组合式空调热水换热系统的节能技术研究

组合式空调热水换热系统的节能技术研究

康跃凯 潘辉 汪炳炎

厦门烟草工业有限责任公司 福建厦门 361022

摘 要：本研究探讨一种基于热泵技术的组合式空调热水换热系统的设计与优化方案，以期实现更高的能效比和更低的运行成本，所提出的改进措施不仅有助于提升系统的整体性能，还能为同类系统的设计提供有价值的参考。本文还将通过仿真模拟验证所提方案的有效性和可行性。期望本研究能够为推动节能减排技术的应用和发展提供新的思路与实践依据。

关键词：组合式系统；空调系统；热能换热；节能技术；热泵技术

随着能源危机和环境问题的日益突出，提高能源利用效率已成为全球关注的焦点。作为能耗大户，空调和热水供应系统的能效水平直接影响着建筑物的整体能耗，传统的空调系统和热水供应系统通常是独立运行的，这种分离模式既容易导致能源的浪费又增加了系统的复杂性和维护成本。组合式空调热水换热系统能够有效整合冷暖供应和热水加热过程，因而受到广泛关注，该系统通过共享冷凝热等方式实现了能源的梯级利用，从而提高了能源利用率并减少了环境污染[1]。

一. 理论基础

1.1 空调系统工作原理简述

现代建筑中广泛使用的空调系统主要由制冷剂循环系统和空气处理系统两大部分组成。制冷剂循环系统通过压缩机将低温低压的制冷剂压缩成高温高压的气体，随后经过冷凝器散热降温成为液体，再通过膨胀阀降压降温成为低温低压的液态制冷剂，最后在蒸发器中吸收热量，变为气态，完成一次循环。空气处理系统则负责将室内空气引入蒸发器进行冷却除湿处理后，再送回室内。

1.2 热水换热技术概述

热水供应是日常生活中不可或缺的一部分，传统的电热水器或燃气热水器虽能满足基本需求，但能耗较高且存在安全隐患，相比之下，换热技术凭借高效、安全的特点成为替代传统方式的理想选择。特别是在与空调系统结合的情况下，热水换热技术可以回收空调系统中的废热，用于加热生活用水，既节约了能源又降低了运行成本。

二. 系统节能设计与优化

2.1 热回收模块的优化

组合式空调热水换热系统的节能设计核心在于通过有效的热能回收与再利用机制，最大化能源利用效率，系统的基本构架包括空调制冷模块、热水加热模块、热回收模块以及智能控制中心。空调制冷模块在运行过程中会产生大量的冷凝热，这部分热量通常被视为废热排放到环境中，但通过高效的热回收模块，这部分热量被引导至热水加热模块并用于加热生活用水，在避免废热直接排放的同时大大减少了热水加热所需的外部能源输入。热回收模块可进一步优化。首先优化流道结构增加湍流效应，提高换热效率，具体而言，可在换热器内部增加扰流板或改变流道形状，使流体形成更加复杂的流动模式，从而增加换热面积并提高换热效率，在此基础上采用多级换热结构，也就是逐级提取热量，确保冷凝热被充分回收利用[2]。

2.2 关键部件选择

压缩机是热泵系统的核心组件，其效率直接影响到整个系统的能效比（COP），故本研究选用高能效比的变频压缩机，该压缩机可以根据实际负荷需求动态调整转速进而避免不必要的能量损耗。变频压缩机的工作原理是通过改变电源频率来调节压缩机的转速实现对制冷量的精细控制，举例来讲，在夜间或室内外温差较小的情况下压缩机可以降低转速运行，减少能耗，而在白天或温差较大时则以加速运行以满足更高负荷需求。热交换器的设计也极为重要，本研究采用新型高效换热材料（如石墨烯增强复合材料），既能提高传热效率又可以减少热损失，进一步增强系统的节能效果。这类材料具备优良的导热性能，还具有轻量化和高强度的特点，使得换热器在承受高压的同时保持紧凑轻便的结构。为减少输送过程中的能量损失。系统中使用的管道及连接件均选用耐腐蚀、低摩擦系数的材料。

2.3 创新节能优化

引入先进的传感器技术和云计算平台以实现系统的智能调控。当检测到室外温度较高时系统会自动调整运行模式并优先启用热回收功能，最大化利用空调排放的冷凝热，在较低温度条件下则会适时切换至辅助加热模式，确保热水供应稳定。系统还配备自适应学习算法，能够根据用户的使用习惯和历史数据预测未来的热需求，提高整体效率。内置的传感器网络还能监控各个组件的工作状态，一旦检测到异常情况（如换热器堵塞或压缩机过热），系统将及时发出警报并提供相应的故障排查指导。

三. 仿真模拟与实验验证

3.1 建立模型及其参数设置

为了准确评估采用本文提出的节能策略的组合式空调热水换热系统的性能，本研究建立了系统的数学模型，该模型涵盖空调制冷模块、热水加热模块、热回收模块以及智能控制中心的主要工作原理。在模型构建过程中，本实验详细定义了各组件的物理参数，包括但不限于压缩机的能效比（COP）、热交换器的传热系数、管道的热阻以及控制系统的响应时间等。

压缩机的能效比（COP）可以通过以下公式计算：

有用热量是指系统在制冷或制热过程中传递给房间或热水的热量，输入功率则是指压缩机运行所需的电功率。

热交换器的传热效率 可以通过传热系数

和换热面积来描述：

其中， 和 分别是换热器两端的最大和最小温差。

3.2 实验设计、数据采集与分析

实验分为两个阶段：首先是实验室模拟测试，通过控制变量法，在设定的不同环境温度和负荷条件下记录系统各项指标的变化；其次是现场实测，选取具有代表性的建筑进行长期运行测试以评估系统在真实环境中的表现。在数据采集阶段，利用高精度传感器对系统运行中的关键参数进行实时监测，包括压缩机工作电流，热交换器进出口温度和 ​，热水温度以及系统能耗等[3]。这些数据为后续的数据分析提供了坚实的基础。

3.3 模拟结果与讨论

仿真模拟之后，我们获得了系统在不同工况下的运行数据并与实验测量结果进行了对比分析。结果显示，系统在夏季高温环境下热回收模块能够将空调运行产生的冷凝热有效利用于生活热水的加热，系统的整体能效比（COP）显著提升。系统在环境温度为35°C时能够回收空调产生的大部分冷凝热，可将冷水从20°C加热至42°C，此时系统的COP达到了4.5以上，明显高于传统空调系统的能效比。在冬季，尽管环境温度较低，但由于采用了智能控制系统，系统能够根据实际需求灵活调整运行模式，保证热水供应的同时也维持了较高的能效水平。模拟数据显示，系统在环境温度降至5°C时仍然能够高效运行，通过辅助加热与热回收相结合的方式确保热水温度稳定在所需范围内，COP值维持在3.0以上。此外，实验数据还表明，由于采用了新型高效换热材料和优化的流道设计，系统在长期运行过程中的换热效率稳定，未出现明显的性能衰减现象，在长达一个月的连续运行测试中，系统平均每天节省的电能约为2kWh，相当于减少了大约20%的能耗。

四. 结束语

本文的节能优化方案不仅能有效整合冷暖供应与热水加热过程，大幅降低能耗，还能改善用户体验，具有重要的应用价值。未来的研究可进一步探索不同气候条件下的系统适应性，优化控制算法以增强系统的智能化水平并深入分析长期运行的经济性与环保效益，为推动节能减排技术的实际应用提供更为坚实的理论与实践依据。

参考文献

[1]田靖南,胡晓浩,肖峰.组合式空调节能方式的研究[J].化工管理, 2021, 000(007):40-41.

[2]李燕.换热系统和空调系统:CN202111258322.2[P].CN116025956A[2024-10-23].

[3]杜江.组合式空调机组性能数值模拟及影响因素分析[D].东华大学,2004.DOI:10.7666/d.y580877.