高速列车空调冷凝热回收节能技术研究

王 伟，杨 艳，和志忠，郑建科，黄雪飞，兰 琪

(中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035)

空调系统的冷凝热量是空调系统制冷量与制冷机输入功率之和。空调设计中，冷凝热量一般为冷负荷的1.3倍左右，所以空调系统冷凝热量是比较庞大的。通常情况下，空调系统的冷凝热是通过冷凝器排入大气，将如此量级的冷凝热直接排到大气中会直接加剧大气的热污染[1-2]。

Healy et al.[3]较早提出将空调冷凝热作为热源来加热生活热水的设想。文献[4-5]指出热回收热泵节能性能佳。我国开始相关技术研究较晚[6]，如果使用高速列车空调冷凝热回收技术将热能回收用于电热水器的辅助加热热源，不但可以降低电热水器的电能消耗，又可以减少空调系统向大气中排放的废热，减轻大气热污染，改善生态环境。因此，对空调系统进行冷凝热回收是很有必要的[7-10]。

1 冷凝热回收方案

针对高速列车空调产生的大量冷凝热，若将热能回收用于电热水器的辅助加热热源，需加装冷凝热回收装置。安装冷凝热回收装置后，原空调系统变化不大，只需在压缩机出口与冷凝器入口之间加装换热装置。按照换热装置的差异[11]以及电热水器补水控制策略的不同，设置了3种换热装置方案。

(1) 方案1换热装置采用板式换热器，同时在车内设置补水缓冲水箱，缓冲水箱内设置循环水泵，推动缓冲水箱内的水通过换热装置循环流动。在换热装置和循环水箱内设置温度传感器，当循环水箱水温小于换热装置后，水泵启动，加热补水缓冲水箱内的存水，压缩机运行后，排气温度一般在80 ℃左右，循环流动可以实现更高的水温，可以选择优先考虑出水温度或速度2种出水策略。

(2) 方案2换热装置采用套管换热器，该方案同样可以有方案1的2种不同的出水策略。不同点是取消了补水缓冲水箱，当电热水器需要补水时才进行换热，能量利用率较低。

(3) 方案3换热装置采用换热水箱，自来水可以在换热水箱中持续加热，能量利用时间相比前2种方案要高一些。但由于换热装置比较简单，换热效率相比前2种方案要低。

图1为3种冷凝热回收方案简图。方案1设置了补水缓冲水箱，保证了电热水器的稳定性；方案2取消了补水缓冲水箱，控制策略简单；方案3设置了换热水箱，自来水可以在换热水箱中持续加热，能量利用时间较高。

图1 3种冷凝热回收方案简图

2 冷凝热回收节能技术分析

以CRH3C型动车组为例进行计算，选取各车定员的最大值(80人)进行计算。按照设计标准，选取平均每位乘客每小时饮水0.3 L进行计算，每节车厢内的乘客每小时饮水为24 L。

设定水温为常温25 ℃，CRH3C型动车组电热水器的加热功率为P为4.8 kW，那么将水从25 ℃加热到100 ℃所需的能耗为：

Q=cmΔt

(1)

式中：Q——水加热所需能耗， kW·h；

c——水的比热容，取c=4.2×103J/(kg·℃)；

m——水的质量，kg；

Δt——加热温差，℃。

由上述分析可知，电热水器供水温度变为50 ℃时，电加热能耗及电加热时间均大幅减少。

以上仅为1节车厢每小时的理论节能数据，如果按照CRH3C型动车组采用8辆车编组计算，列车运行12 h，那么一共可以节约能耗Q′=8×12×Q2=74.88 kW·h。

3 换热器、缓冲水箱及换热水箱参数选择

3.1 换热器参数选择

方案1、方案2中换热器所需换热量Q3=cmΔt=4.2×24×(50-25)=2 520 kJ=0.7 kW·h。

假设电热水器中加热水箱补水8 L需要5 min，那么换热器的换热功率应达到：

式中：T——补水时间。

经计算，换热器的换热功率应达到8.4 kW。而CRH3C型动车组空调机组额定制冷量为45 kW，所以冷凝热量在45 kW以上。如果客室内负荷较低，空调机组只运行1台压缩机，也有22.5 kW以上的冷凝热量，远远超出换热器需要的换热功率。因此，保证50 ℃的出水温度较为容易。

同时，假设电热水器每20 min补水一次，即加热水箱由中水位补水至上水位(补水8 L)，那么换热器的水流量q应该达到：

式中：V——补水量。

经计算，q为0.096 m3/h，假定补水流速v为1 m/s，则补水管管径d为：

经计算，d=0.005 m，因此，应选取5 mm管径的补水管连接换热器与电热水器。同时，换热器的水流量应该达到0.096 m3/h。工程实施时，具体设备参数可以按照厂家提供的产品名册进行选择，根据需要对水流量、换热量、补水管管径及补水流速进行调整。另外，考虑到换热设备与外界环境换热带来的热损失，建议对换热量附加20%的余量。

3.2 缓冲水箱参数选择

以CRH3C型动车组为例，电热水器开水储量≥18 L，开水产量≥40 L/h，电热水器的最大补水量为40 L/h。那么每20 min补水量为8 L，选取10%的余量，缓冲水箱的容积可以定为9 L，并不会占用太多空间。

3.3 换热水箱参数选择

设定换热水箱将水从25 ℃加热至50 ℃的时间为30 min，那么由每节车厢乘客的总饮水量24 L/h可知，换热水箱的容积需大于12 L。考虑到加热管会占用一定的容积，且水箱内上部空气温度升高后会使水箱内压力有一定程度的上升，所以选取20%的余量，换热水箱的容积可以定为14.4 L。

换热水箱的尺寸为400 mm×300 mm×120 mm(仅为水箱尺寸，不包含隔离箱)，换热管采用φ7 mm的铜管(忽略对制冷系统的影响)，共20根，换热水箱内平面和内立面布置如图2所示。

图2 换热水箱内平面和内立面布置图

4 模拟方法及换热效果

针对方案1或方案2，由于换热器供应商可以提供准确的换热参数，此处不再赘述，只对方案3的换热效果进行模拟。

4.1 模型及边界条件的建立

用Fluent软件模拟方案3中换热水箱在水箱壁面无保温和有一定保温2种条件下的换热效果。建立以下边界条件：

(1) 仅选取换热水体为研究对象，不考虑水箱上部空气；

(2) 由于换热管在水箱内均匀布置，模拟任一换热盘管轴线的竖直平面的水温分布，近似看作水箱内的温度分布；

(3) 选用四边形网格；

(4) 换热水箱的壁面温度设定为25 ℃，水体的初始温度设定为25 ℃，制冷剂R407c的入口温度设定为80 ℃。

4.2 换热效果

4.2.1 换热水箱壁面无保温

假设换热水箱壁面温度恒定为25 ℃，分别模拟10 min、20 min、30 min时水箱内的温度分布及速度分布，结果见图3。从图3可以看出：

图3 换热水箱壁面温度恒定时不同时刻水箱内温度和速度分布

(1) 10 min时，换热水箱内至少2/3水体温度已经达到42 ℃以上，盘管中部附近部分水体温度达58 ℃，已十分接近预期的出水温度。水体由于密度差在重力的作用下已经出现明显扰动。

(2) 20 min时，水体温度分布趋势大致与10 min时相同，但是温度普遍上升约3～5 ℃，超2/3区域水体温度已高于47 ℃，盘管中部附近部分水体温度达61 ℃，已满足预期出水温度。水体扰动情况较10 min时也有明显增强。

(3) 30 min时，除水箱壁面附近部分水体温度较低外，其余大部分区域水体温度已经超过50 ℃，盘管附近区域最高水温虽然仍维持在61 ℃左右，但面积有较大幅度增加，水体扰动与20 min时大致相同。

4.2.2 换热水箱壁面有一定保温

拟选取5 mm厚的保温层，采用3层结构：内外层为厚1 mm的不锈钢材料，夹层为厚3 mm的保温材料。保温材料的导热系数选取保温材料定义的下限，即0.2 W/(m·K)，则整个保温层的传热系数为66 W/(m2·K)。

模型的参数设置与无保温条件下的参数设置大致相同，只是壁面温度不再恒定为25 ℃。分别模拟5 min、10 min时换热水箱内的温度分布及速度分布，结果见图4。

从图4可以看出，由于采用了保温措施，5 min时大部分水体温度已经超过50 ℃，盘管中心附近区域水温超过63 ℃，水体扰动已经非常明显。10 min时，水箱内水体温度已经超过63 ℃，水温最高的区域温度已达73 ℃，加热效果非常明显，可实现约50%节能。

5 结论

(1) 本文采用冷凝热回收的方式，先将电热水器补水加热到50 ℃，再进入电热水器加热。若8辆编组列车运行12 h，理论上可节能约74.88 kW·h，节能效果显著。

图4 换热水箱壁面温度不恒定时不同时刻水箱内温度和速度分布

(2) 用Fluent软件模拟加装换热水箱方案，在无保温条件下，换热水箱在30 min时的出水温度可以保证在50 ℃左右，节能约30%。在有一定保温的条件下，换热水箱在10 min时的出水温度已经超过63 ℃，节能约50%。因此，采用加装带保温的换热水箱的热回收方案，加热效果非常明显。

(3) 本研究提供了一种节能方法，具体工程实施方案还需进一步验证。