热泵热水系统探讨管理论文
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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
0前言
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。
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。
1研究的目的和意义
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（CoefficientofPerformance）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，需用酯类油更换R22的油，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=mqh(KJ)
系统耗电量W=mw0(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工质冷凝热量（kW）理论制热系数εh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(℃)
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：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；
（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T0和冷凝温度Tk，当温差Tk-T0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Tk=50℃出现最高点，蒸发温度T0=30℃，理论εh=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T0和冷凝温度Tk，当温差Tk-T0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Tk=50℃出现最高点，蒸发温度T0=30℃，理论εh=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T0=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Tk（℃）T0（℃）εh
空气源热泵热水系统夏季50258.43
冬季60-52.91
废水热源储能型热泵热水系统平均60—4.91
典型60306.88
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Tk=60℃时，其平均εhe=4.91；Tk=50℃时，其εhe=6.88，理论εh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。
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