回收利用衛(wèi)生間排氣熱的熱泵熱水器研究

魏晨希 馬國(guó)遠(yuǎn) 劉帥領(lǐng) 許樹(shù)學(xué)

（北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124）

0 引言

自從邁入二十一世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)生活舒適度開(kāi)始有了更多的要求，這導(dǎo)致了對(duì)能源需求的大幅提升。目前商用建筑所用能源的消耗費(fèi)用已經(jīng)突破225 億元，家用建筑的能源消耗量更是日益增加[1]。國(guó)家推出的政策中提出，將提高能源利用率作為發(fā)展的第一目標(biāo)，因此，如何在不降低日常需求的基礎(chǔ)之上對(duì)能源充分利用開(kāi)始成為人們?nèi)找骊P(guān)注的首要核心[2]。許多節(jié)能環(huán)保的措施及理念開(kāi)始不斷地出現(xiàn)，將這些理念融入各種工程之中成為了重中之重，其中，以各種熱回收為首的，將建筑內(nèi)外或設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的余熱回收進(jìn)行再利用的理念已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模實(shí)施于工程之中[3]。

從目前的形勢(shì)來(lái)看，數(shù)據(jù)中心余熱利用已經(jīng)成為了數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重點(diǎn)突破項(xiàng)目。隨著新一代技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了快速增長(zhǎng)期，數(shù)據(jù)中心的耗電量占社會(huì)總用電量的2%[4]。由于數(shù)據(jù)中心余熱潛能巨大，將冷卻用低溫冷凍水作為水源熱泵的熱源十分可靠，并已經(jīng)有了相對(duì)成熟的技術(shù)進(jìn)展，可以提供數(shù)據(jù)中心園區(qū)及附近辦公區(qū)域的供暖熱負(fù)荷，相較于使用鍋爐供暖的方式有較為顯著的節(jié)能效益[5]。

而當(dāng)前居民建筑因?yàn)樽≌娣e有限，保證室內(nèi)的空氣流通效果已經(jīng)成為了基礎(chǔ)目標(biāo)，如何充分利用建筑內(nèi)的空間使其更有效的與建筑融為一體是現(xiàn)在著重的問(wèn)題所在[6,7]。實(shí)驗(yàn)表明[8]，冷凝熱回收具有較高的回收率。將空調(diào)冷凝熱進(jìn)行熱水加熱并將空調(diào)與熱水結(jié)合即形成了熱泵空調(diào)熱水系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可滿足家庭用水與空調(diào)的兩種需求[9]。對(duì)于冷凝熱的回收，部分研究人員首先將熱泵熱水器與熱回收結(jié)合，并首先對(duì)熱水中的廢熱進(jìn)行了回收[10]，回收后的熱水熱效率高達(dá)600%-900%；范秀頌[11]等人在淋浴后廢水余熱回收的基礎(chǔ)上加入了泵和風(fēng)機(jī)并改進(jìn)為二次換熱加熱，相較之前的研究提高了熱水出流溫度，整體提高了系統(tǒng)性能。也有研究人員[12]將淋浴后的廢水與蒸發(fā)器進(jìn)行熱量交換，同樣取得了較為不錯(cuò)的效果。

針對(duì)環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能帶來(lái)的影響，已有研究人員提出利用房間內(nèi)排氣熱回收的方式減少環(huán)境溫度的波動(dòng)；陳[13]等人在廚房?jī)?nèi)設(shè)置了熱回收裝置，回收了廚房?jī)?nèi)的高溫?zé)煔庖约訜嵘钣盟?，改裝后樣機(jī)COP 可達(dá)4-5，然而煙氣中含有的油污會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器換熱面積下降，又因改裝成本過(guò)高而不適合推廣；孟得林[14]等在廚房的各個(gè)機(jī)器的散熱點(diǎn)進(jìn)行余熱回收，再反饋給餐廳內(nèi)的熱泵熱水器代替電能加熱熱水，這種系統(tǒng)適合在北方寒冷天氣下利用機(jī)器余熱代替低溫?zé)嵩?，改善了北方只能用單一熱源進(jìn)行加熱的不利條件，緩解了廚房?jī)?nèi)的高溫，整體機(jī)組效果良好。郭[15]等人將熱泵熱水器的蒸發(fā)器單獨(dú)移至浴室排風(fēng)口吸入室內(nèi)空氣，有效避免了霜層的產(chǎn)生并改善了系統(tǒng)的性能。以上研究證實(shí)了熱泵熱水器放置于室內(nèi)吸收室內(nèi)排風(fēng)升溫?zé)崴目尚行浴?/p>

本文搭建了一個(gè)利用衛(wèi)生間排氣能量提供生活熱水的熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)研究了環(huán)境溫度及水溫對(duì)熱泵熱水器的制熱速率與性能的影響。第一部分，介紹了系統(tǒng)的工作原理。第二部分，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。第三部分，對(duì)測(cè)試結(jié)果及產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)地闡述。第四部分，與傳統(tǒng)的熱水器進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較和分析。目前國(guó)外針對(duì)余熱回收熱泵熱水器的研究多偏向于回收車庫(kù)內(nèi)余熱，尚不能適應(yīng)我國(guó)的國(guó)情和居民的使用習(xí)慣，國(guó)內(nèi)對(duì)該方面的研究則相對(duì)匱乏，并未對(duì)我國(guó)情況進(jìn)行適配。本文章設(shè)計(jì)的整體熱泵熱水器呈一體化，避免了分體式所帶來(lái)的制冷劑泄漏的問(wèn)題，使用時(shí)可放置于浴室天花板上，吸收室內(nèi)空氣熱量加熱生活用水，避免了冬季溫度低造成的熱水器結(jié)霜、能耗升高的狀況，夏季亦可保持室內(nèi)空氣流通，保持房間內(nèi)溫度適宜，更好的適配了我國(guó)的情況。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

回收室內(nèi)余熱空氣源熱泵熱水器如圖1 所示。系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、毛細(xì)管、氣液分離器及水箱構(gòu)成，其中冷凝器為沉浸式，放置于水箱內(nèi)。系統(tǒng)工作過(guò)程為：經(jīng)壓縮機(jī)壓縮過(guò)的高溫高壓制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器，與水箱內(nèi)的水換熱，在冷凝器中被冷卻制冷劑液體，后進(jìn)入毛細(xì)管節(jié)流降壓，成為低壓的兩相制冷劑，最后進(jìn)入蒸發(fā)器與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱量交換，成為低溫低壓的制冷劑氣體再次進(jìn)入壓縮機(jī)，完成一輪循環(huán)。待水箱中的熱水達(dá)到設(shè)定溫度后停止循環(huán)。

圖1 用于回收衛(wèi)生間排氣熱的熱泵熱水器原理圖Fig.1 Schematic diagram of a heat pump water heater used to recover exhaust heat from toilet

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備選型參數(shù)

2.1 熱泵系統(tǒng)計(jì)算設(shè)計(jì)

針對(duì)回收室內(nèi)余熱空氣源熱泵熱水器的這種特性對(duì)冬夏兩季的排風(fēng)量進(jìn)行了計(jì)算。

冬季與夏季室內(nèi)空氣的溫度不同，空氣物性也不同。對(duì)所需的排風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，冬季室內(nèi)溫度在18℃-25℃，濕度在30%-70%之間，夏季室內(nèi)溫度在23℃-28℃，濕度在30%-60%之間的條件為前提，取冬季溫度20℃，相對(duì)濕度50%；夏季溫度25℃，相對(duì)濕度60%。

由焓濕圖可以查得，冬季進(jìn)口溫度焓值hin冬=39kJ/kg干空氣，出口為相對(duì)濕度接近100%的露點(diǎn)溫度，其焓值hout冬=27.8kJ/kg干空氣。Q0為所設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)的制冷量。可以得到冬季的排風(fēng)量：

夏季進(jìn)口溫度焓值hin夏=56kJ/kg干空氣，出口為相對(duì)濕度接近100%的露點(diǎn)溫度，其焓值hout夏=47.6kJ/kg干空氣?？梢缘玫较募镜呐棚L(fēng)量：

2.2 蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)

系統(tǒng)所采用的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)型式為管翅式，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of evaporator

2.3 冷凝器設(shè)計(jì)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用的冷凝器是在原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式上進(jìn)行改進(jìn)，管路環(huán)繞方式采用上窄下寬的梯形結(jié)構(gòu)配置，該結(jié)構(gòu)型式有利于水溫的均勻分布，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。計(jì)算得到的冷凝器模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：螺旋盤(pán)管最底端直徑為200mm，最上端直徑為140mm，每圈間距20mm。

圖2 所設(shè)計(jì)冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the designed condenser structure

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試環(huán)境

根據(jù)回收室內(nèi)余熱空氣源熱泵熱水器小風(fēng)量、小功率的特點(diǎn)，選擇了市場(chǎng)上與本設(shè)計(jì)匹配的空氣源熱泵熱水器作為樣機(jī)放置于室內(nèi)模擬運(yùn)行，如圖3 所示。

圖3 熱泵熱水器設(shè)備圖Fig.3 Heat pump water heater equipment diagram

本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試儀器采用從歐盟進(jìn)口的（LEM）即電流傳感器，通過(guò)將測(cè)點(diǎn)與三相交流電進(jìn)行連接，可在該數(shù)據(jù)測(cè)試處理系統(tǒng)上獲得熱泵熱水器在不同工況下的電流、電壓、以及功率值。

圖4 測(cè)試用LEM 電流傳感器Fig.4 LEM current sensor for testing

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)的主要目的為測(cè)驗(yàn)原始機(jī)組熱水器在不同環(huán)境溫度下的系統(tǒng)性能。根據(jù)北京全年室溫統(tǒng)計(jì)表可以得到，北京室內(nèi)最高溫度大約為35℃，室內(nèi)最低溫度大約為7℃，因此將實(shí)驗(yàn)中環(huán)溫的選取確定為7℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃及35℃時(shí)，將相同水量從17℃加熱到55℃，研究空氣源熱泵熱水器機(jī)組的升溫時(shí)間，制熱量，整機(jī)功耗，COP 與環(huán)境溫度之間的關(guān)系。

制熱量的計(jì)算公式如下：

式中，Q 為制熱量，kW；t1為加熱開(kāi)始時(shí)水的溫度，℃；t2為加熱終止時(shí)水的溫度，℃；H 為加熱小時(shí)數(shù)， h ； Cp為水的比熱容， 取4.1868kJ/(kg·℃)；M 為水的質(zhì)量，kg。

整機(jī)功耗采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Pc為壓縮機(jī)功耗，kW；Pf為風(fēng)機(jī)功耗，kW。

性能系數(shù)COP 計(jì)算公式如下：

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

熱水器輸入功率隨水溫的變化如圖5 示，隨環(huán)境溫度的升高輸入功率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，環(huán)境溫度越高最終的功率越高，不同環(huán)境溫度下功率變化的差異較小。例如，環(huán)境溫度為7℃和35℃時(shí)，水溫從20℃上升到55℃，功率分別由0.3kW 上升到0.51kW，0.32kW 上升到0.61kW。不同環(huán)溫下，最初加熱階段功率上升曲線的斜率基本一致，隨著時(shí)間的推移，環(huán)境溫度高時(shí)，功率隨水溫上升增長(zhǎng)越快，這可能是由于在加熱過(guò)程中水溫動(dòng)態(tài)升高導(dǎo)致了冷凝器溫度的升高，這導(dǎo)致了曲線斜率的后期上升。

圖5 不同環(huán)境溫度下功率隨水溫的變化Fig.5 Power changes with water temperature under different ambient temperatures

制熱量隨時(shí)間的變化如圖6 所示，在整個(gè)加熱過(guò)程中，制熱量呈現(xiàn)出先上升后下降，最終趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，環(huán)境溫度越低，系統(tǒng)水溫上升所需的時(shí)間越長(zhǎng)，制熱量越低；在開(kāi)機(jī)前五分鐘制熱量突增可能是由于在系統(tǒng)剛啟動(dòng)的短時(shí)間內(nèi)水溫上升較快，穩(wěn)定過(guò)程中的輕微波動(dòng)則有可能是由于測(cè)量的隨機(jī)誤差或環(huán)境工況不穩(wěn)定導(dǎo)致。在環(huán)境溫度為30℃時(shí)制熱量變化較大，在系統(tǒng)工作55 分鐘時(shí)達(dá)到最高2.23kW 的瞬時(shí)制熱量，而后逐漸下降，制熱量最終維持在1.807kW 附近；環(huán)境溫度為20℃時(shí)整體加熱過(guò)程沒(méi)有較大的起伏，最大瞬時(shí)制熱量為1.57kW，而后逐漸下降至1.479kW；環(huán)境溫度為25℃時(shí)制熱量則基本維持在1.674kW 左右，由此可見(jiàn)，20℃與25℃隨時(shí)間變化的制熱量曲線較為平穩(wěn)，20℃-25℃區(qū)間可以視作熱泵熱水器適宜運(yùn)行的環(huán)境溫度區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)，加熱過(guò)程中制熱功率沒(méi)有較大波動(dòng)的同時(shí)也擁有較好的制熱效果，此溫度區(qū)間恰好為空調(diào)要保持的室內(nèi)溫度的區(qū)間，證明了回收衛(wèi)生間排氣余熱熱泵系統(tǒng)放置于空調(diào)室內(nèi)時(shí)的良好性能。

圖6 水溫上升過(guò)程中制熱量隨時(shí)間變化曲線Fig.6 The heating capacity changes with time in the process of rising water temperature

從圖5 和圖6 可以看出，在水溫從17℃上升至55℃的過(guò)程中，環(huán)境溫度為7℃時(shí)加熱達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)間最長(zhǎng)，大約耗時(shí)306 分鐘，環(huán)境溫度為35℃時(shí)加熱達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)間最短，僅需160 分鐘，這表明，相比較于常年放置于室外、所處環(huán)境不穩(wěn)定的傳統(tǒng)空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)，回收室內(nèi)余熱系統(tǒng)避免了冬季環(huán)境溫度低的情況，使得加熱時(shí)間降低，同等功率下獲得熱水速率更快。

圖7 是在不同環(huán)境溫度下，水溫上升過(guò)程中COP 隨時(shí)間的變化，整體趨勢(shì)為系統(tǒng)COP 先急速上升后開(kāi)始平緩下降，最終趨于穩(wěn)定。其中環(huán)境溫度為25℃時(shí)的COP 穩(wěn)定在3.1 左右，環(huán)境溫度為20℃時(shí)的COP 穩(wěn)定在2.56 左右。

圖7 水溫上升過(guò)程中COP 隨時(shí)間的變化Fig.7 The change of COP with time during the rise of water temperature

圖8 為COP 隨水溫上升的變化曲線。隨水溫的上升，環(huán)境溫度在20℃及以下時(shí)，COP 曲線變化較為平緩；環(huán)境溫度高于20℃時(shí)，COP 曲線則變化較為劇烈，主要波動(dòng)范圍為水溫25℃-35℃之間，以環(huán)境溫度為25℃時(shí)波動(dòng)最為劇烈；環(huán)境溫度為20℃時(shí)整體系統(tǒng)的波動(dòng)最小，且相較于其他環(huán)境溫度，最終COP 保持在較為中等的水平。

圖8 COP 隨水溫上升的變化Fig.8 Changes in COP with rising water temperature

4 熱水器性能分析比較

4.1 實(shí)驗(yàn)熱泵熱水器回收余熱與置于室外運(yùn)行性能分析

實(shí)驗(yàn)用熱泵熱水器樣機(jī)置于室外全年運(yùn)行及置于室內(nèi)回收余熱時(shí)的COP 變化可用DeST 軟件模擬計(jì)算。首先選取了DeST 中北京地區(qū)一年的室外與室內(nèi)（按夏季開(kāi)空調(diào)，冬季供暖室溫）逐時(shí)溫度統(tǒng)計(jì)，改變?cè)到y(tǒng)熱泵熱水器蒸發(fā)溫度，對(duì)制熱COP 進(jìn)行了全年的計(jì)算，得到圖9（a）和（b）的COP 變化曲線。

圖9 北京熱泵熱水器室內(nèi)室外運(yùn)行的全年COP 變化曲線Fig.9 Annual COP variation curve of Beijing heat pump water heater indoor and outdoor operation

圖9 中的COP 隨小時(shí)數(shù)變化曲線是在全年逐時(shí)環(huán)境溫度下進(jìn)行模擬計(jì)算得到的圖線，全年放置于室外的普通系統(tǒng)和全年放置于室內(nèi)的回收余熱系統(tǒng)COP 變化均與溫度變化成正比，隨環(huán)境溫度變化而變化。分別計(jì)算室內(nèi)室外全年供暖期的平均COP 為：室外運(yùn)行全年的COP 平均值為3.876，而室內(nèi)回收余熱運(yùn)行的COP 平均值則為6.183，比室外運(yùn)行時(shí)高出近37%。

針對(duì)北京全年的逐天室內(nèi)（有空調(diào)有供暖的情況下）與逐天室外溫度，按每天制取一次熱水計(jì)算，每次加熱到55℃，可以得到全年普通系統(tǒng)的總功耗為：439.17kWh，全年使用回收室內(nèi)余熱系統(tǒng)的功耗為：338.46kWh，按一度電0.48 元計(jì)算，一年可節(jié)約電費(fèi)43.54 元。按同樣的方法對(duì)上海進(jìn)行計(jì)算（室內(nèi)溫度為無(wú)空調(diào)無(wú)供暖的情況），其全年逐時(shí)COP 如圖10（a）、（b）所示，可以看出在上海，全年放置于室內(nèi)時(shí)的COP 是較為集中的，且波動(dòng)范圍較小。通過(guò)計(jì)算可以得到上海全年回收室內(nèi)余熱系統(tǒng)的總功耗為：244.572kWh，全年普通系統(tǒng)的總功耗為：291.936kWh，由此可以得到，按一度電0.48 元計(jì)算，一年可節(jié)約電費(fèi)22.73 元。從上述計(jì)算可以看出，無(wú)論在南方還是北方，使用回收室內(nèi)余熱系統(tǒng)都可以有效降低能耗。

圖10 上海熱泵熱水器室內(nèi)室外運(yùn)行的全年COP 變化曲線Fig.10 Annual COP variation curve of Shanghai heat pump water heater indoor and outdoor operation

4.2 熱泵系統(tǒng)與不同熱水器系統(tǒng)性能分析比對(duì)

在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)中，熱泵熱水器僅占一小部分的銷售量，儲(chǔ)水式電熱水器，燃?xì)鉄崴鞯仍谑袌?chǎng)中仍有著不少的占比，為了更好的體現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行性能，本文將地點(diǎn)設(shè)置為北京，以同樣時(shí)間開(kāi)啟熱水器和同樣的熱水加熱量為基準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，原系統(tǒng)，電熱水器及燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行全年的能耗及費(fèi)用比較分析，如表2 所示。

表2 各種熱水器全年能耗比較Table 2 Comparison of annual energy consumption of various water heaters

從表2 可以看出，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的全年能耗338.46kWh，儲(chǔ)水式電熱水器設(shè)計(jì)系統(tǒng)全年能耗為1718.84kWh，而燃?xì)鉄崴魅晗奶烊粴饬繛?50.76m3，與其余熱水器系統(tǒng)比較，均節(jié)約了較多的電費(fèi)，有較為顯著的節(jié)能節(jié)費(fèi)效果。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)空氣源熱泵熱水器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)了可放置于室內(nèi)回收衛(wèi)生間排氣的回收余熱空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)，該系統(tǒng)全放置于室內(nèi)回收排風(fēng)熱量，避免了因全年溫度變化而造成系統(tǒng)的性能下降和耗電量增加，室內(nèi)溫度在20℃-25℃之間，系統(tǒng)性能相對(duì)較高。本文將相似的熱泵熱水器系統(tǒng)放置于室內(nèi)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，得到了以下結(jié)論。

（1）設(shè)計(jì)得到的回收衛(wèi)生間余熱排風(fēng)熱泵熱水器系統(tǒng)COP 可較普通熱泵熱水器高出近37%。

（2）在室內(nèi)環(huán)境溫度分別為7℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃和35℃下進(jìn)行試驗(yàn)，得到的結(jié)果表明，在環(huán)境溫度為20℃時(shí)，整體系統(tǒng)制熱量變化、COP 變化曲線與功率變化曲線波動(dòng)較小。

（3）相較于儲(chǔ)水式電熱水器，針對(duì)北京地區(qū)而言，一年可節(jié)約電費(fèi)662.58 元，相較于燃?xì)鉄崴?，一年可?jié)約費(fèi)用637.27 元，相較于普通空氣源熱泵熱水器，一年可節(jié)約電費(fèi)43.54 元。