小型浴室高效熱泵熱水器的熱力循環(huán)關鍵節(jié)能技術研究

喬 璐

中北大學朔州校區(qū)

小型浴室高效熱泵熱水器的熱力循環(huán)關鍵節(jié)能技術研究

喬 璐

中北大學朔州校區(qū)

隨著人們的生活水平日益提高，各式各樣的浴室熱水器進入了家庭。熱泵熱水器可以極大地避免“三廢”熱量的浪費。利用熱泵原理，通過逆卡諾循環(huán)，借助于空氣源、污水源熱泵，壓縮機消耗少量的電能，把熱空氣、熱污水中的低位熱能提取出來，加熱洗浴用熱水，從而利用了熱空氣、廢熱水中的“廢熱”，達到節(jié)能環(huán)保的目的。熱泵所依據(jù)的是熱力學第一定律，能量在不同介質(zhì)中轉移，但總量是守恒的。

熱泵；暖通；小型熱水器；熱力循環(huán)；節(jié)能技術；暖通

1 引言

家庭浴室熱泵熱水器的提出，具有很重要的意義。其一，熱泵熱水器可以利用熱空氣、廢熱水中的余熱，與其他類型的熱水器相比更加節(jié)能，面對能源日益匱乏的現(xiàn)狀，熱泵熱水器具有很大優(yōu)勢，我國人口眾多，而且我國能源利用率比國外較低，如果熱泵熱水器能夠推廣開來，能節(jié)約大量能源，在一定程度上緩解能源壓力；其二，熱泵熱水器使用較少的電能，很少使用甚至不適用化石能源，因此不會產(chǎn)生太多的污染，對環(huán)境更友好，符合我國節(jié)能減排的政策。

2 熱泵熱水器的原理

熱泵熱水器利用熱泵技術，主要組成部分有壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器和水箱以及其他輔助設備（溫度控制儀等）。工作原理如下：

(1)低溫低壓的工質(zhì)，經(jīng)過膨脹閥節(jié)流后降壓，之后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中與熱空氣、廢熱水等進行換熱，熱空氣、廢熱水中的部分熱量進入工質(zhì)，低溫工質(zhì)吸熱由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，溫度上升；

(2)從蒸發(fā)器出來的氣態(tài)工質(zhì)進入壓縮機，壓縮機消耗一定的電能壓縮工質(zhì)，工質(zhì)溫度上升，壓力提高，此時工質(zhì)中增加的熱量一共包括兩部分，一部分是工質(zhì)從熱空氣、廢熱水中吸收的熱量，另一部分是壓縮機消耗的電能壓縮制冷劑過程中轉變的熱量；

(3)從壓縮機出來的制冷劑為氣態(tài)，溫度、壓力比較高，進入冷凝器，同時生活用水也進入冷凝器，二者進行逆向換熱，工質(zhì)放熱溫度降低，壓力下降，水的溫度上升；

(4)熱水從冷凝器中出來后，進入保溫水箱保溫以備使用，溫度降低后的工質(zhì)進入膨脹閥，重復循環(huán)過程。

在循環(huán)過程中，廢熱水和熱空氣的溫度比從冷凝器中出來的熱水溫度低，按照常識這似乎不能實現(xiàn)，但壓縮機消耗了電能，是熱量從溫度較低的廢熱水和熱空氣進入熱水，并不違背熱力學第二定律[1]。釋放的熱量包括廢熱水和熱空氣中的熱量以及壓縮機消耗的電能轉化的熱量，吸收的熱量是水從冷凝器中吸收的熱量，在理想條件下，釋放的熱量和吸收的熱量是相等的，這也符合熱力學第一定律。因此，在理論上熱泵熱水器是可行的。

3 小型浴室熱泵熱水器的優(yōu)化設計

我們當初構想的高效節(jié)能的家庭浴室熱泵熱水器僅僅考慮了熱泵熱水器這一部分，但出于實際考慮，這樣的安排尚需完善，我們還需要有更多的考慮。在我們的構想中，為熱水提供的能量分為兩部分，其中廢熱水和熱空氣中的能量是主要的熱量，而壓縮機中消耗的電能較少。但是我們還可以做這樣的考慮，將熱泵熱水器與太陽能熱水器結合起來，同是利用太陽能來加熱洗浴用水，這樣不但會彌補熱泵熱水器可能出現(xiàn)的供熱水不足的缺陷，而且能夠進一步減少電能的消耗。其流程大致為：低溫的水經(jīng)過太陽能熱水器加熱后在水箱中保溫，在人使用后，廢熱水在經(jīng)過熱泵系統(tǒng)，回收其中的余熱來加熱補充到太陽能熱水器中的水或用來使用的生活用水。

如果用戶應經(jīng)安裝了太陽能熱水器、煤氣熱水器、電熱水器等，我們都可以進行改裝，在這些熱水器的基礎上加裝熱泵熱水器，將他們與熱泵熱水器組合起來，都可以減少能源的消耗。當然，這樣做會增加設備的初始投資，但是從長遠考慮是合理的。

4 熱泵熱水器的熱力循環(huán)研究

4.1 熱泵熱水器的設計思路與原則

人們在日常洗浴過程中，會產(chǎn)生大量的廢熱水和廢熱空氣（其中包含少量水蒸氣），我們所設計的家庭浴室熱泵熱水器就是要把這兩部分中的熱量充分利用起來。利用熱泵原理，用兩個蒸發(fā)器把廢熱水和廢熱空氣中的余熱提取出來，然后在冷凝器中把熱量放給供水，加熱供水用來洗浴。

通過熱泵系統(tǒng)，利用了洗浴后廢水廢氣中的余熱，整個過程中消耗少量的電能，體現(xiàn)了家庭浴室熱泵熱水器的節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，這既是市場對熱水器發(fā)展提出的要求，也是我們所追求的。

4.2 工作過程中制冷劑的循環(huán)過程

上圖分別是制冷劑R134a在熱力循環(huán)過程中的T-s圖和p-h圖。具體過程如下：

5→6為制冷劑在蒸發(fā)器（空氣換熱部分）中定溫定壓的吸熱過程，制冷劑吸收廢熱空氣中熱量；

6→1為制冷劑在蒸發(fā)器（污水換熱部分）中定溫定壓的吸熱過程，制冷劑吸收廢熱水中熱量；

1→2為制冷劑在壓縮機中絕熱壓縮過程，制冷劑的壓力和溫度均提高；

2→4為制冷劑在冷凝器中的放熱過程，其中2→3為制冷劑過熱氣體的定壓降溫放熱過程，制冷劑由過熱氣體狀態(tài)變?yōu)轱柡蜌怏w狀態(tài)；

3→4為制冷劑飽和氣體定溫定壓放熱過程，制冷劑由飽和氣體狀態(tài)變?yōu)轱柡鸵后w狀態(tài)；

4→5為制冷劑等焓節(jié)流過程。

5 結束語

因此，小型熱泵熱水器前景廣闊，研究開發(fā)小型熱泵熱水器具有積極意義。相信在不久的將來，小型熱泵熱水器會進入千家萬戶，它也將為我國節(jié)能環(huán)保做出巨大貢獻。

[1]曲云霞,楊勇,李愛景,劉文波,王偉華.污水源熱泵供熱的工程應用及分析[J].可再生能源,2007(2):103～105.

[2]鐵燕.新型空氣源熱泵輔助供熱太陽能熱水系統(tǒng)熱力性能及運行特性研究[D].昆明理工大學，2010．

10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2017.12.032

喬璐（1996-），女，學士，研究方向：環(huán)境工程。