冷却塔的初投资。

3.2 常规制冷工况水冷冷水机组热回收的温度和热量概况

GB50015-2019《民用建筑给排水规范》[11]规定:集中热水供应系统的水加热设备出水温度应根据原水水质、使用要求、系统大小及消毒设施灭菌效果等确定,一般民用建筑(医院、疗养所等建筑除外)水加热设备出水温度应为55～60 ℃;

常规制冷工况的部分热回收,回收的热量较少且回收得到的热水温度也较低:R134a冷媒的冷水机组回收的热量回收比在8.1%以下,热水温度在40.4 ℃以下。常规制冷工况的全热回收,回收的热量(即水冷冷水机组的散热量)充足,但回收得到的热水温度较部分热回收更低,R134a冷媒的冷水机组回收的热水温度在37℃以下。显然常规制冷工况的热回收不能直接满足生活热水的需求,只适用于生活热水预热。

3.3 非常规制冷工况热回收对水冷冷水机组的影响

为了获得更高的热回收温度,水冷冷水机组需要在非常规制冷工况下运行。

按前文分析,水冷冷水机组冷媒的选择会影响热回收温度和热量,但水冷冷水机组冷媒的选用需要综合衡量多方面因素,如冷媒对水冷冷水机组性能的影响、冷媒的温室效应、冷媒对臭氧层破坏程度、冷媒价格等等因素,所以通常不考虑通过改变水冷冷水机组的冷媒来提高热回收温度和热量。

提高水冷冷水机组的饱和冷凝温度可以提高热回收温度和热量,但同时也会导致水冷冷水机组COP的下降,COP降低幅度为3.0%/℃左右。

提高水冷冷水机组的吸气过热度可提高热回收温度和热量,但需要增大冷水机组蒸发器的换热面积,导致水冷冷水机组造价增加,且热回收温度和热量提高的幅度不大,故在实际工程比较中需要进一步分析该方法的经济性。

增加水冷冷水机组的冷凝过冷度可提高机组的COP,对部分热回收的温度和热量没影响,会提升全热回收的热量,但全热回收的温度则会有小幅降低。增加水冷冷水机组的冷凝过冷度需要增大冷水机组冷凝器的换热面积,导致水冷冷水机组造价增加,对热回收帮助很少,故在实际工程中很少采用增加水冷冷水机组的冷凝过冷度这种方法来改善热回收效果。

4 结论

(1)本文通过计算发现,水冷冷水机组的冷媒不同,其能效及其热回收温度和热量不同。饱和冷凝温度越高,热回收的效果越好,但机组的能效越低。吸气过热度越高,部分热回收的效果越好,全热回收的效果变化微小,机组的能效也变化不大。冷凝过冷度越大,机组的能效随之增大,全热回收的热量越高但回收温度有所下降,部分热回收的温度和热量不变。

(2)常规制冷工况热回收不影响主机的性能和造价,但热回收温度较低。

(3)非常规制冷工况热回收会降低水冷冷水机组COP或提高水冷冷水机组造价。

(4)在工程项目中常用的提高热回收效果的方法是提高水冷冷水机组的饱和冷凝温度,但水冷冷水机组COP会降低约3%/℃。