基于分析的高校公共浴室熱泵式余熱回收熱水供應系統(tǒng)

劉 鵬，楊恩澤（中國核電工程有限公司河北分公司，河北石家莊 050000）

劉 鵬，楊恩澤
（中國核電工程有限公司河北分公司，河北石家莊 050000）

從火用的角度對高校公共浴室傳統(tǒng)熱水供應系統(tǒng)與熱泵式余熱回收系統(tǒng)進行了分析，得出了2種系統(tǒng)的火用損、支付火用及火用效率。結果顯示：增加熱泵機組并不會增加系統(tǒng)火用損，熱泵式機組比傳統(tǒng)系統(tǒng)火用損減小約50%，熱泵式機組火用損減小主要通過降低鍋爐的容量來實現(xiàn)，高校公共浴室熱泵式余熱回收系統(tǒng)不僅節(jié)能，還能夠降低有用功的耗損。

供熱工程；浴室；余熱；熱泵；火用分析

高校公共浴室熱水具有水量大、使用時間集中的特點，溫度一般較高。使用后的熱水溫度經(jīng)測定大概在33℃，甚至更高[1]，一般被直接排走，造成了能量的浪費。有學者提出用熱泵技術將排水中的熱量提取出來，經(jīng)過間接換熱來提高自來水溫度，然后再利用低溫熱水鍋爐或電鍋爐將熱水溫度提升到洗浴所需溫度[2]。相關文獻指出，利用熱泵技術回收排水中的能量，具有良好的節(jié)能效果[3－6]。以往的相關文獻主要是從節(jié)能的角度分析這一系統(tǒng)的優(yōu)越性，還沒有文獻從火用的角度對傳統(tǒng)熱水供應和熱泵式熱水供應系統(tǒng)進行全面、具體的比較[7]。本文著重研究這一問題。

1　傳統(tǒng)公共浴室熱水供應系統(tǒng)火用分析

傳統(tǒng)浴室熱水供應系統(tǒng)如圖1所示。低溫熱水鍋爐提供溫度為t1的熱水，在換熱器中經(jīng)與溫度為t3的自來水換熱將其加熱至t4后，以t2溫度返回鍋爐，而t4溫度的熱水供洗浴用，洗浴后的熱水溫度為t5，直接排到室外環(huán)境中。在本文中筆者以環(huán)境壓力p0＝0.1MPa，環(huán)境溫度t0＝10℃為火用值的計算基準（公式中使用對應的開氏溫度T0，下同）。此系統(tǒng)換熱過程由2部分組成：鍋爐換熱和換熱器換熱。與之相對應，系統(tǒng)的火用分析分為2部分：熱水鍋爐火用分析和換熱器火用分析。

圖1　傳統(tǒng)浴室熱水供應系統(tǒng)Fig.1 Traditional hot water supplying system in bathroom

1.1熱水鍋爐火用分析

當鍋爐側熱水流量為1kg／s時，由鍋爐的效率公式得到將單位流量熱水由進口溫度t2加熱至目標溫度t1時煤釋放的能量：式中：Q為將單位質量熱水加熱至目標溫度煤釋放的能量，kJ；h1為鍋爐出口熱水焓值，kJ／kg；h2為鍋爐進口熱水焓值，kJ／kg；ηb為鍋爐的效率，取80%。

將單位質量熱水加熱至目標溫度所需的煤質量mf＝Q／q，q為煤的低位熱值，q＝29.271MJ／kg。

圖2為熱水鍋爐火用過程圖?？諝馀c燃料在大氣溫度t0下進入鍋爐，排煙溫度為te。為分析方便，認為燃料先在絕熱條件下燃燒，將化學能全部轉換為煙氣的熱能，使煙氣達到絕熱燃燒溫度tad，然后再由此高溫煙氣對水加熱，最后煙氣排到大氣中。介質在熱水鍋爐中火用平衡式為式中：Exa為鍋爐進口空氣火用值，kJ；Exf1為鍋爐進口燃料火用值，kJ；Ex2為鍋爐進口熱水火用值，kJ；Exe為鍋爐出口排煙火用值，kJ；Exf2為鍋爐出口燃料火用值，忽略，認為是0kJ；Ex1為鍋爐出口熱水火用值，kJ。

圖2　熱水鍋爐火用平衡示意圖Fig.2 Sketch map of the exergy in hot water boiler

經(jīng)分析，熱水鍋爐總體火用損失大體分為3個部分[8－12]：式中：πbt為熱水鍋爐總火用損，kJ／kg；πb1為熱水鍋爐絕熱燃燒過程火用損，kJ／kg；πb2為熱水鍋爐煙氣與熱水之間傳熱過程火用損，kJ／kg；πb3為熱水鍋爐排煙過程火用損，kJ／kg。

1）絕熱燃燒過程火用損計算式中：exf為單位質量標煤提供的化學火用，近似為標煤的低位熱值，MJ／kg；exa為單位質量鍋爐進口空氣火用值，假設在T0下進入鍋爐，故exa＝0；ma為鍋爐進口空氣流量，kg／s；ex，ad為絕熱燃燒溫度下煙氣的焓火用，kJ／kg；me為鍋爐排煙質量流量，kg／s。式中：cpa為煙氣定壓比熱容，kJ／（kg·K）；Tad為絕熱燃燒溫度，K；sad為煙氣絕熱溫度熵值，kJ／（kg· K）；ss0為煙氣在t0溫度下的熵值，kJ／（kg·K）。

鍋爐內煙氣壓力可視為定值，故mecpa（Tad－，所以：

2）熱水鍋爐煙氣與熱水之間傳熱過程火用損

圖3　煙氣換熱器Fig.3 Flue gas heat exchanger

3）鍋爐排煙過程火用損

熱水鍋爐的收益火用為

1.2水－水換熱器火用分析

熱水鍋爐的收益火用即為水－水換熱器的支出火用。此處假設從熱水鍋爐來的熱水流量為1kg／s，供應浴室水流量為Gkg／s。參照1.1項中煙氣換熱器火用分析，可得出此處水－水換熱器的火用損為

水－水換熱器收益火用為

式中：exw4為水溫在t4的比火用，kJ／kg；exw3為水溫在t3的熵值，kJ／kg；s4為水在溫度t4下的熵值，kJ／（kg·K）；s3為水在溫度t3下的熵值，kJ／（kg·K）。

1.3實例計算

以典型熱水供應系統(tǒng)為算例計算熱水供應各過程火用損，介質溫度參數(shù)如表1所示。

表1　介質參數(shù)Tab.1 Parameters of the medium　　℃

為了方便與下文中的熱泵系統(tǒng)進行比較，現(xiàn)確定2個系統(tǒng)共同的目標是將流量為1kg／s的自來水由t3加熱至t4，在收益相同的情況下比較火用損。由換熱器處能量守恒定律可知，當自來水流量為1kg／s，鍋爐熱水流量為1.3kg／s。傳統(tǒng)熱水供應系統(tǒng)的火用分析見表2。

表2　傳統(tǒng)熱水供應系統(tǒng)火用分析結果Tab.2 Exergy analysis results of traditional hot water supplying system

由表2可以看出，傳統(tǒng)熱水供應系統(tǒng)中火用主要損失在熱水鍋爐這一過程中，占總損失的90%以上，單純由熱水鍋爐供應熱水，有用功浪費嚴重。

2　熱泵式公共浴室熱水供應系統(tǒng)火用分析

熱泵式公共浴室余熱回收系統(tǒng)如圖4所示，熱泵先將溫度為t7的自來水升溫到t8，再用熱水鍋爐的熱水在換熱器中加熱到t9，達到洗浴要求。低溫熱水鍋爐熱水供回水溫度分別為t5和t6。下文將在此基礎上對熱泵式公共浴室余熱回收系統(tǒng)進行火用分析。火用分析共分為3部分：熱水鍋爐火用分析、換熱器火用分析和熱泵火用分析。其中，熱水鍋爐火用分析和換熱器火用分析方法在前文已經(jīng)講述，不再贅述，此處主要討論熱泵的火用分析。

圖4　熱泵式公共浴室余熱回收系統(tǒng)Fig.4 Waste heat recovery heating pump system in bathroom

2.1熱泵火用分析

圖5所示為蒸汽壓縮式熱泵循環(huán)，工質為R134a，蒸發(fā)溫度為t1，冷凝溫度為t2，壓縮機入口為飽和蒸汽，壓縮機效率ηc＝0.8，將溫度為t7的自來水加熱到t8。

圖5　蒸汽壓縮式熱泵循環(huán)Fig.5 Cycle of vapour compression heat pump

1）確定各狀態(tài)點參數(shù)

狀態(tài)點1，3可直接查表獲得，點2，4的參數(shù)需要計算求得。

狀態(tài)點1的飽和蒸汽經(jīng)定熵壓縮到壓力p時的焓值h2s可由蒸汽表查得。按給定的壓縮機效率值可算得點2的焓值[18]：再通過蒸汽表，利用插值計算求得t2，s2。狀態(tài)點3和狀態(tài)點4焓值相同：

t1下對應的R134a飽和液焓值和飽和汽焓值分別為h′，h″。所以濕蒸汽的干度x為而濕蒸汽的熵值s4為式中：s′為t1對應飽和液態(tài)R134a熵值，kJ／（kg· K）；s″為t1對應飽和汽態(tài)R134a熵值，kJ／（kg· K）。

2）計算制冷劑流量G

冷凝器的能量平衡方程如下：

式中：h7為水在溫度t7狀態(tài)下焓值，kJ／kg；h8為水溫度t8狀態(tài)下焓值，kJ／kg。

3）壓縮機功率w[19]

4）壓縮機火用損

5）冷凝器火用損[20]

6）節(jié)流閥火用損

7）蒸發(fā)器火用損

綜上所述，熱泵系統(tǒng)火用損為

熱泵系統(tǒng)收益火用為

2.2實例計算

首先確定熱泵循環(huán)中各狀態(tài)點的參數(shù)。設蒸發(fā)溫度為10℃，冷凝溫度為40℃，壓縮機入口為飽和蒸汽，壓縮機效率ηc＝0.8，將14℃的自來水加熱到30℃，經(jīng)蒸發(fā)器后排水溫度為15℃。狀態(tài)點1，3的參數(shù)可直接查表獲得，點2，4的參數(shù)由式（15）—式（18）計算求得。制冷劑各狀態(tài)點參數(shù)見表3。

表3　制冷劑狀態(tài)點參數(shù)Tab.3 Parameters of state points of the refrigerant

低溫熱水鍋爐供回水溫度和洗浴溫度與傳統(tǒng)熱水供應系統(tǒng)相同。計算熱泵式熱水供應系統(tǒng)各工作過程的火用結果如表4所示。

表4　熱泵式熱水供應系統(tǒng)火用分析結果Tab.4 Exergy analysis results of the waste heat recovery heating pump system

由表4可以看出，熱泵式熱水供應系統(tǒng)火用損失主要發(fā)生在熱水鍋爐階段，其次是熱泵階段，熱泵火用損失與鍋爐火用損失相比較少。

3　兩種系統(tǒng)火用對比分析

根據(jù)上述分析，在制備相同流量、相同溫度的熱水時，兩種系統(tǒng)的支出火用、損失火用和火用效率見表5。

表5　兩種熱水供應系統(tǒng)火用分析結果對比Tab.5 Comparison of exergy analysis for two method in hot water supplying

由表5可以看出，熱泵式熱水供應系統(tǒng)與傳統(tǒng)的熱水供應系統(tǒng)相比，其支出火用和損失火用都比后者減少了約50%；相應地，前者的火用效率比后者火用效率提高了1倍多。因此，與傳統(tǒng)的熱水供應系統(tǒng)相比，熱泵式熱水供應系統(tǒng)不僅是一種節(jié)能的熱水制備系統(tǒng)，還是一種節(jié)約有用功的熱水制備系統(tǒng)。

4　結 論

本文從火用的角度分析了公共浴室中傳統(tǒng)的熱水供應系統(tǒng)和熱泵式熱水供應系統(tǒng)火用損情況，得出結論如下：

1）在傳統(tǒng)熱水供應系統(tǒng)基礎上，增加熱泵機組并不會增加系統(tǒng)支出火用和損失火用。

2）熱泵式熱水供應系統(tǒng)比傳統(tǒng)的熱水供應系統(tǒng)大大減少了火用損，火用損約是傳統(tǒng)系統(tǒng)的50%。

3）熱泵式熱水供應系統(tǒng)主要靠減小熱水鍋爐容量以降低火用損。

4）熱泵式熱水供應系統(tǒng)不僅節(jié)能，還能顯著地降低火用損，應該積極地在公共浴室場所推廣。

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Waste－h(huán)eat－recycled heating pump system based on exergy analysis for public bathrooms in colleges and universities

LIU Peng，YANG Enze
（Hebei Branch of China Nuclear Power Engineering Company Limited，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

The traditional hot water supply system and the waste－h(huán)eat－recycled heating pump system based on exergy analysis for public bathrooms in colleges and universities are analyzed from the viewpoint of exergy，and the exergy loss，the payment exergy and exergy efficiency are obtained.The results show that adding heating pump units will not increase the exergy loss，the exergy loss of heating pump system is half of the traditional system，and its exergy loss is mainly decreased by reducing the capacity of the boiler.The heating pump system in college public bathroom is not only energy－saving but also exergy－saving.

heating engineering；bathroom；waste heat；heat pump；exergy analysis

1008－1534（2016）01－0084－06

TU832.1＋3

A

10.7535／hbgykj.2016yx01016

2015－10－28；

2015－11－23；責任編輯：馮 民

劉 鵬（1982—），男，河北保定人，工程師，碩士，主要從事核電、核工程、民用工程等方面的研究、設計工作。

E－mail：liupeng2008hi＠163.com

劉 鵬，楊恩澤.基于火用分析的高校公共浴室熱泵式余熱回收熱水供應系統(tǒng)[J].河北工業(yè)科技，2016，33（1）：84－89.

LIU Peng，YANG Enze.Waste－h(huán)eat－recycled heating pump system based on exergy analysis for public bathrooms in colleges and universities[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（1）：84－89.