目前国内在建的和已建成的酒店、宾馆、大型商业以及高档办公等公共建筑, 均为能耗大户, 并且大多设有集中空调系统和24h集中生活热水供应系统, 而集中空调的循环冷却水系统又以设有冷却塔的开式水冷系统为主要方式, 集中生活热水系统则一般采用燃气锅炉直接对各竖向分区冷水给水直接进行加热供给。在上述公共建筑的能耗方面, 特别是高档酒店, 主要能耗为空调系统、集中生活热水、照明三大部分, 其中空调系统及生活热水系统的能耗之和超过总能耗的70%^[1], 对此部分的节能研究具有较高的现实意义。

　　 由于专业系统分工及传统的习惯认知等原因, 在对大型公共建筑进行设计时, 一般会将集中生活热水系统和空调循环冷却水系统设计为独立运行、互不相干的系统, 根据下文的分析会看出, 这种模式会存在一定程度的能源、水资源的浪费现象, 运行成本较高, 两个系统的运行工艺原理见图1。

　　 其中, 一般情况下, 空调循环冷却水进冷却塔的水温是37℃, 出冷却塔水温的是32℃, 通过冷却塔的蒸发冷却等效应对冷却水进行降温, 把热量直接散发到空气当中, 这部分巨大的热量白白损失掉了;而集中热水系统则需通过燃气锅炉等加热设备把冷水的初始温度 (一般春秋季为10~20℃, 夏季为15~25℃, 有地区差异) ^[2]提升到生活热水系统所需的60℃甚至更高, 所需能耗极大。

　　 由上所知一方面空调系统循环冷却水需要放出热量, 集中生活热水系统则需要吸收热量, 并且循环冷却水的水温比热水系统冷水进水水温普遍高10~20℃, 虽然为低位热能, 但仍可作为生活热水的预加热热源加以利用, 可惜常规设计并没有把两个系统统筹考虑, 而是各自独立设计、安装、运行, 没有考虑循环冷却水的低位余热回收利用措施, 导致大量能源和部分水资源浪费, 不符合当代节能环保的趋势要求。

　　 循环冷却水余热回收系统是将集中热水系统和集中空调的循环冷却水系统两者合理衔接, 将进入冷却塔之前的一部分空调系统循环冷却水旁通, 通过余热循环泵1、套管式换热器、余热循环泵2及余热储热罐等装置实现对集中生活热水循环系统的冷水进水进行预加热, 提高其基础水温 (春秋季可提高约15℃, 夏季可提高约8℃) , 而后经过燃气锅炉 (或者其他高位热源) 加热至热水系统所需的60℃后, 再由热水管网输送至生活热水各用水点, 满足卫生热水系统的供热要求。采用套管式换热器的循环冷却水余热回收系统的具体工艺原理见图2。

　　 本系统之所以采用套管式换热器, 是因为套管式换热器是由直径不同的两个同心套管组成 (见图3) , 大流量的循环冷却水走在内侧套管, 小流量的需预热冷水则走在内外两套管之间的空隙, 两种流体逆向流动, 都有较高流速和较大的换热面积, 换热充分、局部水头损失小并且构造简单、可耐高压、基本不需要维护保养, 但缺点是在水-水换热的情况下K值较小、占地面积较大。

　　 本系统的一个可替代方案是采用换热效率更高、换热更为充分、占地面积较小的板式换热器代替套管式换热器[在低品位水-水换热的情况下, 套管式换热器的K值一般为300~500 W/ (m²·℃) , 而板式换热器可高达2 000~5 000 W/ (m²·℃) ], 但板式换热器造价较高、局部水头损失大、易堵塞 (开式循环冷却水系统水质一般不好, 会有颗粒物等杂质) , 一般推荐用于水质较好的闭式循环冷却水系统 (采用闭式冷却塔) 或冷却塔处于较为清洁场所且日常设备管理较好的开式循环冷却水系统 (采用开式冷却塔) , 板式换热器要求不易堵塞、便于拆洗, 在每个用水季节结束后需请专业人员对换热器进行开拆、冲洗、再安装等维护。采用板式换热器的循环冷却水余热回收系统的具体工艺原理见图4。

　　 余热回收罐的容积可根据项目具体情况由设计决定, 建议采用按卫生热水用水总时间计算出的平均一个小时所需的容积;余热回收罐可以储存的热量按此容积及预估的冷水提升温度来计算, 据此算出相应的套管式换热器所需的换热面积, 进而计算出合适的换热器选型参数;余热换热器前冷却水进出口的温差可按5℃考虑, 余热换热器后的冷水进出口温差则根据地方实测资料确定 (一般春秋季为10~20℃, 夏季为15~25℃) , 再由此计算出余热循环泵1、余热循环泵2的流量及扬程等选型参数;余热储热罐后热水循环系统管路计算、设备选型与常规热水循环系统无异, 不再赘述。

　　 本系统将集中生活热水系统和空调循环冷却水系统两者有机结合起来, 利用空调循环冷却水系统的低位热能来提高生活热水系统的冷水进水的基础水温, 减少后续加热器的负担, 实现节能的目的;同时, 通过集中热水系统的热量吸收, 一定程度上降低了循环冷却水的进塔水温, 减少冷却塔散热负荷, 一定程度上降低冷却塔的蒸发损失, 同时实现节水的目的。

　　 集中生活热水系统在春秋季热水需要的温升是60-15=45 (℃) (春秋季平均进水水温按15℃计) , 冷水进水温度按通过采用套管式换热器的循环冷却水余热回收系统提高12℃温升至27℃考虑, 相比较于传统热水系统约可节约热水所需全部能耗的12/45=26.7%。集中生活热水系统在夏季热水需要的温升是60-20=40 (℃) (夏季平均进水水温按20℃计) , 冷水进水温度按通过套管式换热器的循环冷却水余热回收系统提高7℃温升至27℃后, 相比较于传统热水系统约可节约热水所需全部能耗的7/40=17.5%。同时, 经过余热回收后的循环冷却水以较低温度进入冷却塔, 可以取得更好的冷却降温效果, 对于实现空调制冷机机组高效稳定运行、降低集中空调系统的运行能耗有着非常有利的作用, 实现两个系统的节能双赢。若采用板式换热器的循环冷却水余热回收系统, 由于板式换热器的K值、对数温差可以更大, 其节能效果会更加显著, 相比较于传统热水系统, 对于春秋季节能可高达44.4% (春秋季温升15~25℃) , 夏季可高达37.5% (夏季温升10~20℃) 。

　　 取决于集中生活热水耗热量与空调循环冷却水系统放热量的占比, 占比越大, 节水效果越显著。因通过循环冷却水余热回收系统进行热量回收后, 冷却塔会有较低的进塔水温, 可以减少蒸发损失, 有利于冷却塔的节能节水。

　　 某五星级酒店生活热水系统平均小时用水量为10m³/h, 采用套管式换热器对循环冷却水进行余热回收, 以夏季进水水温为20℃为例来计算节能效果:热媒工作压力按1MPa, 进口温度t_mc=37℃, 出口温度t_mz=32℃;给水工作压力按1 MPa, 进口温度t_c=20℃, 出口温度t_z=27℃;被加热给水流量q_g=10m³/h, 最终热水温度为60℃ (使用燃气热水锅炉再行加热) ;为保证较好的换热效果, 套管式换热器采用逆流式工况进行换热。根据《建筑给水排水设计规范》 (GB 50015—2003, 2009年版) 有关耗热量的计算方法^[3]及《动力专业设计常用数据》 (06R503) 中常用热工单位换算^[4]进行以下计算:

　　 理论回收热量Q_g=q_g (t_z-t_c) ρ_rC=10 000× (27-20) ×1.0×4.187=29 3090 (kJ/h) =81.41kW/h。

　　 根据《管壳式换热器》 (GB 151—1999) , 及相关技术样本进行设计计算:

　　 需套管式热交换器换热面积:F=C_rQ_g/ (εKΔt_j)

　　 式中C_r———耗热量系数 (取1.1~1.2) , 取C_r=1.15;

　　 ε———污垢系数 (0.6~0.8) , 取ε=0.7;

　　 将以上各值代入:F=1.15×81.41×10³/ (0.7×400×9.8) =30.48 (m²) 。

　　 实际所需热媒的流量:q_mg=C_rQ_g/[ε (t_mc-t_mz) ×C]=1.15×293 090/[0.7× (37-32) ×4.187]=23×10³ (L/h) =23m³/h, 设计取q_mg=30m³/h。

　　 按流速不大于1m/s设计:

　　 热媒进出口管径为DN100, 管内流速v₁=0.962m/s;给水进出口管径为DN65, 管内流速v₂=0.788m/s。

　　 相应热媒循环泵1参数:Q₁=30 m³/h, H₁=10m, N₁=1.5kW;余热循环泵2参数:Q₂=10m³/h, H₂=10m, N₂=0.37kW。

　　 实际回收热量Q_gy=Q_g-N₁-N₂=81.41-1.5-0.37=79.54 (kW/h) ;

　　 自身余热回收率η₁= (Q_gy/Q_g1) ×100%= (79.54/81.41) ×100%=97.70%;

　　 最终热水需要的热量Q_gr=10 000× (60-20) ×1.0×4.187=334 960 (kJ/h) =465.2kW/h;

　　 最终余热回收节能率η₂= (Q_gy/Q_gr) ×100%= (79.54/465.20) ×100%=17.10%。

　　 同样的案例, 若采用板式换热器, 冷却水进出水温度及被加热给水进水温度不变, 由于传热系数K=4 000 W/ (m²·℃) , 而被加热给水出口温度t_z可达35℃, 则每小时净余热回收热量为169.7kW, 最终余热回收节能率η₂可达36.48%。

　　 公共建筑, 特别是酒店建筑, 热水需求量大、能耗极大, 采取简单有效的节能措施降低运行能耗, 具有迫切的现实要求和必要性。本系统将原本独立运行、互不相关的集中生活热水系统与空调循环冷却水系统有机结合起来, 利用套管式换热器或者板式换热器进行热交换, 从而提高集中热水系统的冷水进水基础水温, 充分利用循环冷却水的低位热能, 从而实现节能节水的目的。

　　 本系统对常规空调循环冷却水系统、集中生活热水系统的改动较小, 增加投资较少, 只需增加套管式换热器或者板式换热器、余热储热罐、循环泵、旁通阀门、隔滤器等低成本设备、配件及相关控制设备, 即可实现空调循环冷却水系统的余热回收与节水的效果, 从而降低集中生活热水系统的运营成本, 为业主带来收益, 同时也满足了节能环保的要求, 有着较高的投资回报率和较大的社会效益。

　　 本系统具有较强的推广应用价值, 除可在新设计的公共建筑特别是酒店建筑采用外, 热水需求量较大的在建或已建成的公共建筑凡是具备场地空间等必要因素的, 均可采用本技术进行节能节水改造。本系统已成功申请了国家专利, 并已在几个高档酒店项目中设计、施工、应用。