空气压缩机余热制备生活热水技术探讨

文_林金成 福建省建筑设计研究院有限公司

由于我国能源消耗以化石能源为主，环境问题日益突出，单位GDP能耗较高，节能减排压力日益严峻。作为能源消耗大户和碳排放主要源头的工业建筑，在碳达峰和碳中和的背景下扮演着重要角色。压缩空气是工业领域的主要动力之一，制备压缩空气的空气压缩机是工业建筑中的主要能耗设备,也是节能减排的主要研究对象，其节能减排的措施除了提高输功效率外，还应考虑将空气压缩机运行产生的余热进行回收利用，避免能源浪费。利用空气压缩机余热制备生活热水是余热利用的主要方式之一，进行余热回收利用时应保证空气压缩机运行的安全性、稳定性及输功效率，同时保证制备的生活热水满足安全、卫生等基本要求。

1 空气压缩原理及空气压缩机的余热分布

1.1 空气压缩过程

压缩空气由于其具有便于输送、安全性高、适用性好等特点，因此作为重要的动力源广泛应用于工业建筑中。理想状态的空气压缩过程有绝热压缩和等温压缩，空气压缩机压缩空气的过程是介于这两种状态之间的多变过程。空气压缩过程如图1所示， W表示压缩功， H表示空气焓值， Q表示与外界换热量， P表示绝对压力， V表示体积。

图1 空气压缩过程示意图

①等温压缩：压缩过程中压缩空气产生的热量均散发到环境中，即W=Q， H=0，PV图中的1a曲线。

②绝热压缩：压缩过程中压缩空气与外界环境不进行热交换，即Q=0, W=H+Q，PV图中的1c曲线。

③多变过程：压缩过程中压缩空气产生的热量部分散发到环境中去，即Q>0， H>0， W>H，PV图中的1b曲线。

1.2 空气压缩机运行效率

根据工程热力学原理，空气压缩机运行时，对空气所做压缩功的大小介于等温压缩与绝热压缩之间，机组散热越充分，压缩功越接近等温压缩功，机组的输功效率越高。根据有关设备厂家提供的资料显示，空气压缩机的运行温度每上升1℃，产气量就下降0.5%。因此，为了提高空气压缩机的输功效率、降低能耗，在制备压缩空气过程中，空气压缩机应具备充分散热的条件。

1.3 空气压缩机基本的工作原理和余热分布

为了在保证空气压缩机运行安全性、稳定性和输功效率的前提下合理利用空气压缩机的余热制备生活热水，首先应充分了解空气压缩机基本的工作原理和余热分布。空气压缩机的种类繁多，从工作原理上，可分为容积型、动力型和热力型；从润滑方式上，可分为机油润滑和无油方式。常见的空气压缩机运行时主要余热分布：机组外表面散热量Qm、 油冷却器散热量Qy、 高温压缩气体散热量Qq、 压缩气体潜热散热量Qd、 压缩空气带走的热量Qh。如图2～4所示，m、t、d、h分别表示空气质量、温度、湿度、焓值，下标o和z分别表示初始状态和终了状态，不同机型的压缩方式、温度均有所差异。

图2 喷油螺杆机余热分布示意图

图3 无油两级压缩机余热分布示意图

图4 无油三级压缩机余热分布示意图

根据能量守恒定律，当压缩空气冷却至环境温度时，压缩机向外散发的热量等于空气压缩机对空气所做的功，因此空气压缩机对空气所做的功W=Qm+Qy+Qq+Qh。压缩气体潜热Qd是压缩空气中部分高温水蒸汽经冷却凝结成水带来的热量即汽化潜热，与空气压缩机所做的功无关。

1.4 空压机组运行时可回用的余热量计算

根据上述空气压缩机的基本工作原理和余热分布示意图，可得出空压机组运行时可回用的余热量Ql、油冷却器散热量Qy、高温压缩空气散热量Qq、压缩气体冷凝水的潜热量Qd, 即Ql=W－Qm－Qh+Qd。

①空压机组外表面散热量Qm的计算见式（1）：

式中Qm—换热量，kW；α—平均换热系数，kW/（m2·℃）；Δt—换热平均温差，℃。

②空气含湿量d的计算见式（2）：

式中d—空气含湿量，kg/kg干空气；φ—空气相对湿度，%；P—空气压力，Pa；Ps—水蒸汽分压力，Pa。

③压缩气体带走的热量为进出口空气的焓差，即Qh=hz-h0，湿空气的焓值计算见式（3）：

式中h—湿空气的焓值，kJ/kg干空气；t—湿空气温度，℃。④压缩气体冷凝水的潜热量Qd的计算见式（4）：

式中m—干空气的质量流量，kg/s；Δd—空气含湿量差(do-dz)，kg/kg干空气；γ—气化潜热，kJ/kg。

空气压缩机组可回用的余热量Ql可根据上述公式计算得出。理论上，Ql占比较高，约占W的85%左右，甚至当压缩空气进出口含湿量差大、汽化潜热高时可达100%以上，不同进气湿度冷凝水潜热量Qd计算如表1所示。目前， 诸多余热回收设备厂家提供的喷油螺杆机回收资料显示，单油路回收时热回收量达机组输入功率的80%，油气双回路回收时热回收量达机组输入功率的88%，均有较好的热回收效果。但在实际热回收应用中，由于受热回收的载体温度过高，机组进出口空气含湿量差小和热回收系统不合理等因素影响，造成实际的热回收量偏低。

表1 不同进气湿度冷凝水的潜热量计算表

2 空气压缩机余热制备生活热水的思路

随着我国工业化的发展和生活水平的提高，现代工业建筑的生活间、公共淋浴间、宿舍已基本采用集中生活热水系统以改善职工的生活条件。为了节能减排、绿色环保，集中生活热水系统的热源应优先采用工业余热。

进行余热利用时，首先应了解空气压缩机的基本工作原理，再根据余热温度、散热量及冷却温度等参数，合理确定余热回收方案。利用空气压缩机余热制备生活热水时，在保证空气压缩机运行安全性、稳定性和输功效率的前提下，还应确保制备的生活热水满足安全、卫生等基本要求，且能最大限度的对余热进行回收利用并满足热水供应的要求。因此，不建议采用循环加热的方式，宜采用自来水冷水直接加热至设计温度的方式，这比循环加热的温差大，余热回收效率高，且高温压缩气体冷却后的温度也更低，利于提高空气压缩机的输功效率。综合上述因素，对利用空气压缩机余热制备生活热水的思路详见图5～7。

图5 喷油螺杆机余热制备生活热水示意图

图6 无油两级压缩机余热制备生活热水示意图

图7 无油三级压缩机余热制备生活热水示意图

3 空气压缩机余热制备生活热水应注意的要点

为保证空气压缩机运行的安全性、稳定性和输功效率，应保留机组原有的冷却系统，当余热回收后余热载体的温度达不到要求时，应自动开启机组冷却系统，保证空气压缩机正常运行。

对高温油路余热回收利用时，余热回收后的油温应满足机组运行的要求，避免出现因油温不足时机组自动进行加热而产生电耗的现象。当油温<40℃时，油的粘度系统和机械摩阻较大,不利于设备运行，更重要的是易产生大量积碳,造成空气压缩机在高温条件下发生燃烧或爆炸的事故。

对高温压缩气体的余热应最大限度的利用，较低的进气温度，可节省机组冷却系统运行的能耗，提高压缩机的工作效率。采用自来水冷水直接加热至设计温度的方式可实现最大限度降低高温压缩气体冷却后的温度。

应根据不同余热载体的特性合理选用换热器，不仅要考虑换热效率，还应从卫生、安全及摩阻系数等因素综合考虑。应选用无滞流区且不易结垢的高效换热器，同时涉水部位应采用食品级的耐腐蚀材料。高温油路宜采用阻力系数小的油水管式换热器，高温压缩气体宜采用换热面积较大的气水板式换热器。

4 生活热水的供水保障

生活热水应确保水质、水温、水量和水压满足用户要求，因此在利用空气压缩机余热制备生活热水时，还应综合考虑水质防污、温度控制、供热需求量及防结垢等因素。为避免水质在余热回收时造成二次污染，余热利用时应采用间接加热的方式，严禁将自来水直接导入机组冷却系统进行加热； 对高温回油进行余热回收， 应考虑换热器腐蚀破损漏油造成水质污染的风险，宜采用二次换热方式或配置油质在线监测系统。换热器出水温度应满足使用要求，同时最高出水温度不宜超过60℃，水温过高容易造成人员烫伤及设备、管道结垢，设备及管路的热损也大。另外，应采用防结垢设备或采取有效的除垢措施，避免影响热交换器和空压机运行效率。

利用空压机余热制备生活热水，还应保证供热量满足使用要求。首先应对空气压缩机组的工作原理和可回收的余热量进行分析；再采取合理的回收利用系统，最大限度的回收余热，并根据回收利用系统计算出回收的热量或产水量；最后根据空气压缩机的运行规律、回收的热量或产水量和热水用户的需求量对铺助热源和储热水箱进行合理配置。生活热水系统中的铺助热源、储热水箱、水泵等的计算及选型要求在相关的标准、资料已明确，本文不再赘述。

5 结语

利用空气压缩机余热制备生活热水，可避免能源浪费，提高空气压缩机的输功效率，节约能耗；制备的生活热水应满足安全、卫生等基本要求，余热回收方案应根据空气压缩机工作原理、散热参数及热水需求等方面进行合理确定；加热方式应采用间接加热或二次换热，采用自来水冷水直接加热至设计温度可最大限度的回收余热。在碳达峰和碳中和的背景下，在工业建筑中充分回收利用工业余热对节能减排有着重要意义。