熱泵熱水系統(tǒng)探討管理論文

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摘要：針對熱水能耗和廢熱利用的現(xiàn)狀，本文提出了廢水熱源的儲能型熱泵熱水系統(tǒng)，對其工作過程和理論循環(huán)進(jìn)行了闡述和計(jì)算分析，并與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行了對比。同時(shí)，本文對于該系統(tǒng)今后的應(yīng)用，也提出了建議和需要考慮的問題。

關(guān)鍵詞：廢水熱源儲能型熱泵熱水系統(tǒng)計(jì)算分析

0前言

各種資料顯示，城市各類商業(yè)建筑衛(wèi)生熱水能耗比例達(dá)到10%~40%，城市民用建筑熱水能耗，僅洗澡熱水用能就接近20%，城市家庭熱水器普及率已經(jīng)達(dá)到70%以上，農(nóng)村小鎮(zhèn)家庭使用熱水器的比例也越來越大[2]。上海地區(qū)商業(yè)建筑衛(wèi)生熱水能源消耗在建筑總能耗中的比例為：寫字樓，2.7%;商場,10.7%;飯店,31%;醫(yī)院,41.8%[3]。另外,城鎮(zhèn)食品加工,游泳館等,農(nóng)村水產(chǎn)養(yǎng)殖,農(nóng)產(chǎn)品加工等也需要消耗大量不同溫度的熱水。由此可見，目前衛(wèi)生、生產(chǎn)熱水能耗在建筑能耗中的比例越來越大，建筑衛(wèi)生熱水節(jié)能日益受到重視。

此外，大型商業(yè)建筑，為了營造舒適的環(huán)境和提供各種服務(wù)功能，消耗大量能源的同時(shí)，以廢熱、廢水的形式向環(huán)境排放大量廢熱，加速了城市“熱島效應(yīng)”。越來越多的高能耗商業(yè)建筑采取了廢熱回收措施，都取得了顯著效益[4-6]。

在我國，節(jié)能已成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中重要一環(huán)，關(guān)鍵一環(huán)，國家和各地政府紛紛出臺節(jié)能政策及措施，如實(shí)行產(chǎn)品節(jié)能認(rèn)證，執(zhí)行電力價(jià)格杠桿，拉大峰谷電價(jià)差及高峰用電時(shí)段需求限制等，同時(shí)也號召和鼓勵(lì)企業(yè)開發(fā)節(jié)能型產(chǎn)品。

1研究的目的和意義

建筑熱水能耗的節(jié)約大致有三類途徑：

⑴太陽能等可再生能源的利用；

⑵建筑廢熱以及其他形式廢熱的回收利用；

⑶采用新技術(shù)，加強(qiáng)管理，提高熱水的生產(chǎn)和利用效率[7]。

其中，將熱泵技術(shù)應(yīng)用到熱水系統(tǒng)中，回收各種低品位廢熱，是解決建筑熱水高能耗的有效途徑之一。

以廢水為熱源的儲能型熱泵熱水系統(tǒng)主要用于大量熱水的供應(yīng)及廢熱再利用，也可用于工業(yè)廢熱回收。該系統(tǒng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

⑴冷熱源溫差大為減小帶來顯著的節(jié)能效果；

⑵可利用夜間電力工作，平衡電網(wǎng)峰谷負(fù)荷；

⑶由于廢熱大大提高了系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，熱泵的結(jié)霜問題得以改善或避免；

⑷可實(shí)現(xiàn)熱水、采暖、供冷的一體化。

普通衛(wèi)生洗浴系統(tǒng)，很大一部分熱能白白排放浪費(fèi)掉了，如能回收這部分熱能，則節(jié)能效益是十分可觀的。文獻(xiàn)8中對典型浴室和典型氣候條件下洗浴廢水的溫度變化情況進(jìn)行了詳細(xì)測試，其結(jié)果如圖1所示。

圖1淋裕水溫降值測試(水流量6L／min)

從圖1可以看出，熱水洗浴后，廢水溫度仍然達(dá)到36℃左右，熱回收潛力相當(dāng)大。以廢水為熱源的儲能型熱泵熱水系統(tǒng)在國外已有一定的理論研究基礎(chǔ)和應(yīng)用實(shí)例，但在國內(nèi)還屬于起步階段。本文從整體循環(huán)的角度，對以廢水為熱源的儲能型熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行探討，并進(jìn)行了理論計(jì)算與性能分析，同時(shí)與其他系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較。

2工作過程及理論循環(huán)分析

2.1系統(tǒng)組成及工作過程

利用熱泵制取生活熱水可以提高節(jié)能效果，其COP值可達(dá)3~5。但空氣源熱泵熱水器存在冬天制熱系數(shù)明顯降低，室外換熱器結(jié)霜的問題，大大限制了其使用范圍。在日常生活和生產(chǎn)中洗滌的廢熱水一般直接排放，其所攜帶的余熱被白白浪費(fèi)。以廢水為熱源的儲能型熱泵熱水系統(tǒng)以消耗一部分電能為代價(jià)，通過熱力循環(huán)，把廢熱水中儲存的能量加以發(fā)掘利用，用來生產(chǎn)熱水。在用電谷段（上海22:00~6:00）以廢熱水為熱源，產(chǎn)生熱水并儲存在熱水箱中，隨時(shí)供用戶利用。從熱力學(xué)工作原理上看，它與制冷機(jī)相同，就是以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統(tǒng)，所不同的是兩者的目的和工作溫度區(qū)往往有所不同。制冷裝置從低溫?zé)嵩次鼰幔瑺I造低溫環(huán)境；而廢水為熱源的儲能型熱泵熱水系統(tǒng)是從廢熱水中吸取熱量，加熱生產(chǎn)或生活熱水。

該系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、熱水換熱器、電子膨脹閥、儲熱水箱、過濾裝置、廢熱水箱、水泵及若干截止閥和相應(yīng)的控制裝置等組成，其工作流程如圖2所示：從浴室等場所排放出來的廢水，經(jīng)過濾器6過濾處理后，為了保持一定的流量和溫度，便于控制，先儲存在廢熱水箱7中，經(jīng)過循環(huán)水泵9不斷與蒸發(fā)器2中的制冷劑進(jìn)行換熱。蒸發(fā)器2中的制冷劑吸收廢水的熱量，蒸發(fā)為干飽和蒸汽，被吸入壓縮機(jī)1，壓縮機(jī)將這種低壓工質(zhì)氣體壓縮成高溫、高壓氣體送入熱水換熱器3，經(jīng)水泵強(qiáng)制循環(huán)的水也通過熱水換熱器3，因此，水吸收了工質(zhì)送來的熱能，并將熱量儲存在熱水箱5中，隨時(shí)為用戶提供熱水，而工質(zhì)經(jīng)換熱后在定壓下冷凝放熱，并進(jìn)一步在定壓定溫下冷凝成飽和液體，從而將水加熱升溫到所需溫度。飽和液體通過電子膨脹閥4經(jīng)絕熱節(jié)流降壓降溫而變成低干度的濕蒸汽，再次進(jìn)入蒸發(fā)器2，使熱水箱5中的水溫逐漸升高，最后達(dá)到60℃左右的水溫甚至更高，正好適合日常使用。通過加裝混合閥，可使出口熱水與儲水箱下步溫水混合而得到不同溫度的水，滿足不同場合的需要，這就是以廢水為熱源的儲能型熱泵熱水系統(tǒng)的工作原理。

圖2系統(tǒng)流程圖

1壓縮機(jī)2蒸發(fā)器3熱水換熱器4電子膨脹閥

5儲熱水箱6過濾器7廢熱水箱8截止閥9水泵10浴室

2.2系統(tǒng)理論循環(huán)及性能分析

熱泵的熱力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)可由其性能系數(shù)COP（CoefficientofPerformance）來表示。COP指其收益（制熱量）與代價(jià)（所耗機(jī)械功或熱能）的比值。對于消耗機(jī)械功的蒸汽壓縮式熱泵，其性能系數(shù)COP也可用制熱系數(shù)εh來表示，

即εh=Qh/P………………①

在熱泵熱水系統(tǒng)的推廣使用上，很多廠家和科研單位對于熱泵熱水系統(tǒng)的工質(zhì)應(yīng)用進(jìn)行了多方面的研究。目前，在熱泵系統(tǒng)中，R22極有希望的混合替代工質(zhì)為R407c和R410a。近共沸混合物R410a雖然具有基本恒定的沸點(diǎn)，但它的單位制冷量容積較大，排氣壓力較高，作為替代制冷劑就要求對設(shè)備改造；R407c具有與R22相近的制冷量，壓力基本相當(dāng)，對整個(gè)系統(tǒng)的改動(dòng)小，但其傳熱特性較差，需用酯類潤滑油更換R22的潤滑油，一旦出現(xiàn)泄漏，系統(tǒng)制冷量和制冷效率迅速下降。而R417a作為一種新型環(huán)保工質(zhì)，它排氣溫度比R22低，不用更換潤滑油，吸排氣壓力比R22系統(tǒng)稍高或接近，完全可以在熱泵熱水系統(tǒng)中直接替代R22，并可以安全可靠運(yùn)行[9]。因此，本文選取制冷劑R417a為理論計(jì)算工質(zhì)，進(jìn)行理論熱力計(jì)算：

致冷工質(zhì)的流量m(kg/s)，單位工質(zhì)的制熱量q1(KJ/kg)，單位工質(zhì)的耗電量w0(KJ/kg)，

系統(tǒng)制熱量Qh=mqh(KJ)

系統(tǒng)耗電量W=mw0(KJ)

代入式①得到:εh=q1/w0……………②

考慮一定的過冷度和過熱度，系統(tǒng)理論循環(huán)如圖3所示。

Qh=h2-h4，w0=h2-h1

則

圖3系統(tǒng)的理論循環(huán)

此外，為了對熱泵熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考，本文選取一組典型工況（蒸發(fā)溫度30℃，過熱度5℃，冷凝溫度60℃，過冷度5℃），采用不同工質(zhì)進(jìn)行理論計(jì)算，其結(jié)果列表如下。

表1工質(zhì)理論計(jì)算特性表工質(zhì)冷凝熱量（kW）理論制熱系數(shù)εh壓比壓差(kPa)壓縮機(jī)耗功（kW）壓縮機(jī)排氣溫度(℃)壓縮機(jī)排氣壓力(℃)

R221.206.7422.0461242.80.17892.4424.31

R134a1.216.9942.209929.900.17378.9016.99

R407c1.226.5952.1571337.80.18585.7324.94

R417a1.226.8542.0701112.00.17875.8021.52

（注：計(jì)算工況蒸發(fā)溫度30℃，過熱度5℃，冷凝溫度60℃，過冷度5℃）

考慮到廢熱水和用戶所需熱水的溫度波動(dòng)，本文針對不同廢熱水水溫以及不同的熱水溫度（即選取不同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度），以R417a為例進(jìn)行計(jì)算。考慮傳熱溫差，取冷凝溫度Tk=50~65℃，蒸發(fā)溫度T0=5~30℃，每5℃進(jìn)行一次理論計(jì)算，計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

由圖4可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)冷凝溫度一定時(shí)（即用戶設(shè)定熱水溫度保持不變），隨著蒸發(fā)溫度提高（即廢熱水溫度不斷升高時(shí)），系統(tǒng)的制熱系數(shù)不斷提高，如圖4（a）所示；

（2）當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時(shí)（即廢熱水溫度保持恒定），隨著冷凝溫度提高，制熱系數(shù)明顯下降；

（3）在所設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，取不同的蒸發(fā)溫度T0和冷凝溫度Tk，當(dāng)溫差Tk-T0保持不變時(shí),制熱系數(shù)基本上沒有什么變化,但隨著溫差的不斷加大,制熱系數(shù)有明顯降低的趨勢,由此可見，溫差的變化對制熱系數(shù)影響很大，如圖4（c）所示；

（4）制熱系數(shù)在冷凝溫度Tk=50℃出現(xiàn)最高點(diǎn)，蒸發(fā)溫度T0=30℃，理論εh=10.65，這也為系統(tǒng)的控制及用戶水溫設(shè)定提供了一定的參考。

由圖4可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)冷凝溫度一定時(shí)（即用戶設(shè)定熱水溫度保持不變），隨著蒸發(fā)溫度提高（即廢熱水溫度不斷升高時(shí)），系統(tǒng)的制熱系數(shù)不斷提高，如圖4（a）所示；

（2）當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時(shí)（即廢熱水溫度保持恒定），隨著冷凝溫度提高，制熱系數(shù)明顯下降；

（3）在所設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，取不同的蒸發(fā)溫度T0和冷凝溫度Tk，當(dāng)溫差Tk-T0保持不變時(shí),制熱系數(shù)基本上沒有什么變化,但隨著溫差的不斷加大,制熱系數(shù)有明顯降低的趨勢,由此可見，溫差的變化對制熱系數(shù)影響很大，如圖4（c）所示；

（4）制熱系數(shù)在冷凝溫度Tk=50℃出現(xiàn)最高點(diǎn)，蒸發(fā)溫度T0=30℃，理論εh=10.65，這也為系統(tǒng)的控制及用戶水溫設(shè)定提供了一定的參考。

需要說明的幾點(diǎn)：

（1）取蒸發(fā)溫度T0=5~30℃，是為了便于了解制熱系數(shù)隨廢熱水溫度的變化情況，實(shí)際從各種文獻(xiàn)和圖1中可以了解到，廢熱水的溫度變化范圍不大，基本在28℃~36℃范圍內(nèi)波動(dòng)；

（2）考慮制熱系數(shù)隨廢熱水溫度的變化，在實(shí)際中，制熱系數(shù)受廢熱水流量變化的影響也很大，值得進(jìn)一步測定和研究；

（3）本文只進(jìn)行了理論制熱系數(shù)的計(jì)算，實(shí)際制熱系數(shù)可通過文獻(xiàn)10中的關(guān)系式計(jì)算。

圖4（a）制熱系數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化圖

圖4（b）制熱系數(shù)隨冷凝溫度變化圖

圖4（c）制熱系數(shù)隨溫差變化圖

2.3與空氣源熱泵系統(tǒng)的比較

為了計(jì)算簡便起見，選取一典型工況，如表2所示。由表可見，在夏季廢水熱源儲能型熱泵熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)相比，節(jié)能效果并不明顯。而在冬季其制熱系數(shù)平均是空氣源的1.7倍，當(dāng)廢水溫度提高到35℃時(shí)，其制熱系數(shù)可達(dá)到空氣源的2.4倍，具有有明顯的節(jié)能效果。因此可以考慮在夏季室外溫度較高時(shí)，蒸發(fā)器直接從室外空氣中吸熱，而冬季室外溫度較低，熱水熱負(fù)荷較大，則應(yīng)以廢熱水為熱源，可以考慮利用一定的控制手段實(shí)現(xiàn)上述切換。

表2兩種熱泵熱水系統(tǒng)的比較系統(tǒng)季節(jié)特點(diǎn)Tk（℃）T0（℃）εh

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)夏季50258.43

冬季60-52.91

廢水熱源儲能型熱泵熱水系統(tǒng)平均60—4.91

典型60306.88

3小結(jié)

3.1研究分析結(jié)論

廢水熱源儲能型熱泵熱水系統(tǒng)，把儲能、熱泵和廢熱利用結(jié)合在一起，利用儲能彌補(bǔ)熱泵熱水系統(tǒng)初期的熱量來源，實(shí)質(zhì)上是一種以廢熱水為低位熱源的水源熱泵系統(tǒng)。

3.1.1以廢水為熱源的儲能型熱泵熱水系統(tǒng)在冷凝溫度Tk=60℃時(shí)，其平均εhe=4.91；Tk=50℃時(shí)，其εhe=6.88，理論εh最高可以達(dá)到10.65，具有明顯的節(jié)能效果；

3.1.2該系統(tǒng)應(yīng)用于浴室桑拿、健身房、游泳館、體育館、學(xué)校等水量需求大，且具有廢熱源的場合，工業(yè)上需要低溫?zé)崴牡胤揭部梢杂谩Ｔ诙静膳牡貐^(qū)，同時(shí)還可作為散熱片、地板輻射、風(fēng)機(jī)盤管等采暖末端的熱源部分，為各種住宅、別墅、公寓樓房等提供舒適、方便的生活條件；

3.1.3與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐相比，既節(jié)能，又清潔，無污染；與單純的電熱水鍋爐相比，可大幅度節(jié)電；與單純的熱泵熱水系統(tǒng)相比，可利用夜間廉價(jià)電力，既降低了加熱水的費(fèi)用，又對電網(wǎng)有移峰平谷的作用，特別是在冬季，又有其獨(dú)特的優(yōu)越性；

3.2還需進(jìn)一步考慮的問題及建議

3.2.1在實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用中，蒸發(fā)器和冷凝器的換熱過程中,還需考慮結(jié)垢的問題，應(yīng)該適當(dāng)添加活潑金屬作為犧牲陽極保護(hù)措施，或另設(shè)單獨(dú)除垢裝置，以降低冷凝器和熱水器內(nèi)壁腐蝕和結(jié)垢，這點(diǎn)是極為關(guān)鍵和重要的；

3.2.2研究開發(fā)能夠適應(yīng)大范圍變工況要求的制冷劑，以達(dá)到更高的冷凝溫度，這樣可以減少加熱時(shí)間，提高出水溫度，減少水箱體積；

3.2.3設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)，對水溫進(jìn)行合理控制，特別是水箱中溫度控制層的選擇問題還有待進(jìn)一步探討，此外，考慮到熱水供應(yīng)和廢水回收在時(shí)間和流量上存在不一致的矛盾，故應(yīng)考慮需熱量和可利用廢熱量的平衡問題。在設(shè)計(jì)水箱容積時(shí)，也要考慮儲熱水箱的儲熱特性、容積大小及其優(yōu)化和保溫等相關(guān)問題；

3.2.4應(yīng)積極探討取代傳統(tǒng)的電熱水鍋爐，達(dá)到節(jié)約能源的目的，同時(shí)可以考慮將該系統(tǒng)應(yīng)用于小型家庭系統(tǒng)中，開發(fā)新型熱水器產(chǎn)品；

3.2.5將以廢水為熱源的熱泵熱水系統(tǒng)與太陽能系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等聯(lián)合開發(fā)，也就是開發(fā)廢水、空氣、太陽能多熱源的綜合熱泵熱水系統(tǒng)，加上與空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合，還可以利用空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱量，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和能源利用率，其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保與社會效益會更加顯著。

總之，以廢水為熱源的儲能型熱泵熱水系統(tǒng)，為廢熱利用、建筑節(jié)電節(jié)能提供了新思路，具有重要的社會意義和應(yīng)用價(jià)值，其發(fā)展前景是很廣闊的。至于該系統(tǒng)增加的制造成本，可通過節(jié)電在一定時(shí)期內(nèi)回收。

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