２０１３年第４１卷第１１期 文章编号：１００５—０３２９（２０１３）１１—００６１一ｏ５ 流体机械 ６１ 热回收型风冷螺杆冷水机组的试验研究 王玉刚 ，黄其 ，耿丽萍 ，颜松 （１．中国计量学院，浙江杭州３１００１８；２．艾欧史密斯（中国）热水器有限公司，江苏南京２１００００） 摘要：简述了带冷凝热回收的风冷螺杆冷水机组的工作原理及其样机的构成，并对其在不同热回收率下进行了性 能测试。同时，根据冷凝热回收制热水对样机系统能效的影响曲线，对热回收出水水温和热回收率进行研究，阐述热回 收出水水温和热回收率对热回收型风冷螺杆冷水机组的性能影响，最后进行机组整体性能分析。 关键词：风冷螺杆机组；出水水温；热回收 中图分类号：ＴＨ１２；ＴＢ６５ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０３２９．２０１３．１１．０１３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ Ｈｅａｔ・・ｒｅｃｏｖｅｒｙａｉｒ・・ｃｏｏｌｅｄ Ｓｃｒｅｗ Ｃｈｉｌｌｅｒ ＷＡＮＧ Ｙｕ—ｇａｎｇ。，ＨＵＡＮＧ Ｑｉ ，ＧＥＮＧ Ｌｉ—ｐｉｎｇ ，ＹＡＮ Ｓｏｎｇ （１．Ｃｈｉｎａ Ｊｉｌｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８，Ｃｈｉｎａ；２．Ａ．Ｏ．ＳＭＩＴＨ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ—ｃｏｏｌｅｄ ｓｃｒｅｗ ｃｈｉｌｌｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｕｎｉｔ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｇ ｏｎ ｉｔ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｒａｔｅ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ａｆｆｅｃｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｃｏｎｄｅｎ— ｓｉｎｇ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｆｏｒ ｓｕｐｐｌｙ ｏｆ ｈｏｔ ｗａｔｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｍａｄｅ．Ｗｈａｔ’Ｓ ｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｒａｔｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａ－ ｔｕｒｅ ｏｆ ｏｕｔｌｅｔ ｗａｔｅｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｉｒ—ｃｏｏｌｅｄ ｓｃｒｅｗ ｃｈｉｌｌｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｅｘｐｌａｉｎｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｕｎｉｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｉｒ—ｃｏｏｌｅｄ ｓｃｒｅｗ ｃｈｉｌｌｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｏｕｔｌｅｔ ｗａｔｅｒ；ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｌ 引言 改造应用不完善，导致运行状况稳定性差，同时也 可能引起系统冷凝效率的下降 Ｊ。 据统计 ．ｚ Ｊ，我国建筑能耗约占整个社会能 本文对Ｒ１３４ａ风冷螺杆热回收冷水机组工 耗的１／３，在各项建筑能耗中，仅生活热水一项就 作过程进行试验研究，主要分析热回收率与出水 占整个建筑能耗的１０％～３０％。而空调作为建 水温对于机组的运行影响，为进一步改进机组的 筑耗能中的能耗大户，更是成为人们关注的焦点， 性能、提高机组的设计和应用水平提供一定的理 从而减少空调能耗、减少冷凝热的排放就自然的 论依据。 成为人们研究的热点。其中冷凝热的回收再利用 是解决热岛效应的一个有效途径。 ２热回收冷水机组试验系统 国内目前针对空调热回收的技术研究和经济 性分析主要有以下特点： ２．１ 试验系统原理 （１）实际工程中对风冷冷水机组改造技术的 冷水机组冷凝热回收系统如图１所示，制冷 理论研究涉及比较少； 剂经过油分离器后，直接通向热回收板式换热器， （２）对存在的丰富冷凝热只能回收其中的较 在板式换热器中与冷水进行热交换，加热冷水；之 少部分，且热回收效率较低，不能满足建筑内卫生 后，从板式换热器出来的制冷剂流回原来管路，进 热水热负荷的需要； 入风冷冷凝器继续进行制冷循环；经过板式换热 （３）热回收技术在具体建筑冷热源系统中的 器加热后的水进人热水水箱，再通过二级加热装 收稿日期：２０１３—０４—１８修稿日期：２０１３—０８—１９ 资助项目：国家自然科学基金资助项目（５１１７６１７７） ６２ ＦＬＵＩＤ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．１１，２０１３ 置对热水水温进行适当调节，从而满足用户的用 水温度需求。 同时，本文试验样机采用的是串联式全热回 收系统，根据不同的环境温度和出水温度，能够实 现全部显热和部分潜热的回收，而其余的潜热和 过冷部分散热还需依靠风冷冷凝器实现散热。 图１ 热回收冷水机组系统原理 ２．２试验系统的构成及测试点布置 试验系统由一台９０ ＲＴ风冷螺杆冷水机组改 装而成，在压缩机和冷凝器之间增加了一个板式 换热器作为冷凝热回收器，同时，增加了一个热水 水箱和二级加热水箱。 根据试验系统的测试需求，在管路中安装设 置了相应的测点。其中，温度测点有板式换热器 的水侧进出口、满液式蒸发器的水侧进出口、压缩 机吸排气管、板式换热器中制冷剂侧的进出口、冷 凝器进出口、满液式蒸发器制冷剂侧的进出口及 环境空气的干湿球温度等；压力测点分别布置在 压缩机吸排气口、板式换热器进口、冷凝器出口以 及板式换热器和冷凝器之间；另外，对板式换热器 的水流量也进行了测量。 ２．３数据采集硬件及软件的构成 数据采集硬件构成：（１）水温测量和环境干 湿球温度测量采用Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ的１０６７系列紧凑 型Ａ等Ｐｔｌ００四线制铂电阻温度计；（２）制冷管 路测温采用自制Ｔ型热电偶；（３）压力测量主要 采用Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ的３１２系列的压力传感器；（４）水 流量测量采用上海科隆光华公司生产的电磁流量 计；（５）数据采集采用Ａｇｉｌｅｎｔ ３４９７２Ａ数据采集 器。 系统性能测试软件采用Ｌａｂｖｉｅｗ ８．５软件平 台自行开发，在控制数据采集卡完成采集工作后， 最后将结果显示于测试软件显示界面。 ３试验环境 ３．１环境模拟室 环境模拟室主要是用以模拟实际运行时的室 外环境，将风冷螺杆热回收冷水机组放于模拟室 中，从而测试其运行情况及制冷效果。为了满足 模拟所需的环境条件，该环境模拟室在保温、减 噪、温湿度调节等各方面进行了精心的设计，主要 的功能参数如表１所示。 表ｌ环境模拟室的功能参数 参数名称 数值 风冷冷水热泵机组制冷（热）范围（ｋＷ） １０５．５—９８４．５ 可实现模拟环境温度（ｏＣ） —１５—５０ 冷水水量（ｍ ／ｈ） １６～ｌ５２ 循环风量（ｍ ／ｈ） １Ｏ．４～８６．８ 输入功率（ｋＷ） ３８—３２０ ３．２试验参数设定 根据实际运行环境的要求，在４个不同环境 温度（３５℃、３１．５￣Ｃ、２８℃、２４．５℃），分别进行满 负荷、７５％负荷、５０％负荷、２５％负荷的系统试验 运行；与此同时，在每组环境温度下，再分别进行 不同热回收率的机组性能试验。试验时，保持冷 冻水出水温（７ｏ（二）和水流量不变，改装后的机组 在热回收板式换热器出水温度分别为４５℃、５０℃ 和５５℃状况下进行性能测试试验。 ４热回收机组的性能测试试验结果分析 ４．１机组总功率分析 机组总功率Ｐ由压缩机功率Ｐ 与冷凝器风 机功率尸’组成： Ｐ＝Ｐ】＋Ｐ２ （１） 定义热回收率为板式换热器的焓值变化量与 板式换热器和冷凝器中的焓值变化量之比： ８＝ＡＨｌ／（△日ｌ＋△ｎ２） （２） 式中ｓ——热回收率 ＡＨ ——板式换热器的焓值变化量 △ ——冷凝器的焓值变化量 图２为不同出水温度时机组总功率与热回收 率的变化关系。从图中可知，在相同出水温度、环 境温度和负荷条件下，随着热回收率的增加，机组 总功率虽有下降，但趋势并不明显。主要原因为： 一方面，热回收量主要依靠控制冷凝器风机的风 量进行调节，即通过开停和变频控制减小冷凝器 风机的风量以增大热回收量，因此，风机功耗随着 ２０１３年第４ｌ卷第１１期 流体机械 ６３ 热回收率的上升而减少；另一方面，在机组的运行 过程中，随着热回收率增加，提高了压缩机出口的 制冷剂温度，因此，压缩机的排气压力随之升高而 使输入功率增加。 ｌ２０ ６０ ０ ０．Ｏ Ｏ．５ 热回收率 （ａ）出水４５℃ ｌ２０ 褂６０ ０ ０．０ ０．５ 热回收率 （ｂ）出水５０℃ ６ｏ ０ ｏ．ｏ ｏ．５ １．Ｏ 热回收率 （ｃ）出水５５℃ 图２不同出水温度时机组功率随热回收率的变化 同时，根据图３也可发现，机组总功率随着环 境温度的下降，呈现明显的下降趋势，则是由于环 境负荷下降而导致压缩机和风机的输入功率同时 减少。 ４．２机组制冷量分析 定义机组制冷量为： Ｑ１＝ｑｍｌｃｌ（ｔｌ—ｔ２） （３） 式中Ｑ ——制冷量 ｇ 。——冷水的质量流量 Ｃ．——平均温度下水的比热 ｔ 、ｔ２——蒸发器出口、入口水温 不同出水温度时，机组制冷量随热回收率的 变化如图３所示。 ３５０ 皿皿１ １７５ 幂 ０ ０．０ ０．５ 热回收率 （ａ）出水４５￣Ｃ ３５０ 咖１ １７５ 佥 磊 Ｏ Ｏ．Ｏ Ｏ．５ 热回收率 （ｂ）出水５０￣Ｃ ３５０ 咖｛１７５ 磊 Ｏ Ｏ．０ Ｏ．５ １．Ｏ 热回收率 （Ｃ）出水５５℃ 图３不同出水温度时机组制冷量随热回收率的变化 从图３可以看出，在相同的环境温度和负荷 下，制冷量随热回收率的增加稍有下降，因此，热 回收率的变化对机组的制冷性能影响较小；但在 相同出水温度的情况时，环境温度和负荷的减少 使制冷量显著降低。 从图３亦可知，当环境温度和负荷一定时，制 冷量随着板式换热器的热水出口水温升高而降 低，主要原因：当板式换热器的水流量一定时，热 回收量随着出水温度升高而增加，从而需提高压 缩机出口的制冷剂温度，因此，压缩机排气压力升 ＦＬＵＩＤ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．１１，２０１３ 高导致排气量下降，最终也致使制冷量下降。 ４．３机组ＣＯＰ分析 定义机组ＣＯＰ为： Ｃ０Ｐ机组＝（Ｑ－＋Ｑ２）／Ｐ （４） 式中Ｑ．——机组制冷量 Ｑ，——机组热回收量 Ｐ——机组总功率 不同出水温度时机组ＣＯＰ随热回收率的变 化如图４所示。 ０．０ ０．５ １．０ 热叫收率 （ａ）出水４５￣Ｃ ０．０ ０．５ １．０ 热ｌⅡＩ收率 （ｂ）出水５０＇Ｅ ２．５０ ２．２Ｏ Ｏ．Ｏ ０．５ １．０ 热回收率 （ｃ）出水Ｓ５℃ 图４不同出水温度时ＣＯＰ随回收率的变化 比较图４（ａ）～（Ｃ）可知，机组ＣＯＰ随着热回 收换热器的出水温度升高而显著降低。同时，在 １００％满负荷运行的情况下，当热回收量达到 ３０％左右时，出水温度从４５ｃｌＣ开始，每升高５℃， 机组ＣＯＰ就下降０．３左右，即下降约１０％一 １５％，因此，出水温度的变化对机组ＣＯＰ的影响 较为明显。 另一方面，从图中显示，机组ＣＯＰ曲线随着 热回收率的增加是呈现上升趋势的。进一步分析 可知，这是由于压缩机因排气压力上升而增加的 输入功率与因冷凝器风量减少而下降的风机功率 相抵消所致，并且风机功率下降速率略快于压缩 机功率的上升速率。 ５热回收机组与标准机组的对比试验结果分析 采用文献［１Ｏ］中的综合部分负荷性能系数 肌 进行量化分析，其定义为： ＩＰＬＶ＝０．０２３Ａ＋０．４１５Ｂ＋０．４６１Ｃ＋０．１０１Ｄ （５） 式中Ａ——１００％负荷率时机组的ＣＯＰ或ＥＥＲ Ｈ７５％负荷率时机组的ＣＯＰ或ＥＥＲ Ｃ——５０％负荷率时机组的ＣＯＰ或ＥＥＲ Ｄ——２５％负荷率时机组的ＣＯＰ或ＥＥＲ ４，Ｂ，Ｃ，Ｄ前的权系数（０．０２３，０．４１５，０．４６１， ０．１０１）分别表示在（７５％～１００％），（５０％～ ７５％），（２５％一５０％），（Ｏ％～２５％）４个负荷率 段的运行时间频数。 将试验数据根据式（１）进行计算并列于表２， 定量分析可知，出水温度在５５％状态下热回收低 于３０％时才出现整体机组的效率低于标准机组， 在４５—５５℃的一般用户用水温度需求范围内整 体机组运行效率都是明显高于标准机组的，因此， 只要保持热回收风冷螺杆冷水机组保持相对较高 的热回收量（＞３０％）运行，就能有效提高能源利 用率，同时为用户提供所需温度的热水。 表２综合性能ＩＰＬＶ 热回收出水温度（℃） ｌＰｔＩｖ ４５ ５０ ５５ 标准机组 ３．３ ３．３ ３．３ 制冷 热回收机组 ３．１ ２．８ ２．４ 热回收约９０％ ６．０ ５．８ ４．８ 制冷 热回收约７５％ ５．８ ５．６ ４．５ ＋ 热回收 热回收约５０％ ４．８ ４．６ ３．７ 热回收约３０％ ４．０ ３．７ ３．２ ２０１３年第４ｌ卷第１１期 流体机械 ６５ 单从热回收机组而言，根据表２所呈现的数 水供应系统的实验分析［Ｊ］．流体机械，２００６，３４ 据，可以看出，在同一出水温度条件下，能源利用 （２）：６４－６７． 率随着热回收率提高而上升。在４５℃的出水温 ［２］ 刘振印．建筑给排水节能节水技术探讨［Ｊ］．给水 度下，并处于高热回收率状态，其整体机组的运行 排水，２００７，３（１）：６１－７０． 效率是在４５～５５℃的出水温度测试范围内效率 ［３］梁庆东，潘杰．空调冷凝热回收技术的应用 最高。 ［Ｊ］．装备制造技术，２００７，（１１）：４５．１４６． ［４］ 张新桥，吴德华，陈文，等．制冷空调冷凝热回收的 性能研究［Ｊ］．湖南城市学院学报（自然科学版）， ６结论 ２００８，７（４）：２６—２９． ［５］段理华，周玲．风冷螺杆热泵全热回收机组应用分 （１）热回收率的增加，能够很好地提升整体 析［Ｊ］．建筑热能通风空调，２００８，７（２）：９２－９４． 热回收型风冷螺杆冷水机组的能源利用率，使机 ［６］刘源全，李孟伟，金雷，等．螺杆式热泵机组热回收 组效能得到大幅的提升； 量分析研究［Ｊ］．流体机械，２０１２，４０（２）：９０－９３． （２）板式换热器的出水水温的变化，对于热 ［７］ 刘德道．空调系统热泵热回收的应用浅析［Ｊ］．现代 回收型风冷螺杆冷水机组具有很大的影响，特别 建设，２０１２，１１（７）：１ｏ－１１． 是在制冷效果上，所以在具体运行过程中，需根据 ［８］ 习红军，赵登育．冷水机组低品位冷凝热的回收与 实际情况进行相对合理的设定； 利用［Ｊ］．制冷与空调，２Ｏｌ１，２５（４）：３７４－３７６ ［９］ 由宏新，韩冰，刘润杰，等．气瓶水压爆破试验装置 （３）与标准机组相比，热回收型风冷螺杆冷 关键硬件的选择［Ｊ］．压力容器，２０１３，３０（５）：ｌ７． 水机组在热回收率（＞３０％）下运行，整体机组的 ２１．６７． 效能得到很好的提高。同时，在试验参数范围内， ［１Ｏ］国家质量技术监督局．ＧＢ／Ｔ １０８７０－２００１．容积式和 最佳运行工况为：保持高热回收率，出水温度维持 离心式冷水（热泵）机组性能试验方法［Ｓ］．北京： 在４５℃。 中国标准出版社，２００１． 参考文献 作者简介：王玉刚（１９７２一），男，副教授，主要从事制冷空调、 热物性等方面的研究工作，通讯地址：３１００１８浙江杭州市江干区 ［１］ 江辉民，王洋，马最良，等．家用空调冷凝热回收热 学源街２５８号中国计蜒学院计量测试工程学院。 欢迎订阅２０１４年度《包装与食品机械》杂志 《包装与食品机械》杂志由中国机械工程学 品品质无损检测、食品机械以及食品包装、食品贮 会主办，是中国机械工程学会包装与食品工程分 藏等方面的最新研究成果以及应用技术。主要栏 会会刊。本刊人选中国科技核心期刊（中国科技 目有：试验研究、设计计算、专家论坛、产品开发、 论文统计源期刊），是中国学术期刊综合评价数 技术综述、工艺设备、应用技术、国外技术、标准规 据库刊源期刊、中国核心期刊（遴选）数据库收录 范、专利技术、技术信息等。 期刊、中国期刊网全文数据库全文收录期刊、万方 《包装与食品机械》杂志为双月刊，大ｌ６开， 数据一数字化期刊群全文上网期刊、中国学术期 每册定价１Ｏ．ｏ０元，全年６０．ｏ０元。本刊为邮局 刊（光盘版）入编期刊、首批《ＣＡＪ—ＣＤ规范》执 订阅，国内邮发代号２６—１１１；国外发行代号 行优秀期刊、安徽省优秀期刊、《化学文摘》（ＣＡ） ＢＭ４７９１，或直接向本刊邮购。 收录期刊。国内刊号：ＣＮ ３４—１１２０／ＴＳ，国际刊 地址：合肥高新区天湖路２９号，邮编： 号：ＩＳＳＮ １００５—１２９５。 ２３００８８，电话：（０５５１）６５３３５５６５；６５３１１８８０，传真： 主要报道国内外包装机械与食品机械的设计 ６５３３５８１８，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｆｍｌ１４．ｅｏｍ，Ｅ—ｍａｉｌ： 与制造、包装工艺、包装工艺设备、包装材料及食 ｂｊｚｚｓ＠ｍａｉｌ．ｈｆ．ａｈ．ｃｎ。 品加工技术、食品生物技术、微生物发酵工程、食 逾期订阅，可直接与杂志社联系。
