生活廢熱水余熱利用的實(shí)驗(yàn)研究

王健敏，陳偉欽，林水榮，黃廣鵬

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東510225； 2.廣東省工業(yè)設(shè)備安裝公司，廣東510080；3.佛山市格寧雅風(fēng)暖通空調(diào)設(shè)備有限公司，廣東528137)

0 前言

隨著生活水平的提高，我國(guó)南北方越來(lái)越多的家庭、集體宿舍和賓館房間帶有非公共的獨(dú)立衛(wèi)生間。衛(wèi)生間洗浴后的廢熱水污染輕、水質(zhì)穩(wěn)定、余熱量大。但洗浴熱水的大部分熱量隨廢熱水排走了，尤其在學(xué)生宿舍，洗浴熱水是建筑主要的用水和能耗，且使用和排放時(shí)間較集中，水量大，其熱量回收利用的價(jià)值較大。但目前對(duì)非公共浴室廢熱水回收利用的研究報(bào)道僅限于理論計(jì)算[1-2]。

1 廢熱水余熱利用形式的理論分析

仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院位于廣州市白云區(qū)的15棟新建學(xué)生宿舍采用集中式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，加熱熱水終了溫度設(shè)定為53～55℃，到達(dá)宿舍衛(wèi)生間的熱水溫度約50～52℃。該系統(tǒng)比老校區(qū)宿舍采用的電熱水器節(jié)能，使用更方便、舒適。

2011年，對(duì)兩棟學(xué)生宿舍的100名男生和100名女生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查和數(shù)據(jù)跟蹤記錄。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，用水高峰時(shí)段為17∶00-23∶00，冬季用熱水量最多，每天人均用熱水量不超過(guò)40L，主要用于洗澡和洗頭。對(duì)于獨(dú)立計(jì)費(fèi)、繳費(fèi)的入戶式熱水，學(xué)生節(jié)水意識(shí)較好。

1.1 廢熱水源熱泵與空氣源熱泵的比較

按冬季最不利工況研究熱泵熱水系統(tǒng)。廣州地區(qū)冬季冷水(自來(lái)水，下同)溫度和空氣溫度按10℃計(jì)算；根據(jù)GB/T 23137—2008《家用和類似用途熱泵熱水器》[3]，熱泵熱水出水溫度取55℃；冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱溫差均按10℃計(jì)算。廢熱水源與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的熱水側(cè)工況相似，最大不同是蒸發(fā)器側(cè)，廢熱水源熱泵有較高溫度的熱源，根據(jù)制冷原理和熱力計(jì)算，直接采用廢熱水為熱源的熱泵熱水機(jī)可最大限度地回收廢熱水的余熱，冬季的能效比高于空氣源熱泵。

1.2 集中式與戶式廢熱水源熱泵的比較

集中式熱水系統(tǒng)設(shè)備少而集中，便于管理。為了分析其可行性，先進(jìn)行熱力計(jì)算。根據(jù)冷熱水的溫度和熱水用量通過(guò)能量守恒和質(zhì)量守恒原理可求出生活廢熱水量。40L50℃熱水兌10L10℃冷水后，獲得50L42℃洗浴熱水；洗浴后的廢熱水進(jìn)入蒸發(fā)器放熱降溫25℃，即，廢熱水初始溫度必須在30℃以上，從廢熱水中吸取的熱量才能滿足熱泵將10L冷水加熱至55℃的需要，并使蒸發(fā)器不結(jié)冰。

在春季室外空氣溫度20℃、冷水溫度20℃，和冬季室外氣溫9～11℃、冷水溫度13℃的環(huán)境下，在學(xué)生洗浴用水高峰時(shí)段，對(duì)仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院白云校區(qū)的兩棟學(xué)生宿舍(男女生宿舍各1棟)的廢熱水溫度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。每棟學(xué)生宿舍6層，首層架空，2至6層每間宿舍住5人，每棟住900人。宿舍的污水、廢水分流排放，每間宿舍有三處廢水排水點(diǎn)，分別是浴室、廁所洗手盆和陽(yáng)臺(tái)洗漱臺(tái)。一樓地面的廢水排水總管有兩種匯流情況，一種是三處廢水匯流，另一種是浴室廢水僅與廁所廢水匯流，陽(yáng)臺(tái)廢水經(jīng)獨(dú)立的排水總管流入化糞池。

測(cè)量當(dāng)天寒流侵襲，是學(xué)生在校期間最寒冷的一天，且被測(cè)宿舍樓位于廣州市郊區(qū)，空氣溫度比同期市區(qū)氣溫低3℃，這些測(cè)量數(shù)據(jù)基本能代表廣州地區(qū)最寒冷氣候。

測(cè)量發(fā)現(xiàn)，由于廢水檢查井和排水干管的管徑較粗，即使在學(xué)生洗漱最集中的時(shí)段，廢水在干管中的充滿度極小。大部分季節(jié)里，多房間、多樓層匯流的廢熱水在排水管中散熱迅速，到達(dá)地面時(shí)已低于30℃，余熱不足以提供熱泵熱水所需的吸熱量。而如果在浴室就地收集廢熱水，其余熱量較大。

表1 學(xué)生宿舍生活廢熱水溫度(℃)

2 廢熱水源熱泵熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雖然洗浴后廢熱水的余熱量占生活熱水熱量的比例較大，但由于生活廢熱水溫度不高，且潔凈度降低，因此，不采用熱回收換熱器，而直接采用廢熱水為熱源的水源熱泵，不僅熱回收率高，能效比高，而且可節(jié)省換熱設(shè)備。

圖1 戶式廢熱水源熱泵熱水系統(tǒng)示意圖

生活洗浴廢水經(jīng)過(guò)濾后一般固體雜質(zhì)不多，但對(duì)金屬材料仍有一定的腐蝕性。而鈦管換熱器具有很強(qiáng)的抗腐性，壽命比銅管、鋼管換熱器長(zhǎng)[4-5]，且換熱系數(shù)與銅管相差不大[6]，是銅管換熱器出色的替代品。本文主要采用換熱系數(shù)高的螺旋鈦管蒸發(fā)器；為避免蒸發(fā)器外表面結(jié)冰，提高蒸發(fā)器傳熱系數(shù)，廢水箱中放置功率74W的攪拌器。廢熱水源熱泵熱水器冬季工作溫度變化范圍大，采用熱力膨脹閥作為節(jié)流裝置。系統(tǒng)[7]示意圖如圖1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。根據(jù)學(xué)生用熱水量，分別計(jì)算夏季工況、冬季最不利工況和GB/T 23137[3]名義工況下兌得40～42℃生活熱水所需的冷水量和獲得的廢熱水量，并測(cè)得對(duì)應(yīng)廢水初始溫度，如表2所示。

1-壓縮機(jī) 2-冷凝套管 3-儲(chǔ)液器 4-熱力膨脹閥 5-視液鏡 6-蒸發(fā)器 7-廢水池 8-熱水箱 9-水泵 10-截止閥 11-冷凝壓力表 12-蒸發(fā)壓力表 13～14-玻璃管溫度計(jì) 15～17-電子溫度計(jì)

表2 實(shí)驗(yàn)工況和部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，環(huán)境氣溫約20℃；熱水箱中40L冷水經(jīng)水泵進(jìn)入熱泵的套管式冷凝器中被循環(huán)加熱至55℃時(shí)熱泵自動(dòng)停機(jī)；渦旋式壓縮機(jī)額定功率885W，外平衡式熱力膨脹閥制冷量2.0～3.5kW。每隔5分鐘測(cè)量系統(tǒng)冷凝溫度(壓力)、蒸發(fā)溫度(壓力)、冷凝器進(jìn)出口水溫、熱水箱熱水溫度、廢熱水溫度、電壓、電流、功率、用電量。

目前尚沒有鈦管用于廢熱水源熱泵熱水蒸發(fā)器

的設(shè)計(jì)參數(shù)，文獻(xiàn)[6]等的鈦管換熱器傳熱系數(shù)值基本都是以工質(zhì)流速較高、強(qiáng)制對(duì)流的冷凝器為研究對(duì)象的理論計(jì)算值，與廢熱水源熱泵蒸發(fā)器工作情況有較大差異。假定廢水箱中廢水流速在0.05～0.2m/s，按計(jì)算的傳熱系數(shù)560W/(m2℃)求蒸發(fā)器傳熱面積，采用管徑19mm的螺旋鈦管、蛇形鈦管、螺旋不銹鋼管三種類型的蒸發(fā)器分別浸沒入廢熱水箱廢水中進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3 測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

分別在三種實(shí)驗(yàn)工況下使用螺旋鈦管蒸發(fā)器且有攪動(dòng)廢水，將40L冷水循環(huán)加熱至55℃時(shí)，所測(cè)得的加熱時(shí)間、廢熱水終了溫度和計(jì)算的系統(tǒng)總能效比列于表2?？偰苄П仁窍到y(tǒng)從加熱開始至終了的熱水總加熱量與總耗電量之比。冬季工況下耗時(shí)50min，比理論計(jì)算值延長(zhǎng)了8分鐘；廢水箱內(nèi)水溫降至5.6℃，廢熱水溫降27.4℃，與計(jì)算結(jié)果相近，蒸發(fā)器不會(huì)結(jié)冰。

對(duì)冬季工況，還進(jìn)行了多種蒸發(fā)器的比較實(shí)驗(yàn)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出蒸發(fā)器傳熱系數(shù)和系統(tǒng)總能效比列于表3。如果不攪動(dòng)廢水，則蒸發(fā)器外表面很快結(jié)冰，廢水箱各處水溫差大，廢熱水放熱速度慢，熱水升溫慢，甚至達(dá)不到設(shè)定溫度。

表3 冬季工況下使用不同蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等對(duì)傳熱系數(shù)的影響

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，廢熱水有攪動(dòng)時(shí)的傳熱系數(shù)比無(wú)攪動(dòng)時(shí)的高，且攪動(dòng)速度越高，傳熱系數(shù)越高；由于所用攪拌器功率較小，廢水箱內(nèi)水流速度和水溫不均勻，而蛇形蒸發(fā)器比螺旋形的水平面積較大，其邊緣的換熱效果變差，造成蛇形蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)比螺旋蒸發(fā)器的??；蒸發(fā)器面積足夠大時(shí)，再增加傳熱面積不會(huì)增大傳熱系數(shù)，在水量、水箱大小和其他工況一定時(shí)，反而可能使流動(dòng)阻力增加而使系統(tǒng)能效比略有下降。不銹鋼管蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)略低于鈦管蒸發(fā)器。

雖然市面上按重量計(jì)算的鈦管單價(jià)是銅管和不銹鋼管的2.3～2.8倍，但由于鈦管耐腐蝕，其壁厚約是銅管和不銹鋼管的1/4，如，?19銅管、不銹鋼管和鈦管，其壁厚分別是2.5mm、2mm和0.53mm，做成相同傳熱面積的換熱器后，鈦管的造價(jià)反而低于不銹鋼管和銅管。

3.2 熱泵熱水系統(tǒng)的能效比及分析

系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度都跟隨外部流體溫度變化而變化。冷凝溫度升高速率較快，但始終低于65℃；蒸發(fā)溫度下降平緩，且外平衡式熱力膨脹閥控制的回氣過(guò)熱度基本穩(wěn)定在10℃。隨著蒸發(fā)溫度與冷凝溫度之間溫差的增大，壓縮機(jī)的負(fù)荷也越來(lái)越大，壓縮機(jī)輸入功率增加；但在熱水達(dá)到設(shè)定溫度前，輸入功率始終低于額定功率。加熱過(guò)程輸入電壓基本穩(wěn)定，而最高電流比最低電流增大了59.2%。冷水從10℃升高至55℃過(guò)程中，熱泵熱水系統(tǒng)的總能效比從7.74降低至3.88，但仍高于3.35的理論計(jì)算值和文獻(xiàn)[1]的計(jì)算值，更高于廠家提供的空氣源熱泵在相同工況下2.5的實(shí)際能效比。提高廢熱水?dāng)噭?dòng)速度，系統(tǒng)能效比還可略有提高。

在開始加熱階段，廢熱水源熱泵熱水系統(tǒng)有較高的能效比，而熱力計(jì)算時(shí)，是按廢熱水和熱水的初始和終了狀態(tài)的平均值計(jì)算的，所以，兩者存在一定差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于理論計(jì)算結(jié)果，這更說(shuō)明廢熱水源熱泵熱水系統(tǒng)有優(yōu)越的節(jié)能性能。

4 結(jié)論

(1)如果不攪動(dòng)廢熱水，會(huì)因蒸發(fā)器外表面結(jié)冰而使系統(tǒng)能效比很低。有攪動(dòng)時(shí)，螺旋鈦管蒸發(fā)器傳熱系數(shù)為560～600 W/(m2℃)；

(2)無(wú)論從造價(jià)、傳熱性能還是耐腐蝕性考慮，使用鈦管做廢熱水源熱泵的蒸發(fā)器比使用銅管和不銹鋼管更合適。

(3)本文所用的廢熱水源熱泵熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)取值和方法是合理的，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。

(4)即使在冬季，浴室就地收集的洗浴廢熱水的余熱可滿足廢熱水源熱泵熱水系統(tǒng)的制熱量，廢熱水放熱終了溫度高于5℃。戶式生活廢熱水源熱泵的節(jié)能效果優(yōu)于集中式的。

(5)戶式生活廢熱水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果好。系統(tǒng)總能效比在全年絕大部分時(shí)間高于空氣源熱泵和普通水源熱泵熱水器，在冬季寒冷天氣其性能和節(jié)能優(yōu)越性越顯著。

[1] 宼廣孝，王漢青，王賢林，等.以廢熱水為熱源的浴室熱泵熱水器[J].暖通空調(diào)，2004，(6)：43-45

[3] GB/T 23137—200 家用和類似用途熱泵熱水器[S].

[4] G .K.Pase等著，肖強(qiáng)譯.抗腐高效的鈦管換熱器[J].石化譯文，1996，(2)：59-60

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[6] 吳植仁，毛四成.不同金屬換熱面對(duì)總傳熱系數(shù)的影響[J].制冷與空調(diào)，2010，(4)：23-25

[7] 王健敏，陳偉欽，朱宏栩，等.生活廢熱水源熱泵熱水系統(tǒng)：中國(guó)，ZL2012 2 0538157.6[P]. 2013，4，3