復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行特性的分析研究

煒，陸海榮

（1.揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009；2.邁進(jìn)工程設(shè)計(jì)咨詢（上海）有限公司，上海 200235）

0 引言

目前，高校的公共浴室普遍采用低能效、高污染的燃煤或燃?xì)忮仩t生產(chǎn)熱水［1］，而節(jié)能減排是節(jié)約型校園和綠色大學(xué)建設(shè)的重點(diǎn)［2］，因此，浴室的節(jié)能減排改造成為必然。熱泵熱水系統(tǒng)以消耗少量高品位能（如電能）為代價(jià)，從環(huán)境中攝取低溫位熱能生產(chǎn)熱水，高效、環(huán)保、安全和經(jīng)濟(jì)［3-5］，除此之外，洗浴污水中含有大量的余熱，采用污水源熱泵技術(shù)利用污水中的熱能供熱，可在一定程度上緩解能源緊張的形勢(shì)［6］。

在熱泵熱水系統(tǒng)的研究方面，許多學(xué)者分別對(duì)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)和污水源熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明采用污水源熱泵可以降低投資、減少運(yùn)行費(fèi)用，并且利用污水源熱泵機(jī)組進(jìn)行余熱回收的潛力大［7-21］。本文將空氣源熱泵與污水源熱泵復(fù)合，組成復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)，選取鎮(zhèn)江市某高校學(xué)生洗浴中心的空氣源和污水源復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)用研究，分析空氣源和污水源復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

1 工程概況

本文選取鎮(zhèn)江市某高校學(xué)生洗浴中心為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)熱水日用量G0=342 m3，自來(lái)水日用量G1=108 m3，設(shè)計(jì)出水溫度t1=50 ℃，自來(lái)水溫度t2=8 ℃，根據(jù)熱量計(jì)算公式：

式中 c ——熱水定壓比熱，kJ/（kg·K）；

ρ ——熱水密度，kg/m3。

計(jì)算可得熱水日耗熱量Q0=6.01×107KJ，在浴室使用階段，熱水系統(tǒng)約運(yùn)行12.5 h，因此，熱水負(fù)荷為1 336.2 kW。洗浴高峰期為晚上16：30～21：30，污水量約為450 m3，在環(huán)境溫度為9 ℃時(shí)洗浴廢水池平均溫度為22.8 ℃。本系統(tǒng)是以空氣源熱泵熱水系統(tǒng)能夠單獨(dú)提供所需洗浴熱水的基礎(chǔ)上，考慮冬季極限情況，另外設(shè)熱水負(fù)荷的20%由污水源熱泵提供，熱水系統(tǒng)原理如圖1所示。此外，考慮到儲(chǔ)能、用能的平衡問(wèn)題以及熱損失問(wèn)題，熱水系統(tǒng)在夜間也制取熱水，因此以空氣源熱泵機(jī)組最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間18 h，污水源熱泵機(jī)組最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間16 h。

圖1 空氣源和污水源復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)原理

根據(jù)熱水設(shè)計(jì)負(fù)荷選用的空氣源熱泵機(jī)組和污水源熱泵機(jī)組型號(hào)，具體見(jiàn)表1。

表1 熱泵機(jī)組型號(hào)參數(shù)

空氣源熱泵機(jī)組的制熱名義工況：使用側(cè)：8 ℃/55 ℃（進(jìn)水溫度/熱水出水溫度）；熱源側(cè)：25 ℃/19.5 ℃（空氣干球工況/空氣濕球工況）。

污水源熱泵機(jī)組的制熱名義工況：使用側(cè)：30 ℃/45 ℃（熱水進(jìn)水溫度/熱水出水溫度）；熱源側(cè)：17 ℃/7 ℃（污水進(jìn)水溫度/污水出水溫度）。

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)，在環(huán)境溫度8 ℃左右時(shí)，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)制熱量在1 160 kW左右，污水源熱泵熱水系統(tǒng)制熱量在250 kW左右，因此空氣源與污水源熱泵的配比能夠滿足浴室供熱水量。

2 復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

2.1 復(fù)合熱泵運(yùn)行模式下污水源熱泵串并聯(lián)模式分析

在復(fù)合熱泵運(yùn)行模式下，本文對(duì)2臺(tái)污水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了串聯(lián)與并聯(lián)模式下的性能比較，以此探討該復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)最佳的運(yùn)行模式。

復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的運(yùn)行模式如下：

（1）污水源熱泵機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行：上午2#、3#空氣源熱泵機(jī)組模塊（5臺(tái)熱泵機(jī)組）先制取熱水，至下午15：30左右，2臺(tái)污水源熱泵機(jī)組啟動(dòng)與2#、3#空氣源熱泵機(jī)組模塊共同運(yùn)行，17：00～18：30時(shí)間段2臺(tái)污水源熱泵機(jī)組與1#空氣源熱泵機(jī)組模塊（8臺(tái)熱泵機(jī)組）共同運(yùn)行，之后污水源熱泵熱水系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行至浴室營(yíng)業(yè)結(jié)束。

（2）污水源熱泵機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行：上午利用已制取儲(chǔ)備的熱水，至 11：30～12：30 時(shí)間段，1#空氣源熱泵機(jī)組模塊運(yùn)行制取熱水，之后無(wú)熱泵機(jī)組制熱，約至下午14：30左右，2臺(tái)污水源熱泵機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行制取熱水至浴室營(yíng)業(yè)結(jié)束。

為了方便敘述，將串聯(lián)的污水源熱泵第1級(jí)機(jī)組稱為1#機(jī)組，第2級(jí)機(jī)組稱為2#機(jī)組。測(cè)試時(shí)機(jī)組熱源側(cè)的污水進(jìn)水溫度和污水量分別在17.5 ℃、9 m3/h左右。下面進(jìn)行污水源熱泵機(jī)組串、并聯(lián)運(yùn)行性能分析。

比較串、并聯(lián)運(yùn)行時(shí)機(jī)組使用側(cè)出水溫度，如圖2所示，串聯(lián)運(yùn)行時(shí)1#機(jī)組的出水溫度基本穩(wěn)定在44 ℃左右，2#機(jī)組的出水溫度基本穩(wěn)定在50 ℃左右，最高可達(dá)52 ℃，即2#機(jī)組能夠?qū)?#機(jī)組的出水溫度提高5～6 ℃，并且1#機(jī)組的出水溫度正好達(dá)到設(shè)定的出水溫度44 ℃，2#機(jī)組的出水溫度能超過(guò)設(shè)定的出水溫度約2 ℃。并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，1#、2#機(jī)組的出水溫度基本相同，出水溫度在46.5～50.5 ℃范圍內(nèi)，平均出水溫度在48.7 ℃左右，也基本達(dá)到設(shè)定的48 ℃出水溫度。可見(jiàn)串、并聯(lián)機(jī)組的出水溫度都能夠達(dá)到設(shè)定的要求，但串聯(lián)機(jī)組的最終出水溫度比并聯(lián)機(jī)組高約2 ℃。

圖2 機(jī)組出水溫度隨時(shí)間變化

機(jī)組進(jìn)水溫度對(duì)串、并聯(lián)運(yùn)行時(shí)機(jī)組制熱量與COP的影響，如圖3所示。圖3（a）與3（c）、圖 3（b）與3（d）表明，1#、2#機(jī)組的制熱量、COP總體隨機(jī)組進(jìn)水溫度的升高而下降，這是因?yàn)樵跈C(jī)組污水進(jìn)水溫度和流量恒定情況下，機(jī)組進(jìn)水溫度越高，機(jī)組冷凝溫度越高，制冷劑單位質(zhì)量制冷能力降低，系統(tǒng)制熱量降低，另外由于壓縮比的增加，壓縮機(jī)耗功增加，因此機(jī)組的COP值也逐漸降低?？傮w上，串聯(lián)運(yùn)行時(shí)1#機(jī)組制熱量、COP分別維持在97 kW、3.7，2#機(jī)組制熱量、COP分別維持在67 kW、2.5，經(jīng)過(guò)二級(jí)串聯(lián)，機(jī)組溫升達(dá)10 ℃左右，1#機(jī)組比2#機(jī)組的制熱量、COP分別大30 kW、1.2左右。而并聯(lián)運(yùn)行時(shí)1#機(jī)組相比較于2#機(jī)組，其機(jī)組制熱量、COP都略大，理論上2臺(tái)機(jī)組制熱量、COP應(yīng)相同，因?yàn)?#機(jī)組的進(jìn)水溫度要比2#機(jī)組的進(jìn)水溫度低1.5 ℃左右，因此1#機(jī)組比2#機(jī)組制熱量和COP都略大。

圖3 機(jī)組制熱量、COP與機(jī)組進(jìn)水溫度隨時(shí)間變化

2.2 復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的運(yùn)行性能分析

本系統(tǒng)是在空氣源熱泵熱水系統(tǒng)能夠單獨(dú)提供所需洗浴熱水的基礎(chǔ)上，考慮冬季極限情況，另外設(shè)熱水負(fù)荷的20%由污水源熱泵提供。將污水源熱泵串聯(lián)時(shí)的復(fù)合系統(tǒng)與空氣源熱泵系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的性能比較如下：

當(dāng)環(huán)境溫度為9 ℃時(shí)，復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的性能參數(shù)如圖4所示，圖4（a）、（b）和（c）中，10：00-15：00 2個(gè)熱泵熱水系統(tǒng)的性能基本相同，因?yàn)樵摃r(shí)段是由2#、3#空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行供熱。從15：00開(kāi)始，復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)中污水源熱泵開(kāi)始運(yùn)行，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)中1#、2#、3#機(jī)組全部運(yùn)行，如圖4（a）所示，2個(gè)熱泵熱水系統(tǒng)的出水溫度高于設(shè)定出水溫度46 ℃，復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的平均出水溫度為47.5 ℃，高于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的平均出水溫度46.7 ℃。圖4（b）中，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的制熱量總體較為穩(wěn)定，而復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)存在3個(gè)階段：15：00-17：00，復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的制熱量小于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，因?yàn)樵摃r(shí)段洗浴人數(shù)較少，污水量不足；17：30-18：30，復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的制熱量大于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，因?yàn)樵摃r(shí)段洗浴人數(shù)較多，污水量充足，污水源熱泵能夠充分利用污水中的余熱，因此復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的制熱量較大；19：00之后復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的制熱量急劇下降，是因?yàn)樵摃r(shí)段熱水箱里的溫度已經(jīng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出水溫度，兩臺(tái)污水源熱泵機(jī)組的制熱量足以維持熱水箱的溫度穩(wěn)定。圖4（c）中，復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的COP總體大于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的COP大體穩(wěn)定在3.7左右，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的系統(tǒng)COP較為平緩，平均在3.1左右，可見(jiàn)復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的系統(tǒng)COP因污水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行有所提高，比空氣源熱泵熱水系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行能效更高，經(jīng)計(jì)算可知相對(duì)于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行，空氣源和污水源復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行能效能提高約19%，節(jié)能效果明顯。

圖4 熱水系統(tǒng)出水溫度、制熱量和COP隨時(shí)間變化

2.3 污水源熱泵余熱回收性能分析

污水源熱泵利用污水里的余熱作為低溫位熱源，通過(guò)輸入少量的高品位能（如電能）來(lái)制取高溫位熱源。本文在污水余熱完全應(yīng)用的情況下，分析回收熱量占總制熱量的占比。

當(dāng)環(huán)境平均溫度為9 ℃時(shí)，對(duì)污水池溫度以及污水排出溫度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示，污水池溫度、污水池排出溫度相對(duì)穩(wěn)定，污水池的平均溫度t3=22.8 ℃，排出污水的平均溫度t4=10.2 ℃，根據(jù)熱量公式［14］：

式中 μ ——廢水收集系數(shù)，取μ =0.9［22］；

c ——熱水定壓比熱，kJ/（kg·K）；

ρ ——熱水密度，kg/m3；

G0——設(shè)計(jì)熱水日用量，m3，G0=342 m3；

G1——自來(lái)水日用量，m3，G1=108 m3。

圖5 環(huán)境溫度、污水池溫度及污水排出溫度隨時(shí)間變化

計(jì)算可得回收污水余熱量Q1=5 146 642 kCal，占熱水日耗熱量Q0的35.8%，而本系統(tǒng)污水源熱泵的配比在設(shè)計(jì)選型時(shí)僅占熱水負(fù)荷的20%，表明污水源熱泵系統(tǒng)的余熱回收潛力大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮污水余熱回收的最大化，節(jié)能效果顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在空氣源和污水源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的模式下，從機(jī)組出水溫度、機(jī)組制熱量、COP等3個(gè)方面比較了2臺(tái)污水源熱泵機(jī)組的串、并聯(lián)運(yùn)行效果，結(jié)果表明串聯(lián)運(yùn)行的效果優(yōu)于并聯(lián)運(yùn)行。

（2）將污水源熱泵串聯(lián)時(shí)的復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)與單獨(dú)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的系統(tǒng)出水溫度、系統(tǒng)制熱量及COP等3個(gè)性能參數(shù)進(jìn)行比較，表明復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的運(yùn)行效果優(yōu)于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的運(yùn)行能效提高約19%，節(jié)能效果顯著。

（3）對(duì)污水余熱進(jìn)行分析，結(jié)果表明污水余熱回收的熱量占總制熱量的35.8%，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量利用最大化，使污水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果更顯著。