以废水为热源的储能型热泵热水系统的探讨与性能分析

 

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  工作过程及理论循环分析 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ε h 来表示，即  ε   h   =Q   h    / 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 q   1   (KJ/kg) ，单位工质的耗电量 w   0   (KJ/kg) ，系统制热量  Q   h      = m q   h    (KJ) 系统耗电量  W = m w   0    (KJ) 代入式①得到:  ε   h      = q   1    / w   0     …………… ② 考虑一定的过冷度和过热度，系统理论循环如图3所示。Q   h      = h   2      - h   4   ，  w   0   = h   2      - h   1  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 工质  冷凝热量（ kW ）  理论制热系数 ε   h    压比  压差( kPa )  压缩机耗功（ kW ）  压缩机排气温度(℃)  压缩机排气压力(℃)   R22  1.20  6.742  2.046  1242.8  0.178  92.44  24.31   R134a  1.21  6.994  2.209  929.90  0.173  78.90  16.99   R407c  1.22  6.595  2.157  1337.8  0.185  85.73  24.94   R417a  1.22  6.854  2.070  1112.0  0.178  75.80  21.52      （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 T   k     =50~65℃，蒸发温度 T   0     =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；（2）当蒸发温度一定时（即废热水温度保持恒定），随着冷凝温度提高，制热系数明显下降； （3）在所设定的温度范围内，取不同的蒸发温度 T   0  和冷凝温度 T   k  ，当温差 T   k    -   T   0  保持不变时,制热系数基本上没有什么变化,但随着温差的不断加大,制热系数有明显降低的趋势, 由此可见，温差的变化对制热系数 影响 很大，如图4（c）所示；（4）制热系数在冷凝温度 T   k     =50℃出现最高点，蒸发温度 T   0     =30℃，理论 ε   h   =10.65，这也为系统的控制及用户水温设定提供了一定的参考。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；（2）当蒸发温度一定时（即废热水温度保持恒定），随着冷凝温度提高，制热系数明显下降； （3）在所设定的温度范围内，取不同的蒸发温度 T   0  和冷凝温度 T   k  ，当温差 T   k    -   T   0  保持不变时,制热系数基本上没有什么变化,但随着温差的不断加大,制热系数有明显降低的趋势, 由此可见，温差的变化对制热系数 影响 很大，如图4（c）所示；（4）制热系数在冷凝温度 T   k     =50℃出现最高点，蒸发温度 T   0     =30℃， 理论  ε   h   =10.65，这也为系统的控制及用户水温设定提供了一定的 参考 。需要说明的几点：（1）取蒸发温度 T   0     =5~30℃，是为了便于了解制热系数随废热水温度的变化情况，实际从各种 文献 和图1中可以了解到，废热水的温度变化范围不大，基本在28℃~36℃范围内波动；（2）考虑制热系数随废热水温度的变化，在实际中，制热系数受废热水流量变化的影响也很大，值得进一步测定和 研究 ；（3）本文只进行了理论制热系数的 计算 ，实际制热系数可通过文献10中的关系式计算。

 

图4（a）制热系数随蒸发温度变化图

 

图4（b）制热系数随冷凝温度变化图

 

图4（c）制热系数随温差变化图2.3 与空气源热泵系统的比较 为了计算简便起见，选取一典型工况，如表2所示。由表可见，在夏季废水热源储能型热泵热水系统与空气源热泵热水系统相比，节能效果并不明显。而在冬季其制热系数平均是空气源的1.7倍，当废水温度提高到35℃时，其制热系数可达到空气源的2.4倍，具有有明显的节能效果。因此可以考虑在夏季室外温度较高时，蒸发器直接从室外空气中吸热，而冬季室外温度较低，热水热负荷较大，则应以废热水为热源，可以考虑利用一定的控制手段实现上述切换。表2 两种热泵热水系统的比较 系统  季节特点  T   k  （℃）  T   0  （℃）  ε   h     空气源热泵热水系统  夏季  50  25  8.43   冬季  60  -5  2.91   废水热源储能型热泵热水系统  平均  60  —  4.91   典型  60  30  6.88      3 小结 3.1 研究 分析 结论 废水热源储能型热泵热水系统，把储能、热泵和废热利用结合在一起，利用储能弥补热泵热水系统初期的热量来源，实质上是一种以废热水为低位热源的水源热泵系统。3.1.1 以废水为热源的储能型热泵热水系统在冷凝温度 T   k     =60℃时，其平均 ε   he   =4.91； T   k     =50℃时，其 ε   he     =6.88，理论 ε   h  最高可以达到10.65，具有明显的节能效果；3.1.2 该系统 应用 于浴室桑拿、健身房、游泳馆、 体育 馆、学校等水量需求大，且具有废热源的场合， 工业 上需要低温热水的地方也可以用。在冬季采暖的地区，同时还可作为散热片、地板辐射、风机盘管等采暖末端的热源部分，为各种住宅、别墅、公寓楼房等提供舒适、方便的生活条件；3.1.3 与传统的燃煤锅炉相比，既节能，又清洁，无污染；与单纯的电热水锅炉相比，可大幅度节电；与单纯的热泵热水系统相比，可利用夜间廉价电力，既降低了加热水的费用，又对电网有移峰平谷的作用，特别是在冬季，又有其独特的优越性；3.2 还需进一步考虑的 问题 及建议 3.2.1 在实际系统的应用中，蒸发器和冷凝器的换热过程中,还需考虑结垢的问题，应该适当添加活泼金属作为牺牲阳极保护措施，或另设单独除垢装置，以降低冷凝器和热水器内壁腐蚀和结垢，这点是极为关键和重要的；3.2.2 研究开发能够适应大范围变工况要求的制冷剂，以达到更高的冷凝温度，这样可以减少加热时间，提高出水温度，减少水箱体积；3.2.3 设计合理的控制系统，对水温进行合理控制，特别是水箱中温度控制层的选择问题还有待进一步探讨，此外，考虑到热水供应和废水回收在时间和流量上存在不一致的矛盾，故应考虑需热量和可利用废热量的平衡问题。在设计水箱容积时，也要考虑储热水箱的储热特性、容积大小及其优化和保温等相关问题；3.2.4 应积极探讨取代传统的电热水锅炉，达到节约能源的目的，同时可以考虑将该系统应用于小型家庭系统中，开发新型热水器产品；3.2.5 将以废水为热源的热泵热水系统与太阳能系统、空调系统等联合开发，也就是开发废水、空气、太阳能多热源的综合热泵热水系统，加上与空调系统联合，还可以利用空调系统的冷凝热量，提高整个系统的效率和能源利用率，其 经济 、环保与 社会 效益会更加显著。总之，以废水为热源的储能型热泵热水系统，为废热利用、建筑节电节能提供了新思路，具有重要的社会意义和应用价值，其 发展 前景是很广阔的。至于该系统增加的制造成本，可通过节电在一定时期内回收。参考文献 1 王恩堂,李军等.用电制备热水的几个方案及其比较.节能,1997,(2):7-112 罗清海,汤广发等.建筑热水节能途径分析,煤气与电力,2004,(6):353-3573 薛志锋.商业建筑节能技术与市场分析[J].清华同方技术通讯,2000,(3):70-714 董明.星级酒店中央空调冷捏弄感热回收利用项目分析.能源工程,2003,(3):63-645 汪训昌.中高挡旅馆废热排放与热利用分析[J].暖通空调,1995,(4):53-566 J khedari , S Maneewan, et al. Domestic hot water system combining solar and waste heat from thermoelectric air-conditioner. Int. J. of Ambient Energy, 2001, 22(1:19-28) 7 罗清海,汤广发等.建筑热水节能中的热泵技术.给水排水,2004,5:63-668 罗清海等.热电热泵热水器的研制与节能分析.制冷空调与电力机械,2004,(1):26-299 李晓燕,闫泽生.R417a在热泵热水系统中替代R22的实验研究.制冷学报, 2003,(4):1-410 于立强.水-水活塞压缩式热泵机组的性能测试.暖通空调,1995,25(1)11 蒋能照.空调用热泵技术及应用.北京:机械工业出版社,1997需要说明的几点：（1）取蒸发温度 T   0     =5~30℃，是为了便于了解制热系数随废热水温度的变化情况，实际从各种 文献 和图1中可以了解到，废热水的温度变化范围不大，基本在28℃~36℃范围内波动；（2）考虑制热系数随废热水温度的变化，在实际中，制热系数受废热水流量变化的 影响 也很大，值得进一步测定和 研究 ；（3）本文只进行了 理论 制热系数的 计算 ，实际制热系数可通过文献10中的关系式计算。

 

图4（a）制热系数随蒸发温度变化图

 

图4（b）制热系数随冷凝温度变化图

 

图4（c）制热系数随温差变化图2.3 与空气源热泵系统的比较 为了计算简便起见，选取一典型工况，如表2所示。由表可见，在夏季废水热源储能型热泵热水系统与空气源热泵热水系统相比，节能效果并不明显。而在冬季其制热系数平均是空气源的1.7倍，当废水温度提高到35℃时，其制热系数可达到空气源的2.4倍，具有有明显的节能效果。因此可以考虑在夏季室外温度较高时，蒸发器直接从室外空气中吸热，而冬季室外温度较低，热水热负荷较大，则应以废热水为热源，可以考虑利用一定的控制手段实现上述切换。表2 两种热泵热水系统的比较 系统  季节特点  T   k  （℃）  T   0  （℃）  ε   h     空气源热泵热水系统  夏季  50  25  8.43   冬季  60  -5  2.91   废水热源储能型热泵热水系统  平均  60  —  4.91   典型  60  30  6.88      3 小结 3.1 研究 分析 结论 废水热源储能型热泵热水系统，把储能、热泵和废热利用结合在一起，利用储能弥补热泵热水系统初期的热量来源，实质上是一种以废热水为低位热源的水源热泵系统。3.1.1 以废水为热源的储能型热泵热水系统在冷凝温度 T   k     =60℃时，其平均 ε   he   =4.91； T   k     =50℃时，其 ε   he     =6.88，理论 ε   h  最高可以达到10.65，具有明显的节能效果；3.1.2 该系统 应用 于浴室桑拿、健身房、游泳馆、 体育 馆、学校等水量需求大，且具有废热源的场合， 工业 上需要低温热水的地方也可以用。在冬季采暖的地区，同时还可作为散热片、地板辐射、风机盘管等采暖末端的热源部分，为各种住宅、别墅、公寓楼房等提供舒适、方便的生活条件；3.1.3 与传统的燃煤锅炉相比，既节能，又清洁，无污染；与单纯的电热水锅炉相比，可大幅度节电；与单纯的热泵热水系统相比，可利用夜间廉价电力，既降低了加热水的费用，又对电网有移峰平谷的作用，特别是在冬季，又有其独特的优越性；3.2 还需进一步考虑的 问题 及建议 3.2.1 在实际系统的应用中，蒸发器和冷凝器的换热过程中,还需考虑结垢的问题，应该适当添加活泼金属作为牺牲阳极保护措施，或另设单独除垢装置，以降低冷凝器和热水器内壁腐蚀和结垢，这点是极为关键和重要的；3.2.2 研究开发能够适应大范围变工况要求的制冷剂，以达到更高的冷凝温度，这样可以减少加热时间，提高出水温度，减少水箱体积；3.2.3 设计合理的控制系统，对水温进行合理控制，特别是水箱中温度控制层的选择问题还有待进一步探讨，此外，考虑到热水供应和废水回收在时间和流量上存在不一致的矛盾，故应考虑需热量和可利用废热量的平衡问题。在设计水箱容积时，也要考虑储热水箱的储热特性、容积大小及其优化和保温等相关问题；3.2.4 应积极探讨取代传统的电热水锅炉，达到节约能源的目的，同时可以考虑将该系统应用于小型家庭系统中，开发新型热水器产品；3.2.5 将以废水为热源的热泵热水系统与太阳能系统、空调系统等联合开发，也就是开发废水、空气、太阳能多热源的综合热泵热水系统，加上与空调系统联合，还可以利用空调系统的冷凝热量，提高整个系统的效率和能源利用率，其 经济 、环保与 社会 效益会更加显著。总之，以废水为热源的储能型热泵热水系统，为废热利用、建筑节电节能提供了新思路，具有重要的社会意义和应用价值，其 发展 前景是很广阔的。至于该系统增加的制造成本，可通过节电在一定时期内回收。参考 文献 1 王恩堂,李军等.用电制备热水的几个方案及其比较.节能,1997,(2):7-112 罗清海,汤广发等.建筑热水节能途径分析,煤气与电力,2004,(6):353-3573 薛志锋.商业建筑节能技术与市场分析[J].清华同方技术通讯,2000,(3):70-714 董明.星级酒店中央空调冷捏弄感热回收利用项目分析.能源工程,2003,(3):63-645 汪训昌.中高挡旅馆废热排放与热利用分析[J].暖通空调,1995,(4):53-566 J khedari , S Maneewan, et al. Domestic hot water system combining solar and waste heat from thermoelectric air-conditioner. Int. J. of Ambient Energy, 2001, 22(1:19-28) 7 罗清海,汤广发等.建筑热水节能中的热泵技术.给水排水,2004,5:63-668 罗清海等.热电热泵热水器的研制与节能分析.制冷空调与电力机械,2004,(1):26-299 李晓燕,闫泽生.R417a在热泵热水系统中替代R22的实验研究.制冷学报, 2003,(4):1-410 于立强.水-水活塞压缩式热泵机组的性能测试.暖通空调,1995,25(1)11 蒋能照.空调用热泵技术及应用.北京:机械工业出版社,1997