1 热回收原理

由热力学第一定律可知：

φ _k =φ ₀ +P _in    (1)

式中φ _k 为制冷剂通过冷水机组冷凝器时放出的热量；φ ₀ 为制冷剂在冷水机组蒸发器中吸收的热量，即制冷量；P _in 为压缩机吸收并压缩制冷剂消耗的功。

目前，常见的冷水机组的COP为4.5 ～ 6.0，由式(1)可以推得，对于电制冷机组，冷凝排热量为制冷量的116%～125%。通常的风冷或者水冷机组，就是将冷凝热通过风冷的对流换热或者水冷的水汽化吸热，排放到室外。在夏季，大量冷凝热排到室外，无疑会进一步升高室外环境温度，从而增加建筑的空调热负荷，使得建筑空调系统排放的冷凝热增加……，整个系统进入一个恶性循环。

采用热回收冷水机组，对原本要排入大气环境的冷凝热量进行回收，制成工艺、生活所需热水，可以减少生产热水所需的能耗，极大程度地减小空调系统对环境的影响和减少建筑空调、热水系统的总能耗。

1.1 压缩原理

常规离心式冷水机组冷却水进、出口水温为32 ℃/37 ℃，也就是说在常规工况下如果不使用辅助热源，热回收所得热水的最高温度仅为37 ℃。这样的水温难以满足热回收端对热水温度的要求。

为了在不增加辅助热源的情况下获得较高温度的热水，需提高机组冷凝温度, 在压焓图(见图1)上表现为冷凝压力的增加。热回收工况下的制冷循环过程为1 —2′—3′—4′—5′—6′—7 —1 。通过和常规工况的压缩过程对比可以发现， 热回收工况由于提高了冷凝压力(即提高冷凝温度)，机组的制冷量由(h1-h6)缩减为(h1-h′6)，压缩机功耗由(h2 -h1)增加到(h′2 -h1)。

由COP =制冷量/机组输入功率的定义分析可知，同一台机组在热回收工况下的效率要低于常规工况。

1.2 热回收冷水机组类型

根据回收原理以及回收工艺的不同，热回收冷水机组可分为部分热回收型和全热回收型。部分热回收型冷水机组只回收冷凝热的高品质部分(即温度较高时的热量)，冷凝热的低品质部分依旧通过冷却端排放到室外；全热回收型冷水机组回收全部冷凝热，热回收时，冷却塔停止运行，机组的冷凝热不向室外排放。

图1　压缩过程的压焓图

由于部分热回收型冷水机组回收的是冷凝热的高品质部分，故而热回收所得的热水的温度比较高(通常高于45 ℃)，高于全热回收型冷水机组热回收所得热水的温度。全热回收型冷水机组主要为离心机组。

根据冷凝器数量的不同，离心式热回收机组分为单冷凝器机组和双冷凝器机组，本文主要介绍双冷凝器离心式热回收冷水机组。双冷凝器机组除常规的标准冷凝器之外，还有一个辅助冷凝器，辅助冷凝器根据热回收量的大小选择。双冷凝器机组可以实现部分热回收、全热回收以及单制冷功能。

需要指出的是，无论是单冷凝器机组还是双冷凝器机组，为了保证冷凝压力，运行时控制的都是冷凝器的进水温度，而不是冷凝器的出水温度。而对于热回收来讲，对热负荷侧的进水温度(即冷凝器的出水温度)是有要求的，当机组处于满负荷运行时，冷却水量不变，冷却水的出水温度稳定；当机组处于部分负荷时，由于常规冷却水系统为定流量运行，所以冷凝器出水温度随着机组的负荷变化产生波动。下面将讨论如何在冷水机组负荷变化时获得稳定的热回收水温。

2 全热回收水系统设计

在空调系统中，通常情况下冷负荷的变化与热负荷的波动并不同步。对于全热回收型冷水机组，只有机组一直处于满负荷运行，才能够提供达到设计温度的热回收中温水。所以，对于全热回收水系统，设计的关键在于满足系统空调负荷要求的同时，确保热回收冷水机组优先满负荷运行。

2.1 热回收冷水机组优先并联系统

在热回收冷水机组优先并联系统(见图2)中，热回收冷水机组被置于旁通水管前(负荷侧)。这样，即使在部分负荷时，进入热回收冷水机组的冷水回水也不和旁通冷水供水混合，故而水温一直保持最高。在二次泵系统中，冷水主机定流量工况运行，热回收冷水机组的进水温度最高，故热回收冷水机组在运行中处在优先满负荷状态。

图2　热回收冷水机组优先并联系统示意

热回收冷水机组与其他常规冷水机组在同一系统中同时使用时，为了避免机组喘振以及获得较高的热回收出水温度，必须设定合适的机组加减顺序。空调系统的末端负荷持续波动时，采用常规控制的系统的冷水机组将均匀加、减载，导致热回收冷水机组的负荷率持续变化，最终造成热回收水温的波动。在极低的负荷率下，如果热回收冷水机组依旧保持高的热回收侧温度(即冷凝温度)，离心式热回收机组极易发生喘振。所以，在热回收冷水机组和常规冷水机组混用的系统中，控制系统设计的基本原则是当系统空调负荷增加(减少)的时候，优先加载(减载)常规冷水机组，尽量保证热回收冷水机组满负荷运行。

如果热回收冷水机组蒸发器的水流量可以变化，那么通过安装变频冷水泵(热回收侧的热水循环泵也采用变频泵)，也能获得达到设计温度的热回收水。如果热回收冷水机组优先加载，不但能够提供系统所需的空调冷水，而且不会把加载产生的冷凝热排给冷却塔。需要指出的是，热回收冷水机组的冷水泵采用变频水泵时，它与其他机组的水力平衡非常重要。

热回收冷水机组并联系统比较适用于热回收冷水机组与系统中其他冷水机组冷量相差不超过50%的系统。

2.2 热回收冷水机组旁流系统

热回收冷水机组旁流系统(见图3)是指回水管中的回水一部分先通过热回收冷水机组，再进入单制冷冷水机组的热回收冷水机组系统。从整个系统来看，热回收冷水机组和单制冷冷水机组为串联连接，热回收冷水机组在热回收的同时，可以降低单制冷冷水机组的进水温度。热回收热量的调节可以通过调整旁流冷水机组进出水温度及流量来实现。旁流冷水机组的负荷率降低，机组产生的冷凝热随之减少。该系统设计灵活，热回收冷水机组大小不受限制。

图3　热回收冷水机组旁流系统示意

需要指出的是，单制冷冷水机组的水泵流量之和要能满足整个系统的水流量要求。当热回收冷水机组和单制冷冷水机组同时运行时，单制冷冷水机组的进、出水温差要比单独运行时的温差小。热回收冷水机组的水泵扬程只需要克服机组蒸发器以及从机组到回水干管的阻力损失即可。

旁流系统的优点是，旁流热回收冷水机组不需要提供设计温度的冷水，即旁流机组的出水温度可以高于系统的设计冷水供水温度，适当提高冷水出水温度，可以提高机组的运行效率，弥补由于热回收而产生的效率损失。另外，采用旁流系统, 能够降低单制冷冷水机组的进口水温，减小进、出口水温差，有利于提高单制冷冷水机组的制冷效率。整个系统在获得同样温度的空调冷水、热水时，有着更高的运行效率。

与热回收冷水机组优先并联系统相比，热回收冷水机组旁流系统不受冷水机组额定冷量差异的限制，各种机型可以随意搭配，系统控制逻辑较为简单，特别适用于全年冷负荷波动较大、热回收冷水机组和常规冷水机组冷量差距大的项目中。此外，旁流系统还可以用在一次泵变流量系统中。由于单制冷冷水机组和热回收冷水机组串联运行，故在变流量工况下不存在机组间的水力平衡问题，一次泵变流量系统无须采用一机一泵的连接方式，并且水泵运转只和系统中循环水流量相关，从而更加适合旁流系统。如果采用一次泵变流量旁流系统，则整个系统的节能效果将更加明显。

3 工程应用

南京某电子厂房一期工程整个厂房夏季工艺、舒适空调系统的负荷为8790 kW，全年最低空调负荷为3000kW，工艺热负荷为1400 kW。生产工艺所需要的热水供水温度为40℃，流量为140m ³ /h，在整个项目中无其他热水需求。原设计考虑采用3 台单机制冷量为3165kW 的离心式冷水机组供应空调冷水，工艺热水由独立锅炉系统通过板式换热器供给。

3.1 热回收冷水机组选型

由于该厂的工艺热负荷比空调负荷小很多，如果采用制冷量为3165kW的热回收冷水机组，会有60%的冷凝热回收热水得不到使用，与此同时采用热回收冷水机组所带来的制冷效率下降也使系统效率偏低。于是，在机组选型时，先根据工厂的热水负荷以及系统全年最低冷负荷要求确定热回收冷水机组，然后根据剩余冷量确定单制冷机组，整个系统最终的机组配置为4220kW 单制冷冷水机组2台，1400kW 热回收机组1台。由前面的介绍可知，热回收冷水机组的效率低于单制冷机组的效率，表1通过不同冷凝工况下机组的选型数据来说明热回收侧出水温度(冷凝温度)对机组制冷效率的影响。

表1　不同冷凝工况下机组的选型数据

通过表1 的数据可以看出，冷水侧进出水温度不变(8℃/16 ℃)，热回收侧出水温度由38℃提高到40℃，制冷机组的COP 值由5.78 降到5.72，下降0.5%。

目前市场上的电热水锅炉的效率为90%～95%，板式换热器的效率为90%。计算可得，获得该项目工艺所需中温热水采用电热锅炉加板式换热器比采用热回收冷水机组耗电功率增加约1700kW。采用热回收冷水机组后，项目不需要为获得中温工艺热水单独设置加热系统，减少了初投资、机房面积、设备维护工作量和运行费用。

3.2 热回收系统设计

在该项目中，空调的冷负荷与热负荷相差很大，为了保证稳定的工艺热水供应， 热回收冷水机组必须处于稳定的运行状态。因此，空调水系统采用串联式旁流系统，使1400kW 热回收冷水机组一直处于满负荷运行状态(见图4)。在该系统中，处于下游的单制冷冷水机组选用可变流量机组以应对系统的部分负荷，而串联的热回收冷水机组则选用变频水泵。热回收冷水机组循环泵选用变频泵，一是为了满足系统最不利工况单机运行时的扬程需求，二是为了稳定冷水机组前的水压，同时也能避免因为系统串联热回收冷水机组而增大所有循环水泵的扬程。

图4　空调冷水系统示意图

增大冷水机组供回水温差会使冷水机组的制冷效率下降。在该项目中，为了减小单台机组的冷水进出口水温差(Δt=8℃)，将旁流热回收机组的冷水出水和系统冷水回水混流后再进入单制冷冷水机组，使单制冷冷水机组冷水进出口温差减小为6.8℃，从而提高了机组的制冷效率。串联热回收冷水机组所配置的循环水泵为变频水泵，在设计工况下, 水泵处于低频、定流量工况下运转, 确保常规

冷水机组泵前的吸入压力符合要求。

当系统的冷负荷降低时，整个系统冷水回水温度下降。对于热回收冷水机组环路，通过控制冷水的供回水温差、流量不变，能使热回收冷水机组依旧满负荷运行，确保热回收所得热水温度不变。随着单制冷冷水机组吸入口的水温下降，系统卸载下游的单制冷冷水机组，单制冷冷水机组采用一次泵变流量控制逻辑：通过降低冷水循环泵频率来减小系统循环水量，整个系统的冷水供水温度稳定在设计工况(8 ℃)不变(见图5)。当系统末端所需水量小于单台常规冷水机组最低水流量时，旁通管旁通部分水流，以满足单制冷冷水机组的安全运行。

图5　部分负荷时冷水系统示意

在系统负荷极低时，即只需要热回收冷水机组运行时，系统下游的单制冷冷水机组停止运行，热回收冷水机组同时提供冷水、中温水(见图6)。此时，系统的冷水不再流经单制冷冷水机组，而是通过旁通管到达使用末端，热回收冷水机组的循环水泵处于高频、定流量运行；若系统不需要中温水，则可关闭热回收冷水机组，采用系统下游的单制冷离心式冷水机组供冷。

图6　冷负荷最小工况下系统示意图

3.3 热回收冷水机组应用需注意的问题

冷却热回收对于降低运行费用、减少热排放是一个行之有效的方法。近些年来，冷却热回收得到了越来越广泛的应用。在热回收应用中，有以下问题需要注意。

1) 应用热回收冷水机组首先要计算、比较系统的耗能。笔者在工作中发现，在热回收冷水机组应用中经常会步入“抓小漏大”的误区——为了获得貌似免费的热水，而忽略由于采用热回收带来的冷水机组的制冷效率下降。所以，确定采用热回收冷水机组前，应该进行热回收冷水机组与常规冷水机组+热水锅炉系统的能耗计算与比较。

2) 选择合适的热回收热水温度。如果为了获得较高的热回收水温而提高机组的冷凝压力，将大大降低机组的制冷效率，同时冷凝压力的提高，使得机组冷凝器承压要求提高，将大幅度增加机组造价。

3) 为了保护热回收冷水机组，在设计的时候即使采用全热回收，也建议配置冷却塔，其散热量为机组的全部冷凝热，避免热负荷减少时机组因为冷凝不足而产生喘振。

4) 根据系统全年的冷、热负荷选择系统形式。热回收冷水机组的设计热回收量只能在设计工况下获得。通常系统的热负荷和冷负荷工况并不同步，需要选择合适的系统形式以确保适量的热量回收。

5) 设计热回收系统时，要做好自控设计。只有良好的系统设计加上准确的自动控制设计，才能够保证系统安全、良好地运行。