空氣源／污水源復(fù)合熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡鵬王鐵軍李繼萍徐維夏興祥

（1合肥工業(yè)大學(xué) 合肥 230009；2安徽康特姆新能源工程有限公司 合肥 230009）

空氣源／污水源復(fù)合熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡鵬1王鐵軍1李繼萍2徐維1夏興祥1

（1合肥工業(yè)大學(xué) 合肥 230009；2安徽康特姆新能源工程有限公司 合肥 230009）

基于公共浴室熱水生產(chǎn)設(shè)備節(jié)能減排改造的需要，本文設(shè)計(jì)了可回收洗浴廢水余熱的空氣源／污水源復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)，在合肥工業(yè)大學(xué)屯溪路校區(qū)建立了應(yīng)用示范工程，進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試和應(yīng)用研究工作。結(jié)果顯示：在8℃ ±1.2℃的環(huán)境溫度、50℃供水設(shè)定溫度的運(yùn)行條件下，通過預(yù)熱器和污水源熱泵機(jī)組進(jìn)行余熱回收，洗浴廢水溫度從30.6℃降低至15.5℃，熱回收的能量約占熱水生產(chǎn)總能量的1／3；在10℃ ±1℃的環(huán)境溫度、45℃供水設(shè)定溫度的條件下，復(fù)合熱泵系統(tǒng)的能效比為3.45，與單獨(dú)運(yùn)行空氣源熱泵的2.96相比，能效提高16%；與傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t設(shè)備、電熱水器對(duì)比分析，復(fù)合熱泵系統(tǒng)可分別節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用53.3%、72.4%，節(jié)能、環(huán)保和降費(fèi)的優(yōu)勢(shì)明顯。

空氣源熱泵；污水源熱泵；設(shè)計(jì)；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；余熱利用

據(jù)統(tǒng)計(jì)，高校學(xué)生的平均能耗、水耗分別是全國(guó)居民人均的4倍和2倍［1］，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)，并具有良好的教育、示范和引領(lǐng)作用［2］。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，節(jié)能減排改造成為必然［3］。在這樣的背景下，熱泵熱水系統(tǒng)以消耗少量驅(qū)動(dòng)能為代價(jià)，從環(huán)境中攝取數(shù)倍的熱能生產(chǎn)熱水，高效、環(huán)保、安全和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)明顯［4－6］。 楊磊等［7］設(shè)計(jì)了一種復(fù)合熱源太陽能熱泵熱水系統(tǒng)，進(jìn)行了不同工作模式的性能模擬研究；張?jiān)录t等［8］在南京市進(jìn)行了復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，太陽充裕和陰天的平均能效比分別為4.83和3.97；陳劍波等［9］、郭超等［10］進(jìn)行的理論和實(shí)踐研究進(jìn)一步驗(yàn)證了太陽能、空氣源復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的高能效；韓豐云等［11］進(jìn)行的污水源熱泵、空氣源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析表明，采用污水源熱泵可以降低投資、減少運(yùn)行費(fèi)用；沈朝等［12］對(duì)公共浴室洗浴廢水的溫度和水量進(jìn)行測(cè)試分析，認(rèn)為利用熱泵系統(tǒng)回收余熱的潛力較大；安青松等［13］分析了洗浴廢水的水質(zhì)，提出了帶過濾器的直接式循環(huán)熱泵方案；胡敏東等［14］介紹了一種新型的回收廢水余熱的熱泵熱水器，實(shí)驗(yàn)得到了熱泵系統(tǒng)在設(shè)定工況下的平均能效比及污水參數(shù)與制冷量的關(guān)系。本文在研發(fā)“集中浴室用空氣源與污水源復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)及控制方法”［15］的基礎(chǔ)上，結(jié)合合肥工業(yè)大學(xué)屯溪路校區(qū)浴室熱水系統(tǒng)節(jié)能減排改造項(xiàng)目，建立了空氣源／污水源復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)應(yīng)用示范工程，并進(jìn)行了相關(guān)的應(yīng)用研究和系統(tǒng)優(yōu)化工作。

1 復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理

空氣源／污水源復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)如圖1所示。其總能量計(jì)算依據(jù)最冷月平均氣溫、日均洗浴人次和運(yùn)營(yíng)時(shí)間等，設(shè)計(jì)額定熱水供應(yīng)量100 m3／日，選取4臺(tái)QH-220EC-20空氣源熱泵機(jī)組構(gòu)成熱水系統(tǒng)的主機(jī)，輔以1臺(tái)60匹污水源熱泵機(jī)組，設(shè)定室外溫度小于24℃運(yùn)行污水源熱泵進(jìn)行洗浴污水的余熱回收。其它組成包括預(yù)熱換熱器、熱水箱、循環(huán)加熱水箱、各類循環(huán)泵、污水收集及其清洗過濾裝置等。

圖1 空氣源／污水源復(fù)合熱泵系統(tǒng)Fig.1 Air source／sewage source heat pump system

1.1 補(bǔ)水操作

設(shè)定循環(huán)加熱水箱液位波動(dòng)區(qū)間為H1±ΔH1，下限時(shí)開始補(bǔ)水，上限時(shí)停止補(bǔ)水，并按如下規(guī)則選擇補(bǔ)水通道和方式。

若ΔT≤Ts，自來水通過閥A直接進(jìn)入循環(huán)加熱水箱；若ΔT＞Ts且污水泵運(yùn)行時(shí)，自來水通過閥B、預(yù)熱通道9后，進(jìn)入循環(huán)加熱水箱。其中：ΔT＝T2－T6，T2為洗浴廢水溫度，T6為自來水溫度，Ts為設(shè)定溫差。

1.2 循環(huán)加熱及其能量控制

以熱水箱液位為輸入信號(hào)，設(shè)定熱水箱液位波動(dòng)區(qū)間為H2±ΔH2，V為液位變化速度，T為設(shè)定儲(chǔ)水溫度。采用循環(huán)加熱工作方式生產(chǎn)熱水，并按模糊控制規(guī)則調(diào)節(jié)熱泵熱水系統(tǒng)的輸出總能量。

將熱水箱的液位劃分為高、較高、中、較低和低5個(gè)液位等級(jí)。同理，將其液位變化速度V劃分為正大、正中、零、負(fù)中和負(fù)大5個(gè)等級(jí)；將復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的輸出總能量按照大、中和零劃分為3個(gè)等級(jí)；根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的液位H和液位變化速度V，控制復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行加載或減載。設(shè)定復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的加載順序?yàn)椋簝?yōu)先加載污水源熱泵機(jī)組，隨后逐個(gè)加載空氣源熱泵機(jī)組；減載順序?yàn)椋菏紫戎饌€(gè)卸載空氣源熱泵機(jī)組，最后卸載污水源熱泵機(jī)組。

1.3 污水回路自動(dòng)清洗操作

設(shè)定污水泵最大累計(jì)工作時(shí)間，并設(shè)最大運(yùn)行功率作為參考信號(hào)。清洗操作時(shí)，截止閥E開啟，截止閥C、D關(guān)閉，污水泵啟動(dòng)，污水流經(jīng)清洗加藥箱后對(duì)預(yù)熱器、污水源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)通道進(jìn)行清洗，之后排入城市污水管網(wǎng)。

復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境溫度、自來水溫度、水箱水位等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，自動(dòng)控制補(bǔ)水、循環(huán)加熱及其能量調(diào)節(jié)、清洗操作等，實(shí)現(xiàn)熱泵熱水系統(tǒng)的節(jié)能和穩(wěn)定運(yùn)行。

2 測(cè)試與分析

空氣源／污水源復(fù)合熱泵系統(tǒng)于2013年2月投入運(yùn)行，其后進(jìn)行了一系列的運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)試、分析和系統(tǒng)優(yōu)化工作，取2015-12-03—2015-12-20期間的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

采用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)，采集頻率設(shè)為0.5 min。溫度標(biāo)識(shí)及其測(cè)量位置如下：熱水水溫T1的測(cè)點(diǎn)位于熱水箱出水口，洗浴廢水溫度T2的測(cè)點(diǎn)位于污水池進(jìn)水口，預(yù)熱后廢水溫度T3的測(cè)點(diǎn)位于預(yù)熱換熱器污水通道出口，廢水排水溫度T4的測(cè)點(diǎn)位于廢水排水口，循環(huán)加熱水箱水溫T5的測(cè)點(diǎn)位于循環(huán)水箱出水口，環(huán)境溫度T0的測(cè)點(diǎn)位于通風(fēng)處。

2.1 數(shù)據(jù)處理

1）復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的制熱量

式中：Q0為復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的制熱量，kJ；T6為自來水溫度，℃；ρ為熱水密度，kg／m3；c為熱水的定壓比熱，kJ／（kg·K）；G0為熱水供水量，m3。

2）洗浴廢水的余熱回收量

式中：Q1為洗浴廢水的余熱回收量，kJ；μ為廢水收集系數(shù)，取0.9［16］；G1為洗浴時(shí)混入的冷水流量，m3。

3）復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)的性能系數(shù)

式中：P為熱水系統(tǒng)的總耗電量，kW·h，包括熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵、供水泵、污水泵等能耗。

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

圖2所示為浴室工作某日11：00～23：00復(fù)合熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。該時(shí)段室外平均溫度為8.1℃，波動(dòng)幅度2.3℃；自來水溫度基本穩(wěn)定，平均值為10.2℃，熱水供水溫度設(shè)定為50℃；洗浴廢水的平均溫度為30.6℃，熱回收過程中預(yù)熱換熱器出口、污水源熱泵機(jī)組出口的廢水平均溫度分別為25.8℃、15.5℃，總溫降為15.1℃。結(jié)合復(fù)合熱泵系統(tǒng)當(dāng)天的熱水供水量G0和洗浴水總流量G2，其中G2＝G0＋G1，由式（1）和式（2）計(jì)算得到余熱回收的能量約占熱水加熱總能量的 1／3，復(fù)合熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果明顯。

圖2 復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行狀況Fig.2 Operating conditions of compound heat pump

取測(cè)量期間循環(huán)加熱水箱和熱水箱中具有代表性的溫度點(diǎn)繪制如圖3所示。

圖3 水箱溫度動(dòng)態(tài)變化Fig.3 The water tank temperature varied with time

由圖3可知，熱水溫度基本穩(wěn)定在50℃ ±1℃范圍內(nèi)，表明復(fù)合熱泵系統(tǒng)能夠響應(yīng)內(nèi)、外部擾動(dòng)，穩(wěn)定、可靠地工作。循環(huán)加熱水箱內(nèi)的溫度分層，由下至上，溫度逐漸提高，補(bǔ)水口設(shè)在水箱的下部，T5呈周期性變化，波動(dòng)范圍為30～45.9℃。熱泵熱水系統(tǒng)在浴室開放的12 h中，共運(yùn)行了10個(gè)近似的等幅振蕩周期，期間共生產(chǎn)熱水120 m3。

圖4所示為2015年12月7日單獨(dú)運(yùn)行空氣源熱泵、8日運(yùn)行空氣源／污水源復(fù)合熱泵制取45℃熱水的測(cè)試數(shù)據(jù)。圖中T7和T8分別為兩日的室外溫度曲線。計(jì)算平均溫度分別為10.83℃、10.71℃，自來水平均溫度分別為11.83℃、11.78℃。測(cè)量熱泵系統(tǒng)的耗電量P、熱水供應(yīng)量G0，由式（1）、（3）計(jì)算熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效的變化。

圖4 空氣源熱泵與復(fù)合熱泵運(yùn)行能效對(duì)照?qǐng)DFig.4 Comparison of energy efficiency of air source heat pump and compound heat pump

由圖4可知，12月7日，空氣源熱泵系統(tǒng)能效變化較為平緩，COP在2.96左右。12月8日，復(fù)合熱泵系統(tǒng)運(yùn)行初期能效較低，其原因在于洗浴廢水流量不足，污水源熱泵沒有運(yùn)行；隨著污水源熱泵投入運(yùn)行，COP平穩(wěn)上升，之后穩(wěn)定在3.45左右；在20∶45～22∶00洗浴人次高峰時(shí)段，熱泵系統(tǒng)的COP提高到3.6，其原因是洗浴廢水溫度高、流量大，污水源熱泵滿負(fù)荷運(yùn)行。相對(duì)于空氣源熱泵獨(dú)立運(yùn)行，能效約提高16%。

3 熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的比較

根據(jù)本項(xiàng)目熱泵熱水系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)采用空氣源／污水源復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)、電熱水器、燃?xì)忮仩t、燃煤鍋爐等4種加熱方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。為方便比較，現(xiàn)設(shè)定如下條件：環(huán)境溫度為10℃，將1 000 kg自來水從10℃加熱到45℃。計(jì)算比較結(jié)果如表1所示。

表1中計(jì)算的能源價(jià)格分別：電0.65元／（kW· h）、煤750元／t、天然氣3.60元／m3，燃煤鍋爐效率η＝0.8，燃?xì)忮仩t的效率取η＝0.9，電熱水器的效率η＝0.95。由表2可知，燃煤鍋爐生產(chǎn)熱水的費(fèi)用最低，但由于高能耗、高污染等問題，國(guó)家已經(jīng)禁止在城市內(nèi)使用?？諝庠矗鬯磸?fù)合熱泵節(jié)能、環(huán)保、安全，相對(duì)于燃?xì)忮仩t節(jié)約費(fèi)用53.3%，相對(duì)于電熱水器節(jié)約費(fèi)用72.4%。

表1 幾種典型熱水生產(chǎn)方式的性能對(duì)比Tab.1 Economic analysis of different water heater

4 結(jié)論

研發(fā)空氣源／污水源復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)，建立了空氣源／污水源復(fù)合熱泵熱水示范工程，進(jìn)行了復(fù)合熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行狀況的測(cè)試研究，得出如下結(jié)論：

1）在環(huán)境溫度為10℃條件下，復(fù)合熱泵系統(tǒng)相對(duì)于空氣源熱泵、燃?xì)鉄崴?、電熱水器分別節(jié)約費(fèi)用16%、53.3%、72.4%，測(cè)試期間系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，熱水水溫穩(wěn)定，在洗浴高峰期出水溫度依然能達(dá)到設(shè)定溫度。

2）室外平均溫度為8.1℃，對(duì)污水池內(nèi)污水溫度、預(yù)熱換熱器污水通道出口溫度、污水排水口溫度測(cè)試結(jié)果顯示，各溫度相對(duì)穩(wěn)定，分別為30.6℃、25.8℃、15.5℃，污水總溫降約15.1℃，回收熱量約占加熱總能量的1／3，污水余熱回收效果明顯。

3）循環(huán)水箱內(nèi)水溫近似等幅振蕩，波動(dòng)范圍為30～45.9℃，系統(tǒng)在12 h內(nèi)共完成10個(gè)加熱周期，制得50℃熱水120 m3；同一個(gè)加熱周期內(nèi)水溫上升速度變緩、耗電量上升速度變快。

4）分別對(duì)空氣源熱泵、空氣源／污水源復(fù)合熱泵系統(tǒng)在10℃ ±1℃的條件下，將自來水加熱到45℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，空氣源熱泵平均能效為2.96，復(fù)合熱泵系統(tǒng)平均能效為3.45，復(fù)合熱泵系統(tǒng)相對(duì)于普通的空氣源熱泵更高效、節(jié)能。

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Design and Application of Air／Sewage Source Heat Pump System

Hu Peng1Wang Tiejun1Li Jiping2Xu Wei1Xia Xingxiang1
（1.Hefei University of Technology，Hefei，230009，China；2.Anhui Quantum New Energy Co.，Ltd.，Hefei，230009，China）

In order to achieve energy conservation and emissions reductions，an air source／sewage source heat pump hot water system was designed.Field tests were conducted in a demonstration project on Tunxi Road at Hefei University of Technology.The results show that at an ambient temperature of 8℃ ±1.2℃ and a water supply temperature of 50℃ condition，the wastewater temperature is decreased from 30.6℃ to 15.5℃ through preheater and waste heat recovery.Heat recovery energy accounts for about 1／3 of the total energy for hot water heating.At an ambient temperature of 10℃ ±1℃ and a water supply temperature of 45℃ condition，the energy efficiency of the composite heat pump system was 3.45.Compared with a separate air source heat pump，the energy efficiency is increased by 18%.Compared with a gas water heater and an electric water heater，the composite heat pump system can reduce operating costs by 53.3%and 72.4%，respectively.The results show obvious advantages of composite heat pump system on energy saving，environmental protection，and cost reduction.

air source heat pump；sewage source heat pump；design；field test；waste heat recovery

TK115；TQ051.5；X703

：A

：0253－4339（2017）03－0019－05

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.019

王鐵軍，男，教授，合肥工業(yè)大學(xué)制冷與空調(diào)技術(shù)研究所所長(zhǎng)，13905510159，E-mail：wtj555＠sina.com。研究方向：制冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能與能源綜合利用。

2016年8月30日

About the corresponding author

Wang Tiejun，male，professor，the Head of Refrigeration and Air Conditioning Institute，Hefei University of Technology， ＋86 13905510159，E-mail：wtj555＠sina.com.Research fields：conservation and utilization of energy in refrigeration and air conditioning system.