余熱回收式水水源熱泵的實(shí)驗(yàn)研究

唐景立，李小華

（1-湖南科技大學(xué)能源與安全學(xué)院，湖南湘潭 411201；2-湖南工程學(xué)院，湖南湘潭 411104）

余熱回收式水水源熱泵的實(shí)驗(yàn)研究

唐景立*1，李小華2

（1-湖南科技大學(xué)能源與安全學(xué)院，湖南湘潭 411201；2-湖南工程學(xué)院，湖南湘潭 411104）

本文分析了廢熱水在浴室等場(chǎng)所的排放現(xiàn)狀，提出了一種帶余熱回收換熱器的水水源熱泵系統(tǒng)，并對(duì)該熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究了熱水流量、廢水流量和廢水進(jìn)水溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱水流量的增加雖然降低了熱水出水溫度但是會(huì)提高系統(tǒng)COP；而改變廢水流量和進(jìn)水溫度并不會(huì)使系統(tǒng) COP發(fā)生規(guī)律性改變；實(shí)驗(yàn)得到了該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定而且制熱系數(shù)相對(duì)較高的一個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)。在相同的外界條件下，帶余熱回收的熱泵系統(tǒng)比無(wú)余熱回收的熱泵系統(tǒng) COP更高，新系統(tǒng)節(jié)能效果更明顯。

余熱回收；水水源熱泵；節(jié)能

0 引言

現(xiàn)在很多洗發(fā)店、洗浴中心、公共浴室等場(chǎng)所需要大量的熱水（50 ℃左右），同時(shí)又排放了大量的高溫廢水(30 ℃左右)。一般企業(yè)并沒有利用這部分廢水，而是直接排放到了外面環(huán)境中，這樣反而對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了熱污染[1]。

國(guó)外的熱泵技術(shù)在廢水回收的利用上自20世紀(jì)就己經(jīng)很成熟了，但是歐洲主要是利用熱泵作為采暖和通風(fēng)，用于洗浴廢水回收再利用的熱泵系統(tǒng)只是作為游泳池的輔助設(shè)備，并沒有專門針對(duì)洗浴廢水的熱泵系統(tǒng)的研究[2]。國(guó)內(nèi)在這方面的研究較少，國(guó)內(nèi)的學(xué)者對(duì)洗浴廢水和工業(yè)廢水的回收處理做過較多的研究，但針對(duì)其熱能回收利用研究較少[3-4]。趙廷林等[5]、黃坤榮等[6]和羅清海等[7]對(duì)洗浴廢水的熱泵系統(tǒng)有過研究，但主要是從理論上進(jìn)行分析，很少能提出一套可行的系統(tǒng)運(yùn)行裝置和應(yīng)用方案。

所以，根據(jù)目前的洗浴廢水排放現(xiàn)狀，本文提出了一種帶余熱回收的水水源熱泵裝置，并對(duì)該系統(tǒng)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該類型熱泵能為有生活熱用廢水的單位回收利用廢水中的余熱，為企業(yè)提供較高溫度的熱水。這不僅幫助控制了熱污染，還為這些企業(yè)單位節(jié)省生產(chǎn)這部分熱水(工藝用或生活用)的費(fèi)用。

1 余熱回收式水水源熱泵介紹

1.1 工作原理

余熱回收型熱泵在建筑能量系統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)、開發(fā)和利用余熱資源中起著重要作用。本文提出了一種帶余熱回收換熱器的水水源熱泵系統(tǒng)，并對(duì)該熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該系統(tǒng)的原理是利用洗發(fā)店、洗浴中心和公共浴室等商業(yè)場(chǎng)所的余熱廢水，經(jīng)過濾器過濾后與熱泵機(jī)組中進(jìn)入冷凝器前的冷卻水進(jìn)行熱交換，最后與蒸發(fā)器完全換熱后排出；而冷卻水在進(jìn)入冷凝器前，已經(jīng)在換熱器中進(jìn)行了預(yù)熱，故系統(tǒng)的熱水出水溫度能夠得到提高。此熱泵系統(tǒng)冷卻水升溫所需熱量和蒸發(fā)器中制冷劑蒸發(fā)吸熱所需的熱量都來(lái)自于廢水熱源，而壓縮機(jī)帶動(dòng)系統(tǒng)做功的耗電為少部分，因此整個(gè)系統(tǒng)能達(dá)到比較高的COP值（系統(tǒng)的COP能達(dá)到6以上）。

1.2 機(jī)組的系統(tǒng)構(gòu)成：

整個(gè)余熱回收熱泵系統(tǒng)由一套常規(guī)熱泵裝置、熱回收板式換熱器、廢水水箱和熱水儲(chǔ)水箱等部件組成。常規(guī)熱泵裝置主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥四個(gè)主要部分組成，但它又不同于普通的水源熱泵，該熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器、冷凝器和換熱器針對(duì)余熱回收熱泵系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)，使熱泵機(jī)組效率達(dá)到最高。余熱回收熱泵工作原理圖見圖 1，機(jī)組實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)見圖2。

2 余熱回收式水水熱泵的實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)過程對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：熱水的出水流量和溫度，廢水的進(jìn)排水溫度和流量，壓縮機(jī)和水泵的耗電量，制冷劑各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度，壓縮機(jī)的吸氣壓力和電流電壓。實(shí)驗(yàn)研究了熱水溫度和流量、廢水的進(jìn)排水溫度和流量等條件變化對(duì)熱泵系統(tǒng)（制冷劑的溫度、壓縮機(jī)的吸氣壓力、壓縮機(jī)輸入功率、系統(tǒng)COP和熱泵的COP值）的影響。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置配備了2P的壓縮機(jī)（功率約1,470 W）和2個(gè)家用增壓泵（功率為120 W，廢水和熱水管路各一個(gè)），廢水箱和熱水儲(chǔ)水箱的容積分別為80 L和400 L，水箱及所有管路均做了保溫處理。其他主要的測(cè)量?jī)x器為：數(shù)位溫度計(jì)，測(cè)量范圍為-50 ℃～250 ℃，精度為±0.2%；旋翼式水表，精度為±2%；單相電子式電能表，精度為±0.5%；數(shù)字萬(wàn)能表，電壓精度為±0.2%，電流精度為0.2%。

誤差分析：溫度測(cè)量采用 K-Type熱電偶的數(shù)位溫度計(jì)，通過多次測(cè)量驗(yàn)證其測(cè)量誤差為0.4 ℃；流量測(cè)量采用了旋翼式水表，經(jīng)過多次測(cè)量及檢驗(yàn)，其測(cè)量誤差為0.8%；電功率的測(cè)量通過功率表讀取，并且經(jīng)過電表的驗(yàn)證，其測(cè)量誤差為0.3%；雖然本次實(shí)驗(yàn)臺(tái)的所有部件及管道均做了保溫處理，但是熱量計(jì)算時(shí)必須考慮系統(tǒng)的漏熱，根據(jù)相關(guān)資料估算漏熱量為4.0%。

余熱回收水水源熱泵系統(tǒng)COP（簡(jiǎn)稱為系統(tǒng)COP）和熱泵機(jī)組本身COP（簡(jiǎn)稱為熱泵COP）分別為：

式中：

Ct——熱水比熱；

ρt——熱水的密度；

Vt——通過冷凝器的熱水體積流量；

Tt1——熱水出水溫度；

Tt2——冷卻水出換熱器溫度；Tt3——冷卻水進(jìn)換熱器溫度；

Wh——壓縮機(jī)和所有水泵的輸入功率；

Wp——廢水熱泵的輸入功率。

2.1 熱水流量的變化對(duì)系統(tǒng)的影響

為了探究熱水流量對(duì)系統(tǒng)的影響，把系統(tǒng)廢水進(jìn)水溫度（32 ℃）、冷卻水進(jìn)水溫度（10 ℃）和廢水流量（370 L/h）等條件都保持恒定，然后在系統(tǒng)運(yùn)行正常的范圍內(nèi)改變熱水流量。

由圖3可得系統(tǒng)COP和熱泵COP隨熱水流量的增大而逐步上升，系統(tǒng)COP最大可以達(dá)到6以上，但是隨著熱水流量的上升，熱水溫會(huì)逐漸下降。因此在熱水出水溫能滿足用戶端需求的情況下，一定范圍內(nèi)增大熱水流量，能提高熱泵的經(jīng)濟(jì)性。

由圖4可得制冷劑各關(guān)鍵點(diǎn)溫度和吸氣壓力隨著熱水流量的增大，均呈下降趨勢(shì)。因?yàn)闊崴魉俚脑龃螅岣吡死淠骱蜔峄厥論Q熱器內(nèi)的流體換熱系數(shù)，進(jìn)蒸發(fā)器的廢水溫度隨之下降，這樣增加了冷凝器換熱量同時(shí)又減少了蒸發(fā)器吸熱量，制冷劑溫度就會(huì)下降。

圖3 熱水流量的變化對(duì)COP和熱水出水溫的影響

圖4 熱水流量對(duì)制冷劑關(guān)鍵點(diǎn)溫度和吸氣壓力的影響

2.2 廢水流量的變化對(duì)系統(tǒng)的影響

為了探究廢水流量對(duì)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)保持熱水出水溫（50 ℃）、冷卻水水進(jìn)水溫（10 ℃）、熱水流量（280 L/h）等條件都恒定的情況下，在系統(tǒng)運(yùn)行正常的范圍內(nèi)改變廢水流量。

由圖5可得熱水出水溫隨著廢水流量的增大逐步上升，而系統(tǒng) COP隨著廢水流量的增大呈先增大后減少的趨勢(shì)。這是因?yàn)閺U水流量的變化影響了壓縮機(jī)的輸入功率，壓縮機(jī)的功率隨著廢水流量的增大而提高得越來(lái)越快。因此，為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，不宜將廢水流量設(shè)置過大。

由圖6可得制冷劑各關(guān)鍵點(diǎn)的溫度和吸氣壓力隨著廢水流量的增大而增加。因?yàn)閺U水流量的增大導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)的流體換熱系數(shù)增大，進(jìn)冷凝器的冷卻水溫度和進(jìn)蒸發(fā)器廢水溫度都會(huì)升高，降低了冷凝效率同時(shí)又增大了蒸發(fā)吸熱能力，故制冷劑溫度會(huì)升高。

圖5 廢水流量對(duì)COP和熱水出水溫等參數(shù)的影響

圖6 廢水流量對(duì)制冷劑關(guān)鍵點(diǎn)溫度和吸氣壓力的影響

2.3 廢水進(jìn)水溫度的變化對(duì)系統(tǒng)的影響

為探究廢水進(jìn)水溫度對(duì)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)保持冷卻水進(jìn)水溫度（10 ℃）、廢水流量（420 L/h）和熱水流量（280 L/h）等條件都恒定的情況下，在系統(tǒng)運(yùn)行正常的范圍內(nèi)改變廢水進(jìn)水溫度。

由圖7可得系統(tǒng)COP不隨廢水進(jìn)水溫度的升高而發(fā)生規(guī)律性改變，而熱泵 COP隨著廢水溫度的升高逐漸減少。由于廢水進(jìn)水溫度升高，使得進(jìn)蒸發(fā)器的廢水溫度和進(jìn)冷凝器的冷卻水溫度都會(huì)升高，影響了冷凝器的冷凝效率。

由圖8可得制冷劑各關(guān)鍵點(diǎn)的溫度和吸氣壓力隨著廢水溫度的升高而增加，這是因?yàn)閺U水溫度升高導(dǎo)致了進(jìn)蒸發(fā)器的廢水溫度和進(jìn)冷凝器的冷卻水溫度都會(huì)升高，降低了冷凝效率卻增大了蒸發(fā)吸熱能力，故制冷劑關(guān)鍵點(diǎn)溫度會(huì)升高。

圖7 廢水溫度的變化對(duì)COP和熱水溫度的影響

圖8 廢水溫度對(duì)制冷劑關(guān)鍵點(diǎn)溫度和吸氣壓力的影響

2.4 帶余熱回收換熱器熱泵和無(wú)余熱回收熱泵的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

本文將余熱回收式水水源熱泵系統(tǒng)的換熱器去掉后變成無(wú)余熱回收的熱泵系統(tǒng)。廢水直接經(jīng)過蒸發(fā)器后排出，冷卻水直接進(jìn)冷凝器。兩套不同的熱泵裝置都是在冷卻水進(jìn)水溫度（10 ℃）、廢水進(jìn)水溫度（32 ℃）不變的情況下，通過改變熱水溫度來(lái)探究有無(wú)余熱回收換熱器對(duì)熱泵系統(tǒng)的影響。無(wú)余熱回收熱泵工作原理圖見圖9。

由圖10可得余熱回收熱泵系統(tǒng)COP遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)余熱回收熱泵系統(tǒng)COP，證明了余熱回收式水水源熱泵回收廢熱的優(yōu)越性。圖中同時(shí)顯示無(wú)余熱回收熱泵系統(tǒng)COP略大于余熱回收熱泵COP。因?yàn)橛酂峄厥諢岜眠M(jìn)冷凝器的冷卻水溫度高于無(wú)余熱回收熱泵系統(tǒng)，而進(jìn)蒸發(fā)器的廢水溫度低于無(wú)余熱回收熱泵系統(tǒng)；相當(dāng)于降低了制冷劑蒸發(fā)溫度，提高了制冷劑的冷凝溫度。

圖9 無(wú)余熱回收熱泵工作原理圖

圖10 COP和熱水流量隨熱水出水溫度的變化

3 結(jié)論

本文提出了一種帶余熱回收換熱器的水水源熱泵系統(tǒng)，并對(duì)該熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)COP值達(dá)到6左右。該熱泵系統(tǒng)運(yùn)行條件簡(jiǎn)單，能適應(yīng)較廣范圍的廢水溫度（30 ℃±5 ℃）和冷卻水進(jìn)水溫度（10 ℃±5 ℃），而且系統(tǒng) COP在一定范圍內(nèi)并不隨廢水溫度的改變而發(fā)生顯著變化。余熱回收式水水源熱泵系統(tǒng)的 COP隨著熱水流量的增大而提高，因此為了提高熱泵的制熱系數(shù)，在保證熱水出水溫度滿足需求的條件下應(yīng)適當(dāng)提高熱水流量。熱泵系統(tǒng) COP并不隨廢水流量的改變呈單調(diào)性變化，選擇廢水流量和熱水流量分別為320 L/h和280 L/h、廢水進(jìn)水溫度為30 ℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)相對(duì)較穩(wěn)定且制熱效率較高。在相同的外界條件下，帶余熱回收的熱泵系統(tǒng)比無(wú)余熱回收的熱泵系統(tǒng)COP更高，節(jié)能效果更明顯。

[1]顧小剛,王玉軍,曹衛(wèi)華.廢水源熱回收熱泵使用前景分析[J].制冷技術(shù),2005,25(4): 40-42.

[2]基恩 H，哈登費(fèi)爾特 A.熱泵（二）[M].耿惠彬,譯.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1987.

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Study on Water-water Source Heat Pump System with Waste Heat Recovery

TANG Jing-li*1,LI Xiao-hua2
(1-School of Mining and safety Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan,Hunan 411201,China;2-Deptment of Building Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan,Hunan 411104,China)

The situation of water discharge in bathhouse and other place was analyzed,and a kind of heat pump system with waste heat recovery was put forward;the experimental research on the performance of this heat pump system was performed.The influences of the hot water flow,waste water flow and the inlet temperature of waste water on the system performance were studied.The experimental results show that,the increase of hot water flow rate leads to the decline of hot water temperature,but it can improve the system COP.While the changes of flow rate and inlet temperature of waste water do not make the system COP change regularly;an operation condition for the system operating stablely and with higher heating coefficient was obtained experimentally.Under the same external conditions,the COP of the heat pump system with waste heat recovery is higher than that of those without waste heat recovery system,and the new system has greater energy saving effect.

Waste heat recovery;Water-water source heat pump;Heat recovery;Energy saving

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.108

*唐景立（1989-），男，碩士在讀。研究方向：建筑節(jié)能。聯(lián)系地址：湖南科技大學(xué)南院能源與安全學(xué)院，郵編：411201。聯(lián)系電話：15292281989。E-mail：410452615@qq.com。

湖南省省市聯(lián)合基金（12jj9016）

本論文選自2014年第八屆全國(guó)制冷空調(diào)新技術(shù)研討會(huì)。