以废水为热源的储能型热泵热水系统的探讨与性能分析

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内容提示： 针对热水能耗和废热利用的现状，本文提出了废水热源的储能型热泵热水系统，对其工作过程和理论循环进行了阐述和计算分析，并与空气源热泵热水系统进行了对比。同时，本文对于该系统今后的应用，也提出了建议和需要考虑的问题。

延伸阅读：储能型热泵热水系统 废水热源 计算分析

    桂秋静 金宁 夏威伟

    摘要： 针对热水能耗和废热利用的现状，本文提出了废水热源的储能型热泵热水系统，对其工作过程和理论循环进行了阐述和计算分析，并与空气源热泵热水系统进行了对比。同时，本文对于该系统今后的应用，也提出了建议和需要考虑的问题。

    关键词： 废水热源 储能型热泵热水系统 计算分析

    各种资料显示，城市各类商业建筑卫生热水能耗比例达到10%~40%，城市民用建筑热水能耗，仅洗澡热水用能就接近20%，城市家庭热水器普及率已经达到70%以上，农村小镇家庭使用热水器的比例也越来越大[2]。上海地区商业建筑卫生热水能源消耗在建筑总能耗中的比例为：写字楼，2.7%;商场,10.7%;饭店,31%;医院,41.8%[3]。另外,城镇食品加工,游泳馆等,农村水产养殖,农产品加工等也需要消耗大量不同温度的热水。由此可见，目前卫生、生产热水能耗在建筑能耗中的比例越来越大，建筑卫生热水节能日益受到重视。（参考《建筑中文网》）

    此外，大型商业建筑，为了营造舒适的环境和提供各种服务功能，消耗大量能源的同时，以废热、废水的形式向环境排放大量废热，加速了城市“热岛效应”。越来越多的高能耗商业建筑采取了废热回收措施，都取得了显著效益[4-6]。

    在我国，节能已成为国民经济发展中重要一环，关键一环，国家和各地政府纷纷出台节能政策及措施，如实行产品节能认证，执行电力价格杠杆，拉大峰谷电价差及高峰用电时段需求限制等，同时也号召和鼓励企业开发节能型产品。

    建筑热水能耗的节约大致有三类途径：

    ⑴ 太阳能等可再生能源的利用；

    ⑵ 建筑废热以及其他形式废热的回收利用；

    ⑶ 采用新技术，加强管理，提高热水的生产和利用效率[7]。

    其中，将热泵技术应用到热水系统中，回收各种低品位废热，是解决建筑热水高能耗的有效途径之一。

    以废水为热源的储能型热泵热水系统主要用于大量热水的供应及废热再利用，也可用于工业废热回收。该系统有以下几个特点：

    ⑴ 冷热源温差大为减小带来显著的节能效果；

    ⑵ 可利用夜间电力工作，平衡电网峰谷负荷；

    ⑶ 由于废热大大提高了系统的蒸发温度，热泵的结霜问题得以改善或避免；

    ⑷ 可实现热水、采暖、供冷的一体化。

    普通卫生洗浴系统，很大一部分热能白白排放浪费掉了，如能回收这部分热能，则节能效益是十分可观的。文献8中对典型浴室和典型气候条件下洗浴废水的温度变化情况进行了详细测试，其结果如图1所示。

   
    图1 淋裕水温降值测试(水流量6L／min)

    从图1可以看出，热水洗浴后，废水温度仍然达到36℃左右，热回收潜力相当大。以废水为热源的储能型热泵热水系统在国外已有一定的理论研究基础和应用实例，但在国内还属于起步阶段。本文从整体循环的角度，对以废水为热源的储能型热泵热水系统进行探讨，并进行了理论计算与性能分析，同时与其他系统进行了经济性比较。

    2.1 系统组成及工作过程

    利用热泵制取生活热水可以提高节能效果，其COP值可达3~5。但空气源热泵热水器存在冬天制热系数明显降低，室外换热器结霜的问题，大大限制了其使用范围。在日常生活和生产中洗涤的废热水一般直接排放，其所携带的余热被白白浪费。以废水为热源的储能型热泵热水系统以消耗一部分电能为代价，通过热力循环，把废热水中储存的能量加以发掘利用，用来生产热水。在用电谷段（上海22:00~6:00）以废热水为热源，产生热水并储存在热水箱中，随时供用户利用。从热力学工作原理上看，它与制冷机相同，就是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统，所不同的是两者的目的和工作温度区往往有所不同。制冷装置从低温热源吸热，营造低温环境；而废水为热源的储能型热泵热水系统是从废热水中吸取热量，加热生产或生活热水。

    该系统主要由压缩机、蒸发器、热水换热器、电子膨胀阀、储热水箱、过滤装置、废热水箱、水泵及若干截止阀和相应的控制装置等组成，其工作流程如图2所示：从浴室等场所排放出来的废水，经过滤器6过滤处理后，为了保持一定的流量和温度，便于控制，先储存在废热水箱7中，经过循环水泵9不断与蒸发器2中的制冷剂进行换热。蒸发器2中的制冷剂吸收废水的热量，蒸发为干饱和蒸汽，被吸入压缩机1，压缩机将这种低压工质气体压缩成高温、高压气体送入热水换热器3，经水泵强制循环的水也通过热水换热器3，因此，水吸收了工质送来的热能，并将热量储存在热水箱5中，随时为用户提供热水，而工质经换热后在定压下冷凝放热，并进一步在定压定温下冷凝成饱和液体，从而将水加热升温到所需温度。饱和液体通过电子膨胀阀4经绝热节流降压降温而变成低干度的湿蒸汽，再次进入蒸发器2，使热水箱5中的水温逐渐升高，最后达到60℃左右的水温甚至更高，正好适合日常使用。通过加装混合阀，可使出口热水与储水箱下步温水混合而得到不同温度的水，满足不同场合的需要，这就是以废水为热源的储能型热泵热水系统的工作原理。

   
    图2 系统流程图
    1压缩机 2 蒸发器 3 热水换热器 4 电子膨胀阀
    5 储热水箱 6过滤器 7废热水箱 8 截止阀 9 水泵 10浴室

    2.2 系统理论循环及性能分析

    热泵的热力经济性指标可由其性能系数COP（Coefficient of Performance）来表示。COP指其收益（制热量）与代价（所耗机械功或热能）的比值。对于消耗机械功的蒸汽压缩式热泵，其性能系数COP也可用制热系数εh来表示，

    即 εh=Qh / P ……………… ①

    在热泵热水系统的推广使用上，很多厂家和科研单位对于热泵热水系统的工质应用进行了多方面的研究。目前，在热泵系统中，R22极有希望的混合替代工质为R407c和R410a。近共沸混合物R410a虽然具有基本恒定的沸点，但它的单位制冷量容积较大，排气压力较高，作为替代制冷剂就要求对设备改造；R407c具有与R22相近的制冷量，压力基本相当，对整个系统的改动小，但其传热特性较差，需用酯类润滑油更换R22的润滑油，一旦出现泄漏，系统制冷量和制冷效率迅速下降。而R417a作为一种新型环保工质，它排气温度比R22低，不用更换润滑油，吸排气压力比R22系统稍高或接近，完全可以在热泵热水系统中直接替代R22，并可以安全可靠运行[9]。因此，本文选取制冷剂R417a为理论计算工质，进行理论热力计算：

    致冷工质的流量m(kg/s)，单位工质的制热量q1(KJ/kg)，单位工质的耗电量w0(KJ/kg)，

    系统制热量 Qh = m qh (KJ)

    系统耗电量 W = m w0 (KJ)

    代入式①得到: εh = q1 / w0 …………… ②

    考虑一定的过冷度和过热度，系统理论循环如图3所示。

    Qh = h2 - h4，w0= h2 - h1

    则

   
    图3 系统的理论循环

    此外，为了对热泵热水系统的设计提供参考，本文选取一组典型工况（蒸发温度30℃，过热度5℃，冷凝温度60℃，过冷度5℃），采用不同工质进行理论计算，其结果列表如下。

    表1 工质理论计算特性表

    （注：计算工况蒸发温度30℃，过热度5℃，冷凝温度60℃，过冷度5℃）

    考虑到废热水和用户所需热水的温度波动，本文针对不同废热水水温以及不同的热水温度（即选取不同的蒸发温度和冷凝温度），以R417a为例进行计算。考虑传热温差，取冷凝温度Tk =50~65℃，蒸发温度T0 =5~30℃，每5℃进行一次理论计算，计算结果统计如图4所示。

    由图4可以得出以下结论：

    （1）当冷凝温度一定时（即用户设定热水温度保持不变），随着蒸发温度提高（即废热水温度不断升高时），系统的制热系数不断提高，如图4（a）所示；

原文网址：http://www.pipcn.com/research/200601/8383.htm

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