智輔控（廈門）自控系統有限公司

1　熱回收原理

由熱力學第一定律可知：

φ_k=φ₀+P_in   (1)

式中φ_k為制冷劑通過冷水機組冷凝器時放出的熱量；φ₀為制冷劑在冷水機組蒸發器中吸收的熱量，即制冷量；P_in為壓縮機吸收并壓縮制冷劑消耗的功。

目前，常見的冷水機組的COP為4.5 ～ 6.0，由式(1)可以推得，對于電制冷機組，冷凝排熱量為制冷量的116%～125%。通常的風冷或者水冷機組，就是將冷凝熱通過風冷的對流換熱或者水冷的水汽化吸熱，排放到室外。在夏季，大量冷凝熱排到室外，無疑會進一步升高室外環境溫度，從而增加建筑的空調熱負荷，使得建筑空調系統排放的冷凝熱增加……，整個系統進入一個惡性循環。

采用熱回收冷水機組，對原本要排入大氣環境的冷凝熱量進行回收，制成工藝、生活所需熱水，可以減少生產熱水所需的能耗，極大程度地減小空調系統對環境的影響和減少建筑空調、熱水系統的總能耗。

1.1　壓縮原理

常規離心式冷水機組冷卻水進、出口水溫為32 ℃/37 ℃，也就是說在常規工況下如果不使用輔助熱源，熱回收所得熱水的高溫度僅為37 ℃。這樣的水溫難以滿足熱回收端對熱水溫度的要求。

為了在不增加輔助熱源的情況下獲得較高溫度的熱水，需提高機組冷凝溫度, 在壓焓圖(見圖1)上表現為冷凝壓力的增加。熱回收工況下的制冷循環過程為1 —2′—3′—4′—5′—6′—7 —1 。通過和常規工況的壓縮過程對比可以發現， 熱回收工況由于提高了冷凝壓力(即提高冷凝溫度)，機組的制冷量由(h1-h6)縮減為(h1-h′6)，壓縮機功耗由(h2 -h1)增加到(h′2 -h1)。

由COP =制冷量/機組輸入功率的定義分析可知，同一臺機組在熱回收工況下的效率要低于常規工況。

1.2 熱回收冷水機組類型

根據回收原理以及回收工藝的不同，熱回收冷水機組可分為部分熱回收型和全熱回收型。部分熱回收型冷水機組只回收冷凝熱的高品質部分(即溫度較高時的熱量)，冷凝熱的低品質部分依舊通過冷卻端排放到室外；全熱回收型冷水機組回收全部冷凝熱，熱回收時，冷卻塔停止運行，機組的冷凝熱不向室外排放。

圖1　壓縮過程的壓焓圖

由于部分熱回收型冷水機組回收的是冷凝熱的高品質部分，故而熱回收所得的熱水的溫度比較高(通常高于45 ℃)，高于全熱回收型冷水機組熱回收所得熱水的溫度。全熱回收型冷水機組主要為離心機組。

根據冷凝器數量的不同，離心式熱回收機組分為單冷凝器機組和雙冷凝器機組，本文主要介紹雙冷凝器離心式熱回收冷水機組。雙冷凝器機組除常規的標準冷凝器之外，還有一個輔助冷凝器，輔助冷凝器根據熱回收量的大小選擇。雙冷凝器機組可以實現部分熱回收、全熱回收以及單制冷功能。

需要指出的是，無論是單冷凝器機組還是雙冷凝器機組，為了保證冷凝壓力，運行時控制的都是冷凝器的進水溫度，而不是冷凝器的出水溫度。而對于熱回收來講，對熱負荷側的進水溫度(即冷凝器的出水溫度)是有要求的，當機組處于滿負荷運行時，冷卻水量不變，冷卻水的出水溫度穩定；當機組處于部分負荷時，由于常規冷卻水系統為定流量運行，所以冷凝器出水溫度隨著機組的負荷變化產生波動。下面將討論如何在冷水機組負荷變化時獲得穩定的熱回收水溫。

2 全熱回收水系統設計

在空調系統中，通常情況下冷負荷的變化與熱負荷的波動并不同步。對于全熱回收型冷水機組，只有機組一直處于滿負荷運行，才能夠提供達到設計溫度的熱回收中溫水。所以，對于全熱回收水系統，設計的關鍵在于滿足系統空調負荷要求的同時，確保熱回收冷水機組優先滿負荷運行。

2.1 熱回收冷水機組優先并聯系統

在熱回收冷水機組優先并聯系統(見圖2)中，熱回收冷水機組被置于旁通水管前(負荷側)。這樣，即使在部分負荷時，進入熱回收冷水機組的冷水回水也不和旁通冷水供水混合，故而水溫一直保持高。在二次泵系統中，冷水主機定流量工況運行，熱回收冷水機組的進水溫度高，故熱回收冷水機組在運行中處在優先滿負荷狀態。

圖2　熱回收冷水機組優先并聯系統示意

熱回收冷水機組與其他常規冷水機組在同一系統中同時使用時，為了避免機組喘振以及獲得較高的熱回收出水溫度，必須設定合適的機組加減順序?？照{系統的末端負荷持續波動時，采用常規控制的系統的冷水機組將均勻加、減載，導致熱回收冷水機組的負荷率持續變化，終造成熱回收水溫的波動。在極低的負荷率下，如果熱回收冷水機組依舊保持高的熱回收側溫度(即冷凝溫度)，離心式熱回收機組極易發生喘振。所以，在熱回收冷水機組和常規冷水機組混用的系統中，控制系統設計的基本原則是當系統空調負荷增加(減少)的時候，優先加載(減載)常規冷水機組，盡量保證熱回收冷水機組滿負荷運行。

如果熱回收冷水機組蒸發器的水流量可以變化，那么通過安裝變頻冷水泵(熱回收側的熱水循環泵也采用變頻泵)，也能獲得達到設計溫度的熱回收水。如果熱回收冷水機組優先加載，不但能夠提供系統所需的空調冷水，而且不會把加載產生的冷凝熱排給冷卻塔。需要指出的是，熱回收冷水機組的冷水泵采用變頻水泵時，它與其他機組的水力平衡非常重要。

熱回收冷水機組并聯系統比較適用于熱回收冷水機組與系統中其他冷水機組冷量相差不超過50%的系統。

2.2熱回收冷水機組旁流系統

熱回收冷水機組旁流系統(見圖3)是指回水管中的回水一部分先通過熱回收冷水機組，再進入單制冷冷水機組的熱回收冷水機組系統。從整個系統來看，熱回收冷水機組和單制冷冷水機組為串聯連接，熱回收冷水機組在熱回收的同時，可以降低單制冷冷水機組的進水溫度。熱回收熱量的調節可以通過調整旁流冷水機組進出水溫度及流量來實現。旁流冷水機組的負荷率降低，機組產生的冷凝熱隨之減少。該系統設計靈活，熱回收冷水機組大小不受限制。

圖3　熱回收冷水機組旁流系統示意

需要指出的是，單制冷冷水機組的水泵流量之和要能滿足整個系統的水流量要求。當熱回收冷水機組和單制冷冷水機組同時運行時，單制冷冷水機組的進、出水溫差要比單獨運行時的溫差小。熱回收冷水機組的水泵揚程只需要克服機組蒸發器以及從機組到回水干管的阻力損失即可。

旁流系統的優點是，旁流熱回收冷水機組不需要提供設計溫度的冷水，即旁流機組的出水溫度可以高于系統的設計冷水供水溫度，適當提高冷水出水溫度，可以提高機組的運行效率，彌補由于熱回收而產生的效率損失。另外，采用旁流系統, 能夠降低單制冷冷水機組的進口水溫，減小進、出口水溫差，有利于提高單制冷冷水機組的制冷效率。整個系統在獲得同樣溫度的空調冷水、熱水時，有著更高的運行效率。

與熱回收冷水機組優先并聯系統相比，熱回收冷水機組旁流系統不受冷水機組額定冷量差異的限制，各種機型可以隨意搭配，系統控制邏輯較為簡單，特別適用于全年冷負荷波動較大、熱回收冷水機組和常規冷水機組冷量差距大的項目中。此外，旁流系統還可以用在一次泵變流量系統中。由于單制冷冷水機組和熱回收冷水機組串聯運行，故在變流量工況下不存在機組間的水力平衡問題，一次泵變流量系統無須采用一機一泵的連接方式，并且水泵運轉只和系統中循環水流量相關，從而更加適合旁流系統。如果采用一次泵變流量旁流系統，則整個系統的節能效果將更加明顯。

3 工程應用

南京某電子廠房一期工程整個廠房夏季工藝、舒適空調系統的負荷為8790 kW，全年低空調負荷為3000kW，工藝熱負荷為1400 kW。生產工藝所需要的熱水供水溫度為40℃，流量為140m³/h，在整個項目中無其他熱水需求。原設計考慮采用3 臺單機制冷量為3165kW 的離心式冷水機組供應空調冷水，工藝熱水由獨立鍋爐系統通過板式換熱器供給。

3.1 熱回收冷水機組選型

由于該廠的工藝熱負荷比空調負荷小很多，如果采用制冷量為3165kW的熱回收冷水機組，會有60%的冷凝熱回收熱水得不到使用，與此同時采用熱回收冷水機組所帶來的制冷效率下降也使系統效率偏低。于是，在機組選型時，先根據工廠的熱水負荷以及系統全年低冷負荷要求確定熱回收冷水機組，然后根據剩余冷量確定單制冷機組，整個系統終的機組配置為4220kW 單制冷冷水機組2臺，1400kW 熱回收機組1臺。由前面的介紹可知，熱回收冷水機組的效率低于單制冷機組的效率，表1通過不同冷凝工況下機組的選型數據來說明熱回收側出水溫度(冷凝溫度)對機組制冷效率的影響。

表1　不同冷凝工況下機組的選型數據

通過表1 的數據可以看出，冷水側進出水溫度不變(8℃/16 ℃)，熱回收側出水溫度由38℃提高到40℃，制冷機組的COP 值由5.78 降到5.72，下降0.5%。

目前市場上的電熱水鍋爐的效率為90%～95%，板式換熱器的效率為90%。計算可得，獲得該項目工藝所需中溫熱水采用電熱鍋爐加板式換熱器比采用熱回收冷水機組耗電功率增加約1700kW。采用熱回收冷水機組后，項目不需要為獲得中溫工藝熱水單獨設置加熱系統，減少了初投資、機房面積、設備維護工作量和運行費用。

3.2　熱回收系統設計

在該項目中，空調的冷負荷與熱負荷相差很大，為了保證穩定的工藝熱水供應， 熱回收冷水機組必須處于穩定的運行狀態。因此，空調水系統采用串聯式旁流系統，使1400kW 熱回收冷水機組一直處于滿負荷運行狀態(見圖4)。在該系統中，處于下游的單制冷冷水機組選用可變流量機組以應對系統的部分負荷，而串聯的熱回收冷水機組則選用變頻水泵。熱回收冷水機組循環泵選用變頻泵，一是為了滿足系統不利工況單機運行時的揚程需求，二是為了穩定冷水機組前的水壓，同時也能避免因為系統串聯熱回收冷水機組而增大所有循環水泵的揚程。

圖4　空調冷水系統示意圖

增大冷水機組供回水溫差會使冷水機組的制冷效率下降。在該項目中，為了減小單臺機組的冷水進出口水溫差(Δt=8℃)，將旁流熱回收機組的冷水出水和系統冷水回水混流后再進入單制冷冷水機組，使單制冷冷水機組冷水進出口溫差減小為6.8℃，從而提高了機組的制冷效率。串聯熱回收冷水機組所配置的循環水泵為變頻水泵，在設計工況下, 水泵處于低頻、定流量工況下運轉, 確保常規

冷水機組泵前的吸入壓力符合要求。

當系統的冷負荷降低時，整個系統冷水回水溫度下降。對于熱回收冷水機組環路，通過控制冷水的供回水溫差、流量不變，能使熱回收冷水機組依舊滿負荷運行，確保熱回收所得熱水溫度不變。隨著單制冷冷水機組吸入口的水溫下降，系統卸載下游的單制冷冷水機組，單制冷冷水機組采用一次泵變流量控制邏輯：通過降低冷水循環泵頻率來減小系統循環水量，整個系統的冷水供水溫度穩定在設計工況(8 ℃)不變(見圖5)。當系統末端所需水量小于單臺常規冷水機組低水流量時，旁通管旁通部分水流，以滿足單制冷冷水機組的安全運行。

圖5　部分負荷時冷水系統示意

在系統負荷極低時，即只需要熱回收冷水機組運行時，系統下游的單制冷冷水機組停止運行，熱回收冷水機組同時提供冷水、中溫水(見圖6)。此時，系統的冷水不再流經單制冷冷水機組，而是通過旁通管到達使用末端，熱回收冷水機組的循環水泵處于高頻、定流量運行；若系統不需要中溫水，則可關閉熱回收冷水機組，采用系統下游的單制冷離心式冷水機組供冷。

圖6　冷負荷小工況下系統示意圖

3.3　熱回收冷水機組應用需注意的問題

冷卻熱回收對于降低運行費用、減少熱排放是一個行之有效的方法。近些年來，冷卻熱回收得到了越來越廣泛的應用。在熱回收應用中，有以下問題需要注意。

1)應用熱回收冷水機組首先要計算、比較系統的耗能。筆者在工作中發現，在熱回收冷水機組應用中經常會步入“抓小漏大”的誤區——為了獲得貌似免費的熱水，而忽略由于采用熱回收帶來的冷水機組的制冷效率下降。所以，確定采用熱回收冷水機組前，應該進行熱回收冷水機組與常規冷水機組+熱水鍋爐系統的能耗計算與比較。

2)選擇合適的熱回收熱水溫度。如果為了獲得較高的熱回收水溫而提高機組的冷凝壓力，將大大降低機組的制冷效率，同時冷凝壓力的提高，使得機組冷凝器承壓要求提高，將大幅度增加機組造價。

3)為了保護熱回收冷水機組，在設計的時候即使采用全熱回收，也建議配置冷卻塔，其散熱量為機組的全部冷凝熱，避免熱負荷減少時機組因為冷凝不足而產生喘振。

4)根據系統全年的冷、熱負荷選擇系統形式。熱回收冷水機組的設計熱回收量只能在設計工況下獲得。通常系統的熱負荷和冷負荷工況并不同步，需要選擇合適的系統形式以確保適量的熱量回收。

5)設計熱回收系統時，要做好自控設計。只有良好的系統設計加上準確的自動控制設計，才能夠保證系統安全、良好地運行。