熱泵熱水系統探討管理論文

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

關鍵詞：廢水熱源儲能型熱泵熱水系統計算分析

0前言

各種資料顯示，城市各類商業建筑衛生熱水能耗比例達到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達到70%以上，農村小鎮家庭使用熱水器的比例也越來越大[2]。上海地區商業建筑衛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%;醫院,41.8%[3]。另外,城鎮食品加工,游泳館等,農村水產養殖,農產品加工等也需要消耗大量不同溫度的熱水。由此可見，目前衛生、生產熱水能耗在建筑能耗中的比例越來越大，建筑衛生熱水節能日益受到重視。

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

在我國，節能已成為國民經濟發展中重要一環，關鍵一環，國家和各地政府紛紛出臺節能政策及措施，如實行產品節能認證，執行電力價格杠桿，拉大峰谷電價差及高峰用電時段需求限制等，同時也號召和鼓勵企業開發節能型產品。

1研究的目的和意義

建筑熱水能耗的節約大致有三類途徑：

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，加強管理，提高熱水的生產和利用效率[7]。

其中，將熱泵技術應用到熱水系統中，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主要用于大量熱水的供應及廢熱再利用，也可用于工業廢熱回收。該系統有以下幾個特點：

⑴冷熱源溫差大為減小帶來顯著的節能效果；

⑵可利用夜間電力工作，平衡電網峰谷負荷；

⑶由于廢熱大大提高了系統的蒸發溫度，熱泵的結霜問題得以改善或避免；

⑷可實現熱水、采暖、供冷的一體化。

普通衛生洗浴系統，很大一部分熱能白白排放浪費掉了，如能回收這部分熱能，則節能效益是十分可觀的。文獻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行了詳細測試，其結果如圖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，廢水溫度仍然達到36℃左右，熱回收潛力相當大。以廢水為熱源的儲能型熱泵熱水系統在國外已有一定的理論研究基礎和應用實例，但在國內還屬于起步階段。本文從整體循環的角度，對以廢水為熱源的儲能型熱泵熱水系統進行探討，并進行了理論計算與性能分析，同時與其他系統進行了經濟性比較。

2工作過程及理論循環分析

2.1系統組成及工作過程

利用熱泵制取生活熱水可以提高節能效果，其COP值可達3~5。但空氣源熱泵熱水器存在冬天制熱系數明顯降低，室外換熱器結霜的問題，大大限制了其使用范圍。在日常生活和生產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。以廢水為熱源的儲能型熱泵熱水系統以消耗一部分電能為代價，通過熱力循環，把廢熱水中儲存的能量加以發掘利用，用來生產熱水。在用電谷段（上海22:00~6:00）以廢熱水為熱源，產生熱水并儲存在熱水箱中，隨時供用戶利用。從熱力學工作原理上看，它與制冷機相同，就是以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統，所不同的是兩者的目的和工作溫度區往往有所不同。制冷裝置從低溫熱源吸熱，營造低溫環境；而廢水為熱源的儲能型熱泵熱水系統是從廢熱水中吸取熱量，加熱生產或生活熱水。

該系統主要由壓縮機、蒸發器、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，經過循環水泵9不斷與蒸發器2中的制冷劑進行換熱。蒸發器2中的制冷劑吸收廢水的熱量，蒸發為干飽和蒸汽，被吸入壓縮機1，壓縮機將這種低壓工質氣體壓縮成高溫、高壓氣體送入熱水換熱器3，經水泵強制循環的水也通過熱水換熱器3，因此，水吸收了工質送來的熱能，并將熱量儲存在熱水箱5中，隨時為用戶提供熱水，而工質經換熱后在定壓下冷凝放熱，并進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經絕熱節流降壓降溫而變成低干度的濕蒸汽，再次進入蒸發器2，使熱水箱5中的水溫逐漸升高，最后達到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的工作原理。

圖2系統流程圖

1壓縮機2蒸發器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系統理論循環及性能分析

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

即εh=Qh/P………………①

在熱泵熱水系統的推廣使用上，很多廠家和科研單位對于熱泵熱水系統的工質應用進行了多方面的研究。目前，在熱泵系統中，R22極有希望的混合替代工質為R407c和R410a。近共沸混合物R410a雖然具有基本恒定的沸點，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備改造；R407c具有與R22相近的制冷量，壓力基本相當，對整個系統的改動小，但其傳熱特性較差，需用酯類潤滑油更換R22的潤滑油，一旦出現泄漏，系統制冷量和制冷效率迅速下降。而R417a作為一種新型環保工質，它排氣溫度比R22低，不用更換潤滑油，吸排氣壓力比R22系統稍高或接近，完全可以在熱泵熱水系統中直接替代R22，并可以安全可靠運行[9]。因此，本文選取制冷劑R417a為理論計算工質，進行理論熱力計算：

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

系統制熱量Qh=mqh(KJ)

系統耗電量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，系統理論循環如圖3所示。

Qh=h2-h4，w0=h2-h1

則

圖3系統的理論循環

此外，為了對熱泵熱水系統的設計提供參考，本文選取一組典型工況（蒸發溫度30℃，過熱度5℃，冷凝溫度60℃，過冷度5℃），采用不同工質進行理論計算，其結果列表如下。

表1工質理論計算特性表工質冷凝熱量（kW）理論制熱系數εh壓比壓差(kPa)壓縮機耗功（kW）壓縮機排氣溫度(℃)壓縮機排氣壓力(℃)

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：計算工況蒸發溫度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，本文針對不同廢熱水水溫以及不同的熱水溫度（即選取不同的蒸發溫度和冷凝溫度），以R417a為例進行計算?？紤]傳熱溫差，取冷凝溫度Tk=50~65℃，蒸發溫度T0=5~30℃，每5℃進行一次理論計算，計算結果統計如圖4所示。

由圖4可以得出以下結論：

（1）當冷凝溫度一定時（即用戶設定熱水溫度保持不變），隨著蒸發溫度提高（即廢熱水溫度不斷升高時），系統的制熱系數不斷提高，如圖4（a）所示；

（2）當蒸發溫度一定時（即廢熱水溫度保持恒定），隨著冷凝溫度提高，制熱系數明顯下降；

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

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

由圖4可以得出以下結論：

（1）當冷凝溫度一定時（即用戶設定熱水溫度保持不變），隨著蒸發溫度提高（即廢熱水溫度不斷升高時），系統的制熱系數不斷提高，如圖4（a）所示；

（2）當蒸發溫度一定時（即廢熱水溫度保持恒定），隨著冷凝溫度提高，制熱系數明顯下降；

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

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

需要說明的幾點：

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

（2）考慮制熱系數隨廢熱水溫度的變化，在實際中，制熱系數受廢熱水流量變化的影響也很大，值得進一步測定和研究；

（3）本文只進行了理論制熱系數的計算，實際制熱系數可通過文獻10中的關系式計算。

圖4（a）制熱系數隨蒸發溫度變化圖

圖4（b）制熱系數隨冷凝溫度變化圖

圖4（c）制熱系數隨溫差變化圖

2.3與空氣源熱泵系統的比較

為了計算簡便起見，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與空氣源熱泵熱水系統相比，節能效果并不明顯。而在冬季其制熱系數平均是空氣源的1.7倍，當廢水溫度提高到35℃時，其制熱系數可達到空氣源的2.4倍，具有有明顯的節能效果。因此可以考慮在夏季室外溫度較高時，蒸發器直接從室外空氣中吸熱，而冬季室外溫度較低，熱水熱負荷較大，則應以廢熱水為熱源，可以考慮利用一定的控制手段實現上述切換。

表2兩種熱泵熱水系統的比較系統季節特點Tk（℃）T0（℃）εh

空氣源熱泵熱水系統夏季50258.43

冬季60-52.91

廢水熱源儲能型熱泵熱水系統平均60—4.91

典型60306.88

3小結

3.1研究分析結論

廢水熱源儲能型熱泵熱水系統，把儲能、熱泵和廢熱利用結合在一起，利用儲能彌補熱泵熱水系統初期的熱量來源，實質上是一種以廢熱水為低位熱源的水源熱泵系統。

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

3.1.2該系統應用于浴室桑拿、健身房、游泳館、體育館、學校等水量需求大，且具有廢熱源的場合，工業上需要低溫熱水的地方也可以用。在冬季采暖的地區，同時還可作為散熱片、地板輻射、風機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與傳統的燃煤鍋爐相比，既節能，又清潔，無污染；與單純的電熱水鍋爐相比，可大幅度節電；與單純的熱泵熱水系統相比，可利用夜間廉價電力，既降低了加熱水的費用，又對電網有移峰平谷的作用，特別是在冬季，又有其獨特的優越性；

3.2還需進一步考慮的問題及建議

3.2.1在實際系統的應用中，蒸發器和冷凝器的換熱過程中,還需考慮結垢的問題，應該適當添加活潑金屬作為犧牲陽極保護措施，或另設單獨除垢裝置，以降低冷凝器和熱水器內壁腐蝕和結垢，這點是極為關鍵和重要的；

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

3.2.3設計合理的控制系統，對水溫進行合理控制，特別是水箱中溫度控制層的選擇問題還有待進一步探討，此外，考慮到熱水供應和廢水回收在時間和流量上存在不一致的矛盾，故應考慮需熱量和可利用廢熱量的平衡問題。在設計水箱容積時，也要考慮儲熱水箱的儲熱特性、容積大小及其優化和保溫等相關問題；

3.2.4應積極探討取代傳統的電熱水鍋爐，達到節約能源的目的，同時可以考慮將該系統應用于小型家庭系統中，開發新型熱水器產品；

3.2.5將以廢水為熱源的熱泵熱水系統與太陽能系統、空調系統等聯合開發，也就是開發廢水、空氣、太陽能多熱源的綜合熱泵熱水系統，加上與空調系統聯合，還可以利用空調系統的冷凝熱量，提高整個系統的效率和能源利用率，其經濟、環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，為廢熱利用、建筑節電節能提供了新思路，具有重要的社會意義和應用價值，其發展前景是很廣闊的。至于該系統增加的制造成本，可通過節電在一定時期內回收。

參考文獻

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8羅清海等.熱電熱泵熱水器的研制與節能分析.制冷空調與電力機械,2004,(1):26-29

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10于立強.水-水活塞壓縮式熱泵機組的性能測試.暖通空調,1995,25(1)

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